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大倾角综采工作面液压支架参数设计及其与围岩关系_石建军

第37卷增刊2煤炭学报

Vol.37Supp.22012年

10月

JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY

Oct.

2012

文章编号:0253-9993(2012)S2-0313-06

大倾角综采工作面液压支架参数设计及其与围岩关系

石建军1,师皓宇1,包寿胜2,刘宏伟

2

(1.华北科技学院安全工程学院,北京101601;2.威信云投粤电煤炭有限公司,云南昭通657900)

要:基于云南观音山煤矿已有的煤层地质条件,确定了合理的支架高度、支护强度及合理的额

定工作阻力。在顶板分类原则基础上选定支架为ZQY4400/17/36型大倾角掩护式液压支架。采

用数值模拟软件FLAC3D ,建立了大倾角软顶底板煤层数值模型,模拟研究了所选支架在工作面的支撑应力分布规律,分析了工作面回采时煤壁内应力分布,顶板下沉及底板鼓起情况。采用AN-SYS 数值模拟软件,建立了支架与围岩关系的力学模型,模拟研究了支架所受载荷情况,对支架与围岩的力学关系进行了分析。结果表明:根据实际地质情况选择的ZQY4400/17/36型大倾角掩护式液压支架使用时,顶板下沉量和底板鼓起量能满足安全开采要求,支架以前梁变形为主,支架顶梁变形较小,支架底板尖端比压满足支护要求,支架整体选择适合实际条件。关键词:液压支架参数设计;大倾角;支架与围岩关系;适应性中图分类号:TD355.45文献标志码:A

收稿日期:2011-12-19责任编辑:许书阁

基金项目:中央高校基本科研业务费资助项目(AQ1202B )作者简介:石建军(1975—),男,黑龙江五大连池人,副教授,博士。E -mail :shjjwrh@http://www.wendangku.net/doc/837535aaaf1ffc4fff47ac0b.html

The hydraulic support parameter design in lean coal seam and numerical simulation about the relation hydraulic support and surround rock

SHI Jian-jun 1,SHI hao-yu 1,BAO Shou-sheng 2,LIU Hong-wei 2

(1.Safety Engineering College ,North China University of Science and Technology ,Beijing 101601,China ;2.Weixin Yunnan Electric Capital Ltd.,Zhaotong 657900,China )

Abstract :Based on the condition of Guanyinshan Mine ,we determined the reasonable support ,the support strength and reasonable resistance.According to the classify principles of roof selected the ZQY4400/17/36type large shield hydraulic support ,

we built a numerical model for lean and soft roof and floor coal seam by using the software FLAC3D to numerically study the stress distribution of support and to analyze the stress distribution and roof and floor muster.We built a numerical model for relationship between support and surrounding rock by using the software ANSYS to nu-merically study the support load and to analyze the relationship between support and surrounding rock.The numerical simulation indicate that :the ZQY4400/17/36type large shield hydraulic support can meet the requirements of safe mining in muster the roof and floor subsidence.The top beam deformation of support is small and mainly in the before beam deformation.The support sophisticated pressure meet the requirements of supporting ,the support we choose is meet the actual conditional.

Key words :hydraulic support parameter design ;big angle ;relationship between support and surrounding rock ;adapta-bility

1地质条件

威信云投粤电扎西能源有限公司观音山井田可

采煤层为C 1,

C 5两层,矿井投产时移交西一一、西一二采区,两采区开采范围内C 5煤层全区可采,其中西一一采区和西一二采区东翼C 5煤层存在增厚现象,

DOI:10.13225/http://www.wendangku.net/doc/837535aaaf1ffc4fff47ac0b.htmlki.jccs.2012.s2.037

煤炭学报2012年第37卷

煤厚最厚11.51m,平均在4.37 6.59m之间,煤层

倾角32? 39?,西一二采区西翼C

5

煤层厚在2.52

2.61m之间,煤层倾角40?;总体上煤层有由浅至深

厚度变薄、倾角逐渐变缓的趋势。

煤层直接顶一般为深灰色泥岩,局部为泥质灰

岩,厚度0.09 4.60m,一般0.5 1.5m;直接底为

浅灰色泥岩、砂质泥岩,厚0.50 2.87m,一般1

2m。可采煤层特征见表1。

表1可采煤层特征

Table1The feature of the coal seam

煤层号煤厚/m层间距/m顶底板岩性倾角/(?)

