大采高综采液压支架选型的工程类比研究

根据试验矿井3号煤层的赋存特征,借鉴周边矿井3号煤层大采高综采工作面的成功案例,采用工程类比方法,确定了液压支架的合理支护强度,计算了支架的额定工作阻力,并进行了液压支架结构优化。工业性试验期间,经过现场观测并结合矿压数据分析,认为ZY10000/28/62掩护式支架设计合理,额定工作阻力满足使用要求,尤其是支架使用了整体顶梁带伸缩梁结构,并且伸缩梁前端带有两级可折叠式护帮板,伸缩梁和二级护帮板有效解决了大采高工作面片帮和顶板维护难的问题,顺利实现了大采高工作面的安全高效开采。     

8.2m超大采高综采成套装备研制及应用

针对6~8m厚煤层大采高一次采全厚综采技术与装备难题,以金鸡滩煤矿2-2上煤层赋存条件为基础,通过建立超大采高工作面顶板岩层断裂的"悬臂梁+砌体梁"力学模型及煤壁片帮的"拉裂-滑移"力学模型,研究了超大采高工作面顶板岩层断裂结构及煤壁片帮力学机理,研制了8.2m超大采高综采成套装备,实现了金鸡滩煤矿8.2m超大采高工作面安全、高效、高回采率开采。研究结果表明,通过液压支架与围岩的耦合动力学模型可以确定顶板岩层对液压支架的冲击动载荷,煤壁的破坏深度与开采高度、矿山压力呈正相关性,与煤体强度呈负相关性。通过设计研发大缸径抗冲击双伸缩立柱、三级协动护帮装置等新结构,提高了超大采高液压支架对围岩的适应性。通过研制大运量变频控制刮板输送机及新结构,解决了超大采高工作面瞬间煤量大、煤量变化大、片帮煤易压死刮板输送机等问题。研制了8.2m超大采高综采成套装备,设计采用"大梯度+小台阶"过渡配套方式,解决了端头煤损失问题。金鸡滩煤矿8.2m超大采高工作面日产5.7万t,月产达到150万t以上,实现了安全、高效、高回采率开采。     

基于“顶板-煤壁-支架”综合评价的大采高支架工作阻力研究

针对6.0 m特大采高综采工作面支架适应性评价与工作阻力确定难题,基于大采高采场覆岩"悬臂梁-层间岩层-砌体梁"结构模型,对6.0 m特大采高综采工作面支架合理工作阻力进行了确定,通过数值模拟和大比例尺采场相似模拟实验对支架与围岩控制适应性进行了验证和评价。研究结果表明,大采高综采支架工作阻力的确定要以满足顶板、煤壁等采场围岩控制为前提,并需确保支架良好的位态。支架工作阻力不仅要能支撑垮落带关键层"悬臂梁"破断长度内的岩层载荷,还要能给断裂带下位岩层"砌体梁"结构以平衡力。模拟结果表明,当工作阻力低于10 000 k N时,支架处于满负荷运转状态,活柱下缩量较大,顶板及煤壁变形显著;当工作阻力高于11 000 k N时,采场围岩及支架工况显著改善,据此确定支架合理工作阻力为12 000 k N。生产实践表明,试验工作面支架循环末阻力8 340~10 247 k N,安全阀开启率低于5%,煤壁完整性较好,支架工作阻力满足顶板支护及安全生产要求。     

超大采高工作面液压支架与围岩耦合作用关系

针对金鸡滩煤矿坚硬厚煤层赋存条件,提出了8.2 m超大采高一次采全厚开采方法,分析了超大采高工作面液压支架与围岩的强度、刚度、稳定性耦合关系及控制方法,研制了ZY21000/38/82D型超大采高液压支架及新结构。基于液压支架与围岩耦合作用关系,采用理论分析与数值模拟方法研究了超大采高液压支架合理工作阻力确定的“双因素”控制法;通过建立脆性坚硬厚煤层煤壁片帮的“拉裂-滑移”力学模型,得出了控制煤壁片帮发生滑移失稳的液压支架临界护帮力;分析了销轴铰接间隙对超大采高液压支架稳定性的影响及控制方法。通过创新研制大缸径抗冲击双伸缩立柱、三级协动护帮装置等新结构,保证了超大采高液压支架与围岩系统的稳定性控制。     

互联网+液压支架智能耦合控制系统设计与实现

互联网+液压支架智能耦合控制系统实现了顶梁、掩护梁、连杆和底座二维坐标角度、支架高度、工作面采高、工作面起伏角度、合力作用点的偏移情况、支架工作阻力、立柱压力、初撑力、循环末阻力、周期来压、支架扭曲度等耦合信息的实时检测,实现了高度自动检测及控制、支架姿态检测及控制、立柱压力检测及自动增压、合力作用点位置检测及调整、护帮板状态检测及控制、液压支架与围岩耦合关系的实时检测和自动控制,通过互联网技术使控制系统接入智能化矿山,使液压支架与围岩达到最佳的耦合关系。     

