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大倾角综采超前及下口支护系统技术项目方案设计

采煤掘进 煤客网 2020-03-070
1  背景意义    4
2  现状分析    4
2.1木支柱超前支护    5
2.2注浆点柱超前支护    5
2.3以锚杆为主体超前支护    5
2.4单体液压支柱超前支护    6
2.5自移式支架超前支护    7
3 研究内容    7
3.1大倾角工作面两巷及上下出口矿压显现规律分析    8
3.2大倾角工作面端头支护设计    8
3.2.1设计一组(三架)端头支架    8
3.2.2设计端头支架后连杆和顶连杆    9
3.2.3增设防飞矸装置    10
3.2.4设计行人梯和调整连杆    11
3.2.5设计一种过渡支架    11
3.2.6设计过渡支架与第一端头支架连接装置    12
3.2.7设计端头支架和过渡支架挡矸装置    12
3.2.8端头支架支护效果图    13
3.3大倾角工作面超前支护设计    15
3.3.1设计一种自移式迈步超前支架    15
3.3.2自移式迈步超前支架顶梁结构    15
3.3.3自移式迈步超前支架滑移梁结构    17
3.3.4自移式迈步超前支架调架结构    19
3.3.5自移式迈步超前支架支护效果图    19
3.4大倾角综采超前及端头支护系统技术工业性试验    20
4 社会经济效益    21


1  背景意义
川煤集团内大倾角综合机械化开采工作面使用的横式端头和单体超前支护。大倾角综采工作面超前及上下出口支护至关重要:①它是顶板压力区、设备集中区和人员出入口;②超前及上下出口采用单体支护,强度不高,顶板空顶较大,隐患较多;③沿空留巷施工时需提供可靠滞后支护。所以必须妥善解决该处的顶板支护问题,避免安全隐患的出现。
针对攀煤公司矿井大倾角综采面超前支护出现的状况
超前支护采用两排单体支护,造成劳动强度高,支护效果不佳,且偶尔出现靠高帮一侧支护高度不够;下出口横式端头支架支护,设备较重,反复支撑顶板和破坏顶板的锚杆(索),造成移动困难;工作面液压支架开采过程中容易上窜下滑,上下出口使用单体支柱,造成工人劳动强度大、机道存有空顶易漏顶,对生产影响大。开展大倾角综采工作面超前及上下出口支护系统研究,有利于提高矿井的开采水平和安全生产。