C10 2.30

1.16

31 48

顶板为泥质灰岩、泥

质粉砂岩,底板为泥

岩、泥质粉砂岩

28 42

C5 1.00 11.5138顶板为泥岩、泥质灰

岩,底板为泥岩、砂

质泥岩

28 42

2支架参数的设计

2.1支架高度的确定

根据统计分析可以看出,煤层厚度1.5 2.0m 占0.93%;2.0 2.5m占28.61%;2.5 3.0m占22.32%;3.0 3.5m占2.02%;3.5 4.0m占14.48%;4.0 4.5m占5.73%;4.5 5.5m占23.8%;5.5 7.0m占2.11%。煤层厚度大部分集中在3m以下,占51.85%;煤层在3.5 4.0m占14.48%,采用一次采全高;煤层厚度4 7m占31.64%,为分层开采。

综上分析采高定为1.9 3.4m,可以满足分层开采要求。

支架的最大、最小高度的确定以工作面采高为参数,可按以下公式计算:

H

max =M

max

+(0.1-0.3)=3.6(1)

H

min =M

min

+h

d

-h

e

=1.7(2)

式中,h

d 为预计的顶板下沉量;h

e

为避免支架压死的

撤出高度。

根据式(1) (2)计算,支架高度定为1.7 3.6m。

2.2支架支护强度的确定

2.2.1倍数质量法

q H =nh

m

γcosα=488kN/m2(3)

式中,q

H

为支护强度,kN/m2;n为岩重倍数;h m为采高;γ为上覆岩层容重,kN/m3;α为煤层倾角。

2.2.2统计类比法

Q

H =[58h

m

+14L

z

+36(L

m

-1)]cosα=

436kN/m2(4)

式中,L

z

为周期来压步距,m;L

m

为控顶宽度,m。

2.2.3顶板分类法

P

e

=72.3h

m

+4.5L

p

+78.9B

c

-10.24N-

62.1=494kN/m2(5)

式中,P

e

为额定支护阻力下限,kN/m2;h m为煤层采

高;L

p

为周期来压步距,m;B

c

为控顶宽度,m;N为直

接顶充填系数。

根据以上计算,取最大值494kN/m2,即

0.494MPa。考虑周期来压动载系数1.2,最后支护

强度为1.2?0.494=0.593MPa,可以满足安全生产

要求。

2.3额定工作阻力的确定

额定工作阻力按下式计算:

P=q

H

(b+L)B/η=4281kN(6)

式中,P为工作阻力,kN;b为梁端距,m;L为顶梁长

度,m;B为支架宽度,m;η为支撑效率。

根据式(6)计算,按高产高效可靠性原则,大倾

角综采工作面支架额定工作阻力定为4400kN[1-3]。

3架型选择

3.1直接顶分类

影响直接顶稳定性的主要因素有3个:①组成

顶板岩石的强度特性;②顶板岩层强度沿厚度的分

布及层间黏结强度;③顶板的完整程度,主要以层理

和节理的发育程度来表征。这3个因素都集中体现

在直接顶抗弯拉能力,这也体现在直接顶的初次垮落

步距。大量矿压研究数据表明:直接顶的初次垮落步

距是直接顶稳定性的综合反映。考虑岩体结构和裂

隙的综合影响,根据固支梁的极限断裂步距,直接顶

的初次垮落步距为

L

z0

=8.94C

z

(σ

c

h

)12(7)

式中,C

z

为岩体的综合平均软化系数,C

z

=

C

4

C

1

C

3

C

2

()1,其中,C1=h1/h0,C2=h2/h0,C3=σt/σc;

h

为直接顶的分层厚度,m;h

1

为直接顶内承载层的

厚度(较硬层),m;h

2

为直接顶内加载层厚度(较软

层),m;C

4

为岩体的软化系数;σ

c

为直接顶岩体的抗

压强度,MPa;σ

t

为直接顶岩体的抗拉强度,MPa。

在式(7)基础上,原煤炭部制定了直接顶稳定性

分类指标及范围,根据直接顶初次垮落步距确定直接

顶为不稳定的Ⅰ类顶板[4]。

3.2基本顶分类

基本顶的分类以基本顶的来压程度为依据,即顶

413

增刊2石建军等:大倾角综采工作面液压支架参数设计及其与围岩关系板下沉和支架荷载。根据大量工作面回归分析,以P M0(基本顶初次来压的循环末荷载强度)和D H (基本顶来压强度当量)为分类依据,得到基本顶分类指标

