2018同忻煤矿8101工作面放顶煤液压支架设计

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　　一、煤层地质与工作面概况
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　　同忻煤矿井田3-5#层北一盘区8101工作面是同忻矿首采工作面。直接顶主要为火成岩、炭质岩、高岭质泥岩等；在非火成岩侵入区，直接顶主要为高岭质泥岩、炭质泥岩、泥岩、砂质泥岩等。底板多为砂质、高岭质、碳质泥岩，泥岩及高岭岩，少量粉砂岩、细砂岩，f=4-6。火成岩的普氏硬度为Ⅳ，属于相当硬岩石；炭质泥岩的普氏硬度为Ⅶ-Ⅴ，属于软岩石到中硬岩石。炭质泥岩、高岭质泥岩的单向抗压强度为10.3MPa-34.5MPa，平均21.0MPa；砂岩泥岩的单向抗压强度为31.3MPa-34.4MPa，平均32.5MPa。
　　8101工作面走向长度1684m，可采走向长度1484m，倾向长度200m，工作面采取三巷平行布置，与切眼巷垂直。2101巷为进风、运煤兼作行人巷，净宽5.5m,净高3.6m,支护为锚网与锚索联合支护,两帮均有锚网护帮；5101巷为回风、运料兼作行人巷，净宽5.5m,净高3.95m,局部超过4.0m,支护与2101巷相同；5101工艺巷沿煤层顶板开掘，与5101巷水平错距30m，在5101巷工作面侧，巷宽3.8m,巷高2.6m,支护为锚网与锚索联合支护,两侧有锚网护帮,作为抽排瓦斯之用;切眼巷净宽9.1m,净高3.6m，支护为锚网、锚索、木垛配合单体液压支柱联合支护。
　　二、支架参数的确定
　　（一）支架高度
　　煤层平均厚度为16m，根据放顶煤采放比1：3规定，采高确定在4.0m，因此支架最佳支撑高度范围为2.75-4.2m。
　　（二）支护强度。
　　根据我国放顶煤开采有关支架支护强度的理论计算方法，结合同忻煤矿的煤层赋存条件进行分析计算。
　　1.根据上覆煤岩层的变形、移动规律确定支架工作阻力
　　根据综放工作面矿压观测分析，工作面上覆煤、岩的变形和移动对放顶煤液压支架的作用力如图1所示。
　　(1)支架顶梁上主要承受顶煤和直接顶(包括可及时垮落的部分老顶)的重力F1，由于垮落的顶板矸石有时不能充满采空区，因此，支架顶梁有可能承受老顶的周期性破断给予支架的动载F2。不过因为采空区的矸石垫层较厚，采场上方又是已被压裂松动的顶煤“软垫”，老顶的周期性垮落形成的动载对支架的影响是微弱的，一般动载系数只有1.1-1.5。
　　(2)支架掩护梁上主要承受着松散顶煤和冒落矸石的重力F3和由此产生的矸石水平推力F4。
　　(3)支架的水平推力有前移趋势，故在顶梁上和底座上产生摩擦力F5、和F6用以平衡F4。在确定支架的工作阻力时，可以忽略不计。
　　(4)由于受顶煤排放及顶煤垮落角的影响，支架还承受着顶煤和顶板的侧向椎力，因此，放顶煤支架在采场内受力较为复杂。
　　支架所受垂直压力Pv为：
　　当煤层厚度为M时，取岩石碎胀系数为KP，一般为1.1～1.5，则直接顶的厚度为：
　　式中Pv――支架所受垂直压力，KN；
　　 L――支架控顶距，m；
　　 S――掩护梁与尾梁的水平投影长度，m。
　　 M2――顶煤厚度，m；
　　 B――支架宽度，m
　　支架所受的水平推力PH为：
　　式中 M1――底层采高，m；
　　 ――松散介质测压系数。
　　支架所受合力：
　　由于放顶煤支架受力复杂，F5和F6等力未计入，为确保支架构件的强度和可靠性，实践和研究表明，支架的合理工作阻力应考虑1.5-2.0倍安全系数。
　　取岩石碎胀系数为KP=1.5，M=16m, M2=12m S=1m，B＝1.75m，γ１=14 kN/m3,γ２=25kN/m3, L=5.8m, S=3.0m计算得支架所受垂直压力Pv为：
　　14907kN/架，则支架支护强度为：
　　Ps =Pv/(L×B)=1.46 MPa
　　2.根据采场顶板分类确定支架支护强度
　　参考我国工作面顶板分类标准，同忻煤矿8101工作面顶板为Ⅰ级2类顶板。根据采场围岩分类，Ⅰ级基本顶的额定支护强度下限按下式计算：
　　式中：Ps―额定支护强度下限，KPa；
　　Bc―控顶宽（其值为梁端距加上顶梁长度），5.8m；
　　hm―煤层采高，（16×0.85＝13.6）m；
　　Lp―老顶周期来压步距，14.5m；
　　N―直接顶充填系数。
　　直接顶充填系数N按下式计算
　　式中：hi―为直接顶厚度，8m；
　　hm―为煤层采高，13.6m。
　　＝1132.09 KN/m2≈1.14 MPa
　　综合以上计算结果可知，支架支护强度在1.14-1.46 MPa；支护强度在1.14未考虑支架顶梁后有部分悬顶，支护强度偏小；支护强度在1.46考虑支架顶梁控顶长度和支架顶梁后顶板悬顶部分，支架支护强度比较切合实际，工作面支架的支护强度选择在1.46 MPa。
　　3.支架工作阻力确定
　　按照矿井运输条件选择支架宽度为B=1.75m，按照配套尺寸支架控顶尺寸选择为L=LK+LD=0.5+5.3=5.8m，取支架支护强度Ps＝1.46Mpa。则支架的工作阻力应为：
　　Q阻＝Ps×L×B=1.46×5.8×1.75=14819kKN
　　综合考虑以上各种算法并考虑立柱标准化和泵站压力的因素后，确定的工作阻力为15000KN
　　三、架型及主要技术参数
　　 四、性能与特点
　　1.支架采用顶梁带回转前梁和伸缩梁结构。
　　2.顶梁和掩护梁采用单侧活动侧护板。
　　3.前、后连杆采用双连杆。
　　4.尾梁-插板机构采用小尾梁-插板机构，尾梁-插板运动结构选用V型槽结构。
　　5.支架前、后均配置喷雾降尘系统。