旺格维利采煤法行走支架工作阻力的计算分析

摘要:分析了旺格维利来嫌法顶板胃落特征与压力显现规律,指出行走支架以支护直接顶岩层为主,墓本顶断裂形成的附加载待对支架影响不大.用辅助面职理论确定了行走支架的支护面积,导出了工作阻力的计葬会式,并分析了影响行走支架工作限力的主要因素.
关抢词:旺格雄利采煤法;行走支架;工作胆力;珠柱

旺格维利采煤法是一种利用连续采煤机进行短壁开采的先进采煤方法,与传统的房柱式采煤法相比.
具有适应性强,产量大,采出率高,掘进率低,安全性好,工作面作业环境得到很大改善等特点,因而在
澳大利亚煤矿得到广泛的应用.神东煤炭公司在澳大利亚旺格维利采煤法的基础上,进行了改进和完善.
形成了具有自己特点的掘采同步的旺格维利采煤法.2001〕年年初首先在大海则煤矿应用,到目前为止已
取得良好的技术经济效益,尤其是大柳塔煤矿采用连续采煤机与行走支架配合使用的旺格维利采煤法,
2000年8月份创造了月产11.4万t的短壁开采世界纪录,标志着我国短壁开采技术达到国际领先水平,
行走支架是一种新型支护设备,与连续采煤机配合使用,适用于旺格维利采煤法,具有保障工作面设备和
人员安全的特点.行走支架作为一种新型支护方式,其合理工作阻力的确定,关系到工作面的安全生产卜
为了保证行走支架的正常使用,支架设计合理,本文对行走支架工作阻力进行了计算分析,以供行走支架
选型和设计时参考.
1掘采同步的旺格维利采煤法
掘采同步的旺格维利采煤法是一种利用一套连续采煤机组配2-3台行走支架进行边掘边回收煤柱的
一种短壁采煤法
1.1巷道布I
旺格维利工作面采用3条巷道配煤房的巷道布置
方式,如图1所示卜3条巷道及煤房采用矩形断面,
巷道宽度5.0一6.0 m,沿煤层顶,底板掘进,巷道
及煤房支护方式为树脂锚杆支护,锚杆为016 mmx
1 600 mm普通圆钢锚杆,锚杆间排距为(1.0-
1. 2) mx (0.8一1.2) m.当顶板条件不好时,可
采用加密锚杆或增加钢筋梁等措施
在掘进巷道的同时,边准备右侧煤房,形成回采
空间后立即进行回采,当巷道掘进到位,右典煤柱回
采完毕,开始准备左典煤房.这样就形成右冀煤体前
进式回采,左翼煤体后退式回采的格局.工作面走向
长度根据地质条件而定,一般左,右拜工作面长度各
图1旺格维利工作面巷道布f
Fig. 1 Layout of Wmgawilli entry
增刊李志强:旺格维利采煤法行走支架工作阻力的计算分析
为100--120 m,巷道煤柱中对中20 m.
1.2煤柱回收工艺及顶板管理
煤柱回收采用双冀斜切进刀方式,左右交替进刀.
进刀角度45.或300,连续采煤机每进一刀,行走支架及
时前移,两冀回收的煤柱宽度为6.9 m.煤柱回收工艺
如图2所示.煤柱回收区采用2台行走支架支护顶板,
交替移架,支架距离煤壁不大于0.5 m,最大限度地缩
小空顶面积煤柱回收后的采空区采用全部垮落法处理Fig.2
顶板.为了避免煤柱回收期间顶板大面积垮落,对回采工作面的影响,
图2煤柱回收工艺
Method of pillar extraction
间隔一定距离留一隔离煤柱
2旺格维利工作面顶板垮落特征与压力显现规律
由于旺格维利工作面长度为100--120 m,采出率较高,当连续采煤机回收煤柱后,顶板岩层达到极
限垮落步距时,顶板岩层就要垮落形成采场来压一般情况下,
随着行走支架的前移,直接顶岩层及时冒落,老顶岩层达到其
断裂跨度时也会垮落.我们曾对连续采煤机条带式采煤工作面
进行了矿压观测,观测表明,开采过程中仍会出现采场初次来
压与周期来压现象,来压时煤柱有屈服现象,但仍有一定支撑
能力,采场压力主要由煤壁和煤柱来承担,采场周期来压顶板
破断迹线如图3所示,煤体内的支承压力分布如图4所示.澳
大利亚的旺格维利工作面采场压力显现也有同样的规律,如图
5所示.旺格维利采煤法的实质是保持采煤工作面处于采空区
顶板垮落主压力拱的免压圈内.
图3顶板周期来压破断迹线
Fig. 3 Break line of roof periodic weighting
集中压力带
主压力拱
_一一y'........ I-心,沪尹尸一
图4煤体内支承压力分布
Fig.4 Distribution of abutment
图5旺格维利工作面采场最大压力与压力拱的关系
Fig. 5 wmgawilh relative of maxirman
pressured within coal pillar pressure with pressure arch
采场顶板来压时,行走支架位于两翼回收煤柱的三角区,顶板压力主要由煤柱来承担,对行走支架的
冲击载荷不像长壁工作面液压支架那样大,动载系数小于长壁开采时的动载系数因此,行走支架以支护
直接顶岩层为主,老顶岩层断裂后形成的附加载荷对支架影响不大.
3直接顶.落离度的确定
假设直接顶岩层为不可压缩而又不能自身取得平衡的岩体,因此,行走支架应承受其全部重t.直接
顶的冒落高度以直接顶冒落后是否充填满采空区为准,即
艺h十H=KO名h,
则
习,=H/(K.一1), (1)
式中,艺h为直接顶冒落高度,m; H为采高,m; K.为直接顶碎胀系数,一般Kp=1.3一1.5.