和量级。对于工作面基本顶分级中,

主要应该看重直接顶与采高的比值和基本顶来压步距。直接顶厚度

由冒落高度公式确定。

如图1所示,直接顶冒落高度m z 为

m z =

h -S A

K A -1

(8)式中,

m z 为直接顶厚度;h 为采高;S A 为岩梁触矸处沉降值,由实测而定,一般取为(0.2 0.4)h ;K A 为岩梁触矸处已冒落岩层的碎胀系数

大倾角综采工作面液压支架参数设计及其与围岩关系_石建军

大倾角综采工作面液压支架参数设计及其与围岩关系_石建军

图1

直接顶冒落高度示意

Fig.1

The caving height of the immediate roof

根据井田附近煤矿工作面现场直接顶冒落碎胀

情况,取K A =1.30,

S A =0.35h 代入式(8)计算得:m z =

h -S A K A -1=0.65h

0.3

(9)

根据分析东零采区、西一一采区、西一二采区、西一三采区、西一四采区煤层采出厚度分别取为2.3,2.6,2.6,2.9,3.4m ,分别代入式(9)得出几个采区工作面直接顶厚度分别为4.98,5.63,5.63,6.28,7.37m 。

从计算结果和分类结果来看,C 5煤层工作面的基本顶为来压明显的Ⅱ级基本顶。

具体分级结果见表2。

表2

C 5煤层一水平工作面围岩分类

Table 2

The rock classification of the first horizontal in

C 5coal seam

采区名称直接顶初次垮落步距/m

基本顶初次来压步距/m

N 直接顶分类基本顶分类东区420 2.5ⅠⅡ西区

4

20

2.5

3.3架型

根据工作面顶板分类结果,

C 5煤层直接顶属于Ⅰ类,基本顶属于Ⅱ级,底板属于Ⅱ类。两柱掩护式

液压支架和四柱支撑掩护式液压支架都可以使用,但两种支架各有优缺点。两柱掩护式液压支架由于具

有结构及液压系统简单,

操纵方便,降、移、升循环速度快,工作可靠,不存在前后排立柱升降不同步的憋

卡现象等特点,所以被广泛应用在综采工作面[3]。

综上所述,根据支护强度标准,借鉴类似条件的

大倾角煤层设备配套经验,选用两柱掩护式液压支架较为适宜,型号为ZQY4400/17/36型大倾角掩护式液压支架

[5-7]

4支架支撑应力分布

模拟所选支架在实际使用过程中的使用效果和

适应情况,煤层及围岩条件见表1。

模拟采用三维FLAC 设计软件。工作面倾向长度120m ,走向长度100m ,留100 120m 的边界,模型高度390m 。模型侧面限制水平移动,

模型底面限制水平移动和垂直移动,模型上部施加上覆岩层的自重应力。研究范围内的岩层采用莫尔库仑模型,模型共有66888单元块、

72887节点。根据以上条件建立FLAC 三维模型

[8]

为研究工作面倾向位置支架的应力分布规律,本

模拟采用了柱式支架,支架参数如下:支架额定工作阻力4400kN ,间距为0.75m ,支架弹性模量2.1?

