悬移顶梁支架在小窑复采区放顶煤开采中的适用性分析

总第１７２期　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５—２７９８．２０１３．１２．０１９　悬移顶粱支架在小窑复采区放顶煤　开采中的适用性分析　刘金凯，马　越，韩　帅，刘宝康，宋湘彬，王建宗　（中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京１０００８３）　摘要：为了研究悬移顶梁支架在小窑复采区放顶煤开采中的适用性，以毛则渠煤矿小窑复采区为工程背　景，应用ＦＬＡＣ　数值模拟软件对毛则渠煤矿７４０８工作面应力分布及位移变化进行了数值分析，并结合现　场实测所得矿压数据，得出：悬移顶梁支架在地质条件复杂区域具有适应性强、初撑力高、放煤口机动灵活　等优点，能够较好地满足小窑复采区顶板维护要求，保证矿井的安全生产，为同类地质条件下的小窑复采　区支架选择提供参考。　关键词：悬移顶梁支架；小窑复采区；放顶煤；适用性　中图分类号：ＴＤ３５５　．４　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００５．２７９８（２０１３）１２—００５１—０３　在我国山西、内蒙古、新疆等西部地区存在大量　０．４　ｍ，节理发育，普氏系数．厂＝１．７～２．４。煤层顶　小窑破坏区域，小窑大多采用巷柱式开采，回采率极　板大部分为粉砂岩、泥岩，老顶为细粒砂岩，底板为　低，在小窑破坏区域遗留了大量的优质煤炭资源。　粉砂岩和泥岩。现在的工作面开采原来工作面的下　随着煤炭资源的日益枯竭，开展小窑区域复采关系　分层及区段煤柱，工作面采用走向长壁后退式机械　到矿区的可持续发展。而这些区域由于小窑开采造　化采煤金属网假顶采底煤放中煤的采煤方法。工作　成的影响，使得上部采空区的分布具有很强的随机　面采用采煤机割煤，刮板输送机运煤，悬移支架支　性，顶板条件时好时坏，所以为了保证复采安全有效　护，全部垮落法管理顶板，采高２．２　ｎｌ，放顶２．３　ｍ，　地进行，需要合理地选择支架，而综采液压支架的高　循环进度０．６　ｍ，一刀一放，采放平行交替作业的方　成本、繁琐的工作面搬家程序以及对开切眼大尺寸　式。上分层由于小窑开采工艺较为粗糙，使得形成　的要求制约了其在小窑复采区的应用。悬移支架不　的采空区具有较强的不规则性（见图１），且顶板条　仅具备单体支柱的灵活性，又兼有液压支架的安全　件十分复杂。　可靠性，以及其对地质条件的适应性强、初撑力高、　放煤机动灵活等特点，在地质条件复杂的区域使其　在技术和经济等方面具有明显的优越性。本文以毛　！－＝－—一－＿・——一Ｉ则渠煤矿为例，研究悬移顶梁支架在小窑复采中的　・＿Ｉ　一　适用性，该研究对于我国西部小窑破坏区域复采时　图１　原分层开采上分层采空区、区段煤柱关系示意　支架的选择具有一定指导和参考意义。　２支架参数　１工作面概况　工作面采用ＺＨ２６００／１６／２４Ｚ型支架支护，支架　毛则渠煤矿位于山西省乡宁县西南边缘的西坡　主要参数见表１。　镇，本井田含煤地层有石炭系中统本溪组、石炭系上　ＺＨ２６００／１６／２４Ｚ型支架的总体长度为３．２　１ＴＩ，　统太原组和二叠系下统山西组，其中太原组和山西　需要的开切眼宽度较小，对于上方为采空区的下部　组为区内主要含煤地层。当前回采２号煤层位于山　煤层巷道掘进与支护极为有利，较为理想地解决了　西组中下部，厚度４．５３～８．６５　ｉｎ，平均厚度为　小窑破坏区下松散破碎煤层中合理切眼宽度的难　题。另外，其运输尺寸极为灵活，不需要对原有巷道　７．０１　ｉｎ，上分层２　Ｉｎ，部分已采空，局部有煤柱，剩余　的尺寸进行调整。配双滚筒采煤机，相当于综采工　可采厚度平均为４．５　ｍ。煤层呈层状，近水平煤层，　有显著连续性，变化不大，属稳定煤层，夹矸０．