雄炭学报2001年第26卷
因此,习*=(2.0一3.3)H,也就是该直接顶的载荷可以取相当于采高的((2.0一3.3)倍岩柱的重
量来估算.
4行走支架支护面积的确定
按照辅助面积理论可以确定行走支架支护的面积,即煤柱和行走支架各支撑一半的空顶宽度,如图6
所示. 每1台行走支架支护的面积为
.1,.,.,n.,l,.B
乙=万lven十哪.一Dsin住)ISL十只一
'一尸,石咤刀5a
一粤(w.-
石r
Bsin a)Ztan a,(2)
式中,Wo为煤房宽度,m; Wp为切割煤柱宽度,m; B为滚
筒宽度,m; L为支架顶梁长度,m; a为连续采煤机进刀角
度,(.)
5行走支架工作阻力的计算分析
5.1行走支架工作阻力的计算
行走支架承担的直接顶载荷为
N=S名*,,(3)
式中,Y为直接顶平均容重,一般取Y=23-25 kNlm3.
对于老顶的载荷,常以测定的动载系数,来估算.由于
旺格维利工作面行走支架处于采场主压力拱免压圈内,所以动
W,!W,}W,
图6行走支架的支护面积
F映.6 MRS soFpart area
载系数I小于同类条件下长壁工作面动载系数,.则行走支架工作阻力为
P=脚,(4)
式中,,为动载系数,对采场来压不明显的I类顶板,n=1.05;对采场来压明显的II类顶板,,=1.05
一1.15;对采场来压强烈的m类顶板,p=1.15一1.30.
将式(1)一(3)代人式(4)得
P一,〔告(,+W,一Bsin a) (L十乏B2oos as)一音',一Bsin a)Ztan 〕衬玩,,',,
式中,P为行走支架的工作阻力,kN.
5.2影响行走支架工作租力的主要因索分析
由式(5)可知,行走支架工作阻力与H, Wo, WP, L,.等因素有关
(1)采高在其它条件不变的情况下,行走
6刁抢'
乙此,叔翻吧H
支架工作阻力随着采高的增大按线性规律增加,
如图7所示.采高从1.5 m增大到4.0 m时,工
作阻力增加4 155 kN,采高每增大1m,工作阻力
增加1 662 kN,说明采高对行走支架工作阻力影
响较大. (2)巷道宽度从图8可知,随着巷道宽度
的增加,行走支架工作阻力不断增大,但其增加
梯度不大,巷道宽度对工作阻力的影响较小巷
道宽度从4.5 m增加到6.5 m时,工作阻力增加
1 012 kN,巷道宽度每增大0.5 m,工作阻力增加
253 kN.说明巷道宽度对行走支架工作阻力影响不大,
采高才加
图7工作阻力与采高的关系曲线
Fig.7 Variation of warning ra istetuz with mining he匆ht
w=5.0 m;W.',乃m: L=3.8 m; a=A5'; B=3.3 m;
瓜=1.5; r=25 kNrm3; 1=1.1
增刊李志强:旺格维利采煤法行走支架工作阻力的计算分析
(3)煤柱宽度煤柱宽度对行走支架工作阻力的影响如图9所示.从图9可以看出,当煤往宽度从
6.0 m到8.0 m时,工作阻力增长较快;当煤柱宽度超过8.0 m后,随着煤柱宽度的增加,工作阻力增加
不大.
之荟,只盛攀日
门广'J卜j
,自',只叹半州
Fig. 8
4.5 5.0 5.5 6.0 6.5
巷沮宽度爪'
198巷道宽度与工作阻力的关系曲线
Variation of work吨resistance with entry width
H=3.0 m; W,=9.0 m; L=3.8 m; a=45'; B=3.3 m;
Ko=1.5; Y=25kN/m3; g=1.1
煤往宽度八们
图9煤柱宽度与工作阻力的关系曲线
Fig.9 Variation of working resistance with pillar width
H=3.0.; Wo=5.0 m; L=3.8 m; a=45'; B=3.3 m;
Ko=1.5; Y=25kN/m3; p=1.1
(4) 1A梁长度顶梁长度对行走支架工作阻力的影响呈线性关系,如图10所示从图中可知,当顶
梁长度从3.5 m增大到4.5 m时,工作阻力增加962 kN顶梁长度每增长0.2 m,工作阻力增加193 kN.
(5)进刀角度连续采煤初冻斗切进刀角度对行走支架工作阻力有影响,如图11所示.进刀角度越大,
顶板空顶面积越大.行走支架工作阻力越大一般情况下,连续采煤机进刀角度为450.
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乙2,只国七日
顶梁长度丫m
图10顶梁长度与工作阻力的关系曲线
吮.10 Variation of working resstanoe
with MRS roof canopy length
F讼
月二
3'一一一一一亩一一一一一45一一
进刀角度/(,)
图11进刀角度与工作阻力的关系曲线
.11 Variatim of working resistance with muting angle
3.0..
H=3.0 m;叽=5.0 m;气=9.0m; a=45'; B二3.3 m;
Ko=1.5; Y=25 kN/m3; 9=1.1
从以上分析可知,采高对行走支架工作阻力影响最大.
为5.0 m,工作阻力应在4 500--6 500 kN之间
Wa=5.0 m;叭二,.0.; L=3.8 m; B=3.3.;
Ko=1.5; Y=25 kN/ms; 1=1.1
多教情况下,采高为2.5一3.5 m,巷道宽度
6计算实例
某矿旺格维利工作面,采用LN一800型连续采煤机掘巷和回采