2  现状分析
工作面超前支护是综采工作面防护的重点和难点之一。由于矿井开采强度加大,推进速度和自动化程度提高,对工作面端头和超前支护提出了更高的要求;根据《煤矿安全规程》规定:采煤工作面所有安全出口即巷道连接处20m范围内,必须加强支护,综采工作面在此范围内的巷道高度不得低于1.8m,采面两巷20m范围内必须采取超前支护措施。目前,我国综采工作面上、下巷支护主要采用U型钢、工字钢金属支架,锚杆、锚网、单体液压支柱配铰接顶梁、双排木支柱加横梁、单体液压支柱架板梁等传统超前支护方式,条件好的高产、高效少部分大型矿井采用了新型超前液压支架支护。
传统超前支护方式安全性差、技术落后、工人劳动量大、推进速度慢,严重制约工作面快速推速,采用超前液压支架支护是解决该问题的有效途径。
2.1木支柱超前支护
长期以来,木支柱是我国煤炭开采的主要支护手段。但木支柱的回收比较困难,大部分为一次性消耗,对森林保护极为不利,因此,发达国家矿业生产已经很少使用。国内由于基础工业和支护设备机械化水平还比较落后,因此目前还有一定的使用量,尤其在小煤窑和小金矿,木支柱仍是主要支护手段。
2.2注浆点柱超前支护
注浆点柱的主要工作原理是利用砂浆泵将水泥砂浆泵入一个由过滤材料缝制的密封的口袋,砂浆余水由口袋壁面渗透出,口袋内砂浆干凝后支撑采场顶板。一般适用于地下矿山采场临时支撑顶板。注浆点柱是一种被动的支护方式,注浆点柱需一套机械设备系统,材料的运输难同时要连续作业且工序复杂。除少数基础工业发达国家使用注浆点柱外,一般矿山很少使用。
2.3以锚杆为主体超前支护
锚杆类支护是近几十年来迅速发展起来的一类有效支护方法,在我国矿山中推广应用的就有十几种。但是,生产实践证明,以锚杆为主体的系列支护也不是万能的,更新更高的支护设备和支护方法正应运而生。
2.4单体液压支柱超前支护
单体液压支柱按注液方式分为内注式和外注式两种。内注式单体液压支柱使用的工作介质是机油,其结构类似一个油压千斤顶,升柱靠手动。外注式单体液压支柱结构比较简单,类似一个油(汽)缸,升柱靠外部供液管路系统(包括液压泵站),动力介质是含1%、2%或MDT乳化油的乳化液。由于内注式单体液压支柱有几项明显的缺点,加之生产成本比外注式单体液压支柱高,国内煤炭系统已很少使用。
目前我国大部分矿井两顺槽超前支护主要采用单体液压支柱配以金属铰接顶梁的支护方法,但是在特殊地质条件下,该支护方法有诸多缺点:
①支护强度低:单体液压支柱钻底量大,回撤困难对于顶板压力较大的煤层,达不到支护强度,易造成工作面安全出口处的顶板下沉;
②支护速度慢:由于单体液压支柱、金属铰接顶梁回撤速度难以大幅度提高,制约了采煤工作面推进速度,难以实现综采面的高产高效;
③劳动强度大:由于支设、回撤单体液压支柱及铰接顶梁频繁,并且全部采用人力,造成了工作面使用人员多,劳动强度大;
④成本高、安全性差:因顶板压力大或操作等原因,支柱、铰接顶梁、柱鞋的损坏量较大,并且工序复杂,人工操作多,造成事故的概率较大,特别是当工作面倾角较大时,该支护方法的安全性更差。
2.5自移式支架超前支护
目前国内所使用的超前和端头支架主要分为两大类,一类是整体结构的端头支架和超前支架相配合,该类支架稳定性好,但在条件不太好的工作面容易压死架,支架推移难度大,目前在神东部分一次采全高工作面使用,大同矿区综放工作面也有使用过该类型端头支架。另一类是两组一架中置式端头和超前支架,目前该类支架使用比较多,大同塔山矿、大同同忻煤矿、唐公塔煤矿、山东巨龙煤矿 、大佛寺煤矿、麻黄梁煤矿 、柳巷煤矿、神树畔和双山煤矿、霍尔辛赫煤矿等多个综放工作面均采用该类端头液压支架,有些矿区配备了超前支架,使用效果良好,减轻了工人的劳动强度,增强了工作面端头处的安全性及设备的可靠性。但是这些设备使用在近水平和缓倾斜的综采工作面。
3 研究内容
依据大倾角综采工作面两巷及上下出口矿压观测及压力显现分析,工作面超前及上下出口支架布置方式研究,破碎顶板和松软煤层顶板的控制及防飞矸技术研究,形成工作面超前及上下出口支护系统的设计和监督指导支护系统的加工及现场实践,支护系统的安装、运行技术措施制定,工作面超前及上下出口的技术管理、生产管理、设备管理体系建设。
3.1大倾角工作面两巷及上下出口矿压显现规律分析
大倾角工作面矿压显现规律的理论计算
大倾角工作面矿压显现规律的计算机数值模拟分析
试验工作面的矿压观测
3.2大倾角工作面端头支护设计
综采工作面下出口与机巷交叉段设计一种采用简易梁、千斤顶、立柱、连杆、推移千斤顶、底座组合的端头支架,液压控制,移架轻便快捷
3.2.1设计一组(三架)端头支架
分别为第一端头支架(靠巷道侧)如图1、第二端头支架(中间架)如图2、第三端头支架(靠采空区侧)如图3。第一、第二、第三端头支架由巷道侧向采空区一次排列,支架顶梁可根据巷道顶板进行30°~60°的支撑角度调节。
     
图1 第一端头支架图

    
图2 第二端头支架图
    
图3 端头支架第三架图
3.2.2设计端头支架后连杆和顶连杆
该连杆可以调节端头支架顶梁支护角度,增强支架支护稳定性,后连杆示意图如图4,顶连杆示意图如图5。
    
图4 后连杆图    
图5顶连杆图
3.2.3增设防飞矸装置
防飞矸装置的安设,可以给作业人员提供一条安全的行走通道,确保人员安全通行,第一端头支架挡矸装置如图6、第二端头支架挡矸装置如图7。

图6 第一端头支架挡矸图    
图7 第二端头支架挡矸图
3.2.4设计行人梯和调整连杆
设计架内调整连杆和设人行梯对下出口设有行人梯、通道和,可根据倾角调整铺设角度,出口行人安全。如图 8、9、10 。
 
图8 架设梯图    
图9 调整连杆图       
图10调整连杆和行人梯连接图
3.2.5设计一种过渡支架
端头支架上部(即工作面内部)增加一组可伸缩过渡支架,对取消下出口的单体支柱起过渡作用(同时可以作为上出口取缔单体支柱的支护),该支架采用板梁、立柱、推移千斤顶形成迈步式支架和宽度调整,可以增架和减架。开采时对割煤后的三角带顶板有效支护(与工作面支架配合)如图11。
    
图11 过渡支架图
3.2.6设计过渡支架与第一端头支架连接装置
第一端头支架正对工作面刮板输送机,在工作面的底座和立柱需要取掉,顶梁悬空,采用一架迈步式支架与该支架连接运行,如图12。
    
图12 过渡支架与第一架端头架连接装置图
3.2.7设计端头支架和过渡支架挡矸装置
端头支架和过渡支架设计挡矸板,防止工作面采空区的矸石进入下口和人行通道,保障作业安全,如图13。
       