液压支架使用中主要问题分析

液压支架占采掘设备总投资的70%左右,是综合机械化采煤工作面装备数量最多的产品。介绍了液压支架行业发展现状,并重点就神东矿区液压支架使用过程中出现的掩护梁开裂、柱窝开裂、底座开裂、伸缩顶梁开裂、护帮板耳座开裂、立柱镀层剥落、立柱锈蚀及密封损坏、中缸缸底断裂等主要问题进行了分析,并指出了解决措施,对煤矿的生产实际具有一定的指导意义。     

布尔台煤矿厚煤层大采高液压支架适应性分析

为得到神东矿区北部中等埋深厚煤层大采高工作面矿压显现规律、液压支架合理工作阻力及分析支架适应性,对布尔台煤矿42102-1大采高综采工作面的矿压显现及液压支架工作阻力进行观测,计算得到该工作面顶板结构及运动特征参数,提出了考虑支架实际使用效果的"三因素法",即从"支"、"护"、"采"三方面评价支架适应性,应用岩石自重经验估算法、实测支架循环末工作阻力加1倍均方差和传递岩梁理论这3种方法,计算得出该工作面的支架合理工作阻力均为16 000 kN,应用结果表明:现有ZY10800/28/63支架工作阻力过小不能适应该矿中等埋深大采高的开采条件,须重新选择合理支架。     

特厚煤层大采高综放工作面矿压及顶板破断特征

针对大采高综放工作面覆岩活动空间大、开采扰动强烈的特点,以不连沟煤矿特厚煤层大采高综放开采为背景,采用现场实测和理论分析等方法对大采高综放采场矿压及顶板运移破断特征进行分析,建立了大采高综放采场周期来压岩层破断的力学模型,得出了液压支架工作阻力的计算方法。结果表明:大采高综放工作面来压时安全阀开启频繁、顶板快速下沉,额定工作阻力13 800 kN的液压支架不能满足顶板控制的需要;开采空间的增大、直接顶厚度增大,低位基本顶转化为直接顶成为悬臂结构、高位基本顶形成砌体梁,二者形成"上位砌体梁-下位倒台阶组合悬臂结构";工作面来压强烈、动载明显、持续时间短的矿压现象是由于高位砌体梁结构滑落失稳造成的,据其力学特征确定了液压支架的工作阻力。     

大采高综放工作面煤壁片帮与顶煤冒放性影响分析

针对塔山煤矿大采高综放工作面煤壁片帮防治难题,采用理论分析、数值模拟与现场实测相结合的方法,分析了相同机采高度情况下大采高综放工作面煤壁片帮较大采高综采工作面煤壁片帮剧烈的原因,揭示了综放工作面抑制煤壁片帮与提高顶煤冒放性之间的矛盾,研究了液压支架结构参数对煤壁片帮的影响。研究结果表明:由于受塑性破坏区叠加及顶煤冒落放出的影响,相同机采高度情况下,大采高综放工作面煤壁片帮比大采高综采工作面更加剧烈;合理的液压支架初撑力可在缓解煤壁片帮的同时提高顶煤冒放性;整体顶梁比铰接顶梁更有利于抑制煤壁片帮,同时可以通过适当增大液压支架顶梁长度来缓解煤壁片帮与顶煤冒放性的矛盾;护帮板与伸缩梁分体结构作为大采高综放液压支架一种新的护帮结构形式,比护帮板与伸缩梁连体结构更有利于抑制煤壁片帮。     

复杂条件下大采高综采液压支架选型

以霍州煤电干河煤矿二采区首采工作面复杂煤层地质条件为背景,利用系统分析比较法对支架进行选型。介绍支架选型原则后,通过矿压理论和经验公式对液压支架的主要参数进行理论计算,分析了大采高支架的结构要求。根据计算得出的参数和支架的结构要求,自主研制了大采高综采设备ZY12000/29/65两柱支撑掩护式液压支架,分析了该掩护式大采高液压支架的参数及特点。将研制的液压支架在二采区首采工作面进行了工业性试验。结果表明:该设备运行状态良好,支架工作阻力能够满足工作面地质条件要求,其总体参数、支护性能等各项指标均较为理想,推移及抬底机构、护帮机构等新结构的应用提高了支架的可靠性。     

近浅埋煤层大采高工作面双关键层结构分析

根据实测统计分析,近浅埋煤层大采高工作面支架载荷普遍较大,且随采高增大有增加的趋势,工作面来压存在大小周期,厚度较大的等效直接顶静载是工作面支架的基本载荷。通过物理模拟实验,揭示了大采高工作面直接顶变厚和顶板结构铰接点上移的机理,提出了"等效直接顶"的定义,建立了近浅埋煤层大采高工作面顶板"双关键层"理论。近浅埋煤层大采高工作面顶板主要表现为"双关键层"结构,根据等效直接顶对采空区的充填程度,双关键层顶板结构分为"双砌体梁"和"斜台阶岩梁-砌体梁"两类,常见的是"斜台阶岩梁-砌体梁"双关键层结构。建立了双关键层顶板结构模型,揭示了工作面出现大小周期来压的机理,给出了支架初撑力和工作阻力的计算公式,可为近浅埋煤层大采高工作面顶板控制提供理论依据。     

