马兰矿井下液压支架的选型研究.docxVIP

? ? 马兰矿井下液压支架的选型研究 ? ? 刘永峰 (西山煤电股份有限公司马兰矿，山西 太原 030205) 马兰矿18506综采工作面位于南五下组煤采区左翼，煤层为石炭系太原组8号煤层，属于稳定可采的厚煤层，煤层平均厚度为4.43m，煤层倾角为0°～21°，结构复杂，中上部存在一层稳定夹矸，厚度为0.05～0.33m，该采区的西北侧为已经回采完成的18054综采面，直接顶的初次垮落步距为12～20m，周期来压步距为9～16m。 该矿液压支架主要用于和巷道内煤柱一起来保证井下围岩的变形量。液压支架和煤柱、沿空顺槽的实体帮一道做为受力结构，用于承受井下巷道基本顶岩层的载荷。在支护作业时，煤矿井下基本顶岩层的回转角和液压支架支护时的强度息息相关[1]，液压支架支护时的支护强度越大，井下基本顶岩层受力情况下的下沉量就越小，其回转角就会越小，井下支护作业的安全性就越高。因此在马兰矿18506综采面井下支护时，可将井下支护作业时的液压支架与围岩的相互关系，简化为承载体和载荷体的相互关系，便于进行支护临界强度的计算。 1 井下煤柱支撑力分析 由于煤矿井下巷道的基本顶的强度大于巷道直接顶和支护煤柱的强度，为了便于对煤柱的支撑力进行分析，根据马兰矿井下的实际情况，将18506综采面上煤柱的下侧边界处假设为固定的边界，而将煤柱的上侧边界假设为施加一定变形量的边界。由于在井下煤柱的四周采用了锚网带支护方式，因此可将井下煤柱工作时的支护阻力分别设为P1、P2。煤矿井下煤柱的力学分析模型如图1所示,图中b表示井下巷道顺槽高度，z表示支护煤柱宽度，θ表示井下基本顶岩层的回转角。 图1 井下支护煤柱受力分析示意图 为了简化计算，将井下支护煤柱的受力分析简化为煤柱在受力平面上的平面应变问题，并以受力情况下的位移分量来对变形势能U进行描述[2]： 式中： U-变形势能； E-煤矿井下煤层的弹性模量； μ-煤矿井下煤层的泊松比； w-在x轴方向上的位移分量，mm； v-在y轴方向上的位移分量，mm。 假设在受力过程中在x轴方向上的位移分量w、在y轴方向上的位移分量v分别发生了微小的变形量δw、δv，则式（1）利用拉格朗日方程可变为： 式中： X-煤矿井下煤层受力时在x方向上的体力分量； Y-煤矿井下煤层受力时在y方向上的体力分量； -煤矿井下煤层受力时在x方向上的面力分量； -煤矿井下煤层受力时在y方向上的面力分量。 根据所设定的煤柱受力分析模型，确定马兰矿18506综采面的边界条件为： 煤矿井下煤层受力时在x方向、y方向上的体力分量均为0，煤矿井下煤层受力时在x方向和y方向上的面力分量分别为P1、P2，当y=0的情况下在x轴和y轴方向上的位移分量w、v均为0，当x=z/2的情况下在x轴和y轴方向上的位移分量w=0，v=xtanθ，y=b。 综合分析可得井下煤柱支护时的支撑力R可表示为： 式中： σy-作用在煤柱上的任意点的垂直应力。 根据马兰矿18506综采面井下巷道岩层的实际情况，分析后确定井下煤柱工作时的支护阻力分别设为P1=P2=0.2MPa，煤矿井下煤层的弹性模量E=17.9MPa，煤矿井下煤层的泊松比μ=0.3，井下基本顶岩层的回转角θ=2.7，最终确定井下煤柱支护时的支撑力R=6.9×103kN。由于支护区域顶板宽度为1m，因此根据承载体和载荷体的相互关系，确定了液压支架支护时的支撑力 2 马兰矿井下支护液压支架选型及工程应用 根据以上分析，最终确定综采面所选用的液压支架型号为ZY8000/25/50型液压支架，其支撑高度为2500～5000mm，支护作业时的支撑宽度为1830mm，工作时的工作阻力为8000kN，支护时的初撑力约为6412kN，其支护强度为1.01MPa。 在综采面掘进作业期间，采用该型液压支架进行支护，其超前支护距离约为49m，采用十字布点的方案对掘进期间沿空顺槽表面的位移量进行监控[3-4]，监测结果如图2所示。 图2 井下掘进期间沿空顺槽的围岩变形曲线 由图2可知，通过连续64d的监测，在煤矿井下掘进期间沿空顺槽的围岩变形呈现出了先增加然后趋于稳定的变化趋势。变形的位置主要在沿空帮处的位移和巷道顶板的下沉，左帮和右帮的移近量约为243mm，巷道顶板的下沉量约为102mm。回采期间沿空顺槽表面的位移量监测结果如图3所示。 图3 井下回采期间沿空顺槽的围岩变形曲线 由监测结果可知，在回采期间，井下综采面采动影响的距离约为169m，左帮和右帮的移近量约为1229mm，巷道顶板的下沉量约为292mm。由此可知，在整个井下综采作业期间，左帮和右帮的移近量均小于所选液压支架的有效支护宽度，顶板的下沉量也远小于支架最低支撑高度和顺槽高度值差。在整个综采作业期间，未出现液压支架被压死的现象，因此所选的液压支架完全满足井下安全作业