 图13 端头支架与过渡支架挡矸图
3.2.8端头支架支护效果图
端头支架支护效果如图14、15、16所示。

图14 端头支护效果正视图

图15  端头支护效果侧视图

图16  端头支护效果俯视图
端头支架的使用具有以下优点:
①大倾角综采面两巷用液压控制超前支架取代单体支柱,操作方便,降低了职工劳动强度,克服上帮单体支护高度不够的缺点;
②上下出口用简易迈步式组合梁支架支护,支护强度高,顶梁上可铺网,且能有效防倒防滑防矸,增强了安全性,且适应工作面长度,加架减架容易;
③下出口与机巷交叉段采用简易组合梁横式端头支护,自动化程度高,移架轻便快捷,安装拆卸便利,提高了综采单产。
3.3大倾角工作面超前支护设计
设计一种超前自移式迈步支架,可单架、奇数组和偶数组联合移动,液压控制,安装拆卸便利。
3.3.1设计一种自移式迈步超前支架
超前自移式迈步支架由顶梁、底座、调节梁、立柱、千斤顶、滑移梁辅助滑动板组成,如图17所示。
    
        图17  自移式迈步超前支架图
3.3.2自移式迈步超前支架顶梁结构
该支架顶梁为分体结构件,采用螺栓和销子连接组装,满足0~600及不规则巷道使用,支架顶梁结构如图18,顶梁滑道结构如图19。
    
图18  自移式迈步超前支架顶梁结构图
    
图19  自移式迈步超前支架顶梁滑道结构图
1)煤层倾角在0°~30°时,顶梁不加顶帽,如图20、21。
                
 图20  自移式迈步超前支架顶梁、滑道组装结构图

        
图21  自移式迈步超前支架顶帽结构图
4)煤层倾角30~600 时,顶梁加装顶帽,顶帽角度按450设计可以在30~600 之间变换使用。
          
图22  自移式迈步超前支架大倾角顶梁结构图
3.3.3自移式迈步超前支架滑移梁结构
滑移梁与顶梁滑道采用销子或螺栓连接。滑移梁与滑移梁的方式:一是可采用硬连接和十字头万向(水平、垂直方向都能弯曲)连接,实现奇数组和偶数组联合移动;二是不相互连接实现单架独立移动,如图23所示。




图23  自移式迈步超前支架滑移梁结构图
滑道板是滑移梁与滑移梁采用不相互连接和十字头万向时,移动支架起抬梁、水平、垂直方向都能弯曲作用,有利于移架是不失稳,如图24。
    
图24  自移式迈步超前支架滑道板结构图
滑移梁架与架实行错位连接,在头和尾两端出现梁不一样齐,支架移动是头和尾要失重,采用加长梁和悬梁滑板保证移架头和尾不失重,如图25。

    
    
图25  自移式迈步超前支架头、尾架结构和布置图

3.3.4自移式迈步超前支架调架结构
超前自移式迈步支架宽度调架结构是根据巷道宽度和巷道设备布置来进行支架宽度的调节,如图26。
           
图26  自移式迈步超前支架宽度调架结构图
3.3.5自移式迈步超前支架支护效果图
超前自移式迈步支架根据巷道宽度和巷道设备布置来进行支架安装,其支护效果如图27、28所示。

图27 自移式迈步超前支架支护效果正视图
   
图28 自移式迈步超前支架支护效果侧视图
3.3.6自移式迈步超前支架与端头支护链接方式
超前自移式迈步支架安装后与端头支护的衔接关系,如图29所示。

图29 超前自移式迈步支架巷道与端头支架的布置图
3.4大倾角综采超前及端头支护系统技术工业性试验
1)设计大倾角工作面超前支护及端头支护参数,端头支护需要根据工作面三机配套的参数,确定过渡支架顶梁的长度和端头支架的宽度;
2)根据确定过渡支架顶梁的长度和端头支架的宽度,进行工作面矿压理论分析及数值模拟,确定支架的支护强度和工作阻力;通过支护强度和工作阻力计算出顶梁的参数;
3)编制大倾角工作面横式端头及超前自移支架加工、安装、使用、回撤工艺和措施;
4)针对大倾角综采工作面破碎顶板、软底、护顶、保底、片帮治理技术研究及具体方案和措施;
4 社会经济效益
通过对超前支护研究现状的调研,结合攀煤公司具体地质条件,因地制宜地设计了一种工作面端头支架及一种超前支护支架。具有以下社会经济效益。
1)保障端头作业安全
一组工作面端头支架的使用,解决了大倾角工作面下端头矿压显现明显问题,增加了挡矸装置,并科学的设计步行梯,能针对不同倾角调整支撑角度。
2)提升移动速度
一种工作面端头支架及一种超前支护支架都具有自移功能,取消了原先超前支护的支撑回撤环节,降低了工人劳动强度,提升支护效率。

 

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