1011Pa ,泊松比0.3,支柱截面积0.1256m 2,支柱周

长1.256m 。

工作面支架模型如图2所示。

图2

工作面支架模型

Fig.2

The support model of the coal face

由图3 5分析可知,工作面回采至距切眼100m 时,煤壁内最大的垂直应力为14.47MPa ,主要集中在工作面的下部;煤壁内最大的主应力为

7.91MPa ,支柱的最大支撑力为1.586?103

kN ,顶板最大下沉量为6.206cm ,

底板有底臌现象,最大突起量为2.87cm 。所选支架工作性能发挥较好,适合此种地质条件。

5支架与围岩的力学关系

模拟采用表1中条件,由于研究支架沿走向方向

的表现,故忽略倾角的影响。

5

13

煤炭学报2012年第37卷

图3煤壁内垂直应力云图

Fig.3The vertical stress of the coal wall

图4支架支撑力分布

Fig.4The support force of the supporter

图5工作面处垂直变形云图

Fig.5The vertical deformation of the coal face

5.1支架载荷力学结构分析

根据液压支架实际尺寸,建立支架主要框架模型,在支架底座设置3向位移约束,在整个模型中施加重力场,顶梁加载力学载荷[9-12]。构建的模型如图6所示。

图6液压支架三维模型

Fig.6Three-dimensional model of the hydraulic support

分析结果如图7 9所示。由图7分析可知,支架顶梁受到4300kN的均匀载荷时,支架顶梁的变形为0.18mm,其它部位的变形量远小于0.1mm,说明所选择支架在控制顶板下沉的性能较好。支架变形主要以前梁为主。

图7支架垂直变形

Fig.7The vertical deformation of the support

图8支架垂直应力分布

Fig.8The vertical stress of the support

图9支架水平应力分布

Fig.9The level stress of the support

由图8和9分析可知,支架的垂直压应力主要作用在两个支柱上,其应力大小为5.10MPa,拉应力主要集中在后座上,其大小为3.56MPa,而水平拉应力主要集中在顶梁的上部,为4.74MPa,水平压应力集中在顶梁的中下部,大小为5.44MPa。

5.2支架与围岩作用力学分析

根据液压支架实际尺寸,建立支架主要框架模型,如图10所示。在支架上方和下方建立1m厚度的顶底板岩层,支架前方建立宽1m、高2.8m的煤层,底板下方施加3向位移约束,在整个模型中施加重力场,顶板岩层上施加2MPa的垂直应力。

由图11和图12可知,顶板变形最大的区域是支架后方,最大垂直变形量为0.0788mm,支架顶梁上方的垂直变形量为0.04 0.06mm,支柱的最大变形量为0.04mm;顶梁上方的水平位移为-0.031mm,液压支架的底座后部的水平位移为0.0173mm。

由图13可知,支柱所承受的压力较大,最大可达到12MPa,底板受到支架2MPa的压力,因此煤层底

613

增刊2石建军等:大倾角综采工作面液压支架参数设计及其与围岩关系

图10支架与围岩相互作用模型

Fig.10The model of the interaction support and wall rock

图11支架与围岩的垂直变形云图

Fig.11The vertical deformation of the support and wall rock

图12支架与围岩的水平变形云图

Fig.12The level deformation of the support and wall rock 板抗压强度大于2MPa就能满足支护要求,支架各铰接点的垂直应力较大,一般都在5MPa以上。

图13支架与围岩的垂直应力云图

Fig.13The vertical stress of the support and wall rock

由图14可知,支柱所承受的水平应力较小,最大为3.8MPa。

由图15可知,煤壁前上方的剪应力为2.16MPa,由于煤体的抗剪强度较小,此处属于易破碎区域,支架各铰接点处最大剪应力为3.7MPa[13-15]。

因此所选支架在该地质条件下适应性较好,能够

图14支架与围岩的水平应力云图

Fig.14The level stress of the support and wall rock

图15支架与围岩的剪应力云图

Fig.15The shearing stress of the support and wall rock

满足正常安全开采要求。

6结论

(1)通过分析整理观音山煤矿的实际煤层资料,确定支架高度为1.7 3.6m。采用理论分析计算分别按顶板分类法、统计类比法、倍数质量法确定支架的支护强度为0.593MPa,进而按高产、高效、可靠性原则,大倾角工作面综采支架额定工作阻力定为4400kN。

(2)在顶板分类的基础上确定了支架的架型。确定直接顶为不稳定的Ⅰ类顶板,基本顶为来压明显的Ⅱ级基本顶。借鉴类似条件的大倾角煤层设备配套经验,选用两柱掩护式液压支架较为适宜,型号为ZQY4400/17/36型大倾角掩护式液压支架。

(3)研究根据FLAC和ANSYS的数值模拟结果分析,可得以下结论:所选支架顶梁受到4300kN的均匀载荷时,支架顶梁的变形为0.18mm,其它部位的变形量远小于0.1mm,说明支架在控制顶板下沉的性能较好。支架变形主要以前梁为主。支柱所承受的压力较大,最大可达到12MPa,底板受到支架2MPa左右的压力。底板抗压强度大于10MPa,支架底板比压能满足支护要求。

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