大采高采场力学模型及支架工作状态研究

以大采高岩层运动及应力分布规律为核心,运用“传递岩梁”理论对大采高综采工作面上覆岩体破断类型及其平衡结构进行分析,研究建立了大采高采场结构力学模型,探讨了大采高采场的覆岩结构及运动规律,详细分析了“给定变形”、“限定变形”两种力学状态下支架工作荷载即缩量确定方法,修正了大采高下直接顶及基本顶概念,确立了支架载荷的计算方法。研究表明：采高增大,直接顶厚度可能大幅度增加,直接顶中出现大跨度悬顶坚硬岩层的几率增大。影响采场矿压显现的“传递岩梁（基本顶）”范围相对减少,对采场矿压有明显影响的岩梁距采场的高度增大。准确地确定悬顶位置、厚度及可能的最大悬跨度是大采高采场顶板控制设计及支架选型计算的关键。     

液压支架护帮机构防片帮效果分析

为了研究液压支架不同护帮机构的防片帮效果,针对液压支架常用的4种护帮机构组合形式分别从机构的工作原理、受力特点等方面进行了详细的分析,并以ZY17000/32/70D大采高液压支架为例求出了各类护帮机构形式的最大承载能力,采用数值模拟的方法分别对4种护帮机构形式的防片帮能力进行了模拟分析。结果显示：护帮机构对超前支承应力的分布规律没有产生影响,但采用伸缩梁和护帮板分体结构可以有效延缓煤壁产生破坏的时间,防片帮效果最好,是大采高液压支架理想的防片帮机构形式。     

基于ARAMIS M/E微震监测的大采高综放顶板活动规律

采用高精度微震监测技术,结合现场支架阻力观测,对大采高综放开采顶板活动规律进行了研究。研究表明：微震事件的频次和能量具有明显的周期性,微震事件在高度上的动态发展规律反映出大采高综放顶板来压存在大小周期现象,且这种现象与工作面宏观观测得到的周期来压具有一致性;根据微震监测和支架阻力观测结果得出大采高综放开采顶板为“悬臂梁-铰接岩梁”结构。     

工作面支护与液压支架技术理论体系

工作面支护是安全高效综采的首要条件,液压支架是综采系统的核心。笔者和其合作团队持续30多年致力于综采工作面支护与液压支架技术理论的研究和实践,建立了综采工作面支护与液压支架技术理论体系框架,提出了液压支架与围岩耦合原理,建立液压支架与围岩耦合模型,分析了液压支架与围岩的强度耦合、刚度耦合和稳定性耦合规律,阐述了液压支架合理工作阻力、临界护帮力和支护系统稳定性控制策略,提出液压支架三维动态优化设计理论和方法,将围岩下沉、断裂等力、力矩以及边界条件的变化通过液压支架骨架模型传递和分解到具体的液压支架结构上,借助三维设计平台动态模拟仿真液压支架与围岩耦合作用的力学特征,优化得出对围岩最优支护效果的液压支架结构参数。提出液压支架系列型谱和工作面支护系统液压支架群组的自组织协同控制方法,将支护系统群组自组织协同控制分解为围岩自适应控制和队列保持推进控制两个控制线程,同步实现群体系统协调控制。建立了工作面支护设备技术标准体系。     

工作面运输平巷超前支护技术优化研究

针对工作面运输平巷受上覆岩层自重应力和工作面采动形成的超前支承压力影响条件下的顶板控制问题,以晋能集团四通煤业205工作面运输平巷超前支护为工程背景,采用数值模拟方法分析了单体液压支柱与迈步式液压支架对工作面运输平巷超前支护效果的影响。通过对两种超前支护方式下工作面运输平巷应力分布规律及位移变化规律的分析,得出单体液压支柱支护时巷道围岩最大变形速率是迈步式液压支架支护时的两倍左右,为回采工作面运输平巷推广使用迈步式液压支架进行超前支护提供了可靠依据。     

复合顶板回采工作面液压支架适应性探讨

我国煤矿顶板大多为软硬不同的岩层复合而成,此类顶板易产生离层破坏,导致冒顶事故。以山西四侯矿复合顶板回采工作面为研究背景,采用理论分析、数值模拟、现场监测等方法研究了工作面液压支架应用技术。对比液压支架应力变化曲线可知,所选用的液压支架ZYG10000/25/52D和ZY10000/25/52D工作面顶板适应性较好,并对工作面支护现状进行评价,以便优化支护方案,同时也为下区段工作面支护方案设计提供理论依据。