２—　作面的机械化程度，配备液压系统采用集中控制，提　收稿日期：２０１３—１０－０８　基金项目：国家级大学生创新科技训练计划项目（２０１３１　１４１３００４）　作者简介：刘金凯（１９８９一），男，河北唐山人，在读硕士研究生，研究方向为矿压及放顶煤等。　５１　刘金凯等：悬移顶梁支架在小窑复呆区放顶煤开采中的适用性分析　第２２卷第１２期　高了自动化水平，降低了工人的劳动强度。该支架　易损件较少，降低了维护成本。另外，组合支架抗冲　击载荷、水平力和侧向力的能力较高，支架的适应性　很好。结构设计合理，承受偏载和倾斜方向推力的　能力很强，稳定性好，特别适合放顶煤工作面的开采。　表１支架主要参数　支架最大高度／ｍｍ　２　４００　支架最小高度／ｒａｍ　ｌ　６００　支架长度／ｍｍ　３　２００　支架中心距／ｍｍ　ｌ　ｏｏ０　支架步距／ｒａｍ　６０ｏ　立柱数量／根　４　最大件重量／ｋｇ　１　４００　额定工作压力／ＭＰａ　４２．３　额定工作阻力／ｋＮ　２　６ｏｏ　支护强度／ＭＰａ　０．６３～０．７４　额定初撑力／ｋＮ　ｌ　９３８　而综采设备中的液压支架其尺寸较大，通过比　较，综采中的轻型支架其支护状态下的长度平均为　４　ＩＴＩ以上，考虑掩护梁其长度更大，但在该矿条件　下，上部回采期间岩石顶板已经垮落一次，当开采下　分层时，顶煤作为直接承载的介质，其强度较低，暴　露宽度必然不能太大，对于综采液压支架其开切眼　的长度一般在６　ｒｆｌ以上，以当前的现场条件实现难　度较大，而且较大的支架尺寸在运输时也需要额外　考虑。另外，综采支架的初期投入较大，类似条件下　的综采工作面初期投资要比悬移顶梁支架放顶煤工　作面高出数倍，且工作面的安装调试时间较慢，对于　中小型煤矿在实施上可能存在一定的困难。　此外，小窑开采的随机性导致复采区的顶煤具　有很强的不均匀性，顶煤在一些区域厚度不一，给放　煤工作带来了困难。然而由于悬移顶梁支架采取金　属网下剪网放煤，放煤口的选择机动灵活，可以保证　顶煤的放出率，同时降低含矸率。与此相比，综放支　架在放煤口的选择上则具有很大的局限性，放煤口　的位置相对固定，不能很好地适应小窑复采区中顶　煤的情况，造成资源的损失。　３支架适用性分析　３．１　工作面矿压数据分析　为了掌握当前支护条件对于现场回采的适应　性，为进一步优化设计提供依据。收集７４０４、７４０６、　７４０８工作面在回采过程中的矿压数据并进行分析，　为保证所分析数据的意义，所采集的矿压数据应当　不小于１０　ｄ。以７４０８工作面２０１２年５月底到６月　的矿压数据为例，具体如图２所示。此外，通过总结　该监测时间段内中部４３号前方左侧支架的最大工　５２　作阻力可得如图３所示的曲线。　由７４０８工作面６月份的矿压数据可以看出工　作面压力主要集中在中部处，总体没有出现较高的　压力，均值约为２５　ＭＰａ左右，其周期来压步距约为　６．４　ｒｌｌ。工作面支架最大工作阻力的分布具有一定　的随机性，工作面范围内较高的工阻值既可以出现　在机头、机尾的端部位置，又可能出现在工作面的中　部位置，其规律性与常规回采条件下表现不同，但是　最大工作阻力都没有超过支架的额定工作阻力，其　中在６月１２日左右出现了最大工阻值，约为　３５　ＭＰａ，所选用的ＺＨ２６００／１６／２４Ｚ型悬移液压支架　工作状态理想，工作阻力富裕量较大，且由于该时间　段内矿压并未出现较大程度的起伏，故支架能完全　满足顶板来压时控制顶板的要求。　图２　７４０８工作面６月份不同位置支架的最高工作阻力　日期　图３　４３号支架最大工作阻力一目期变化曲线　此外，在回采过程中７４０４工作面由于上部不完　整顶板的影响，工作阻力曾在较长时间内维持在　３５　ＭＰａ左右较高的水平，同一工作面在推进过程中　出现的最小和最大工阻值的差别可达５倍左右，但　悬移顶梁支架仍能满足顶板支护的需要，安全地完　成了７４０４工作面的回采工作。　３．２数值模拟　通过现场收集的矿压数据，可以得知表现在回　采空间表面的矿压分布规律，而工作面前方的矿压特　征及回采空间更深处的应力分布特征同样会对工作　面处的矿压显现产生影响，现场条件下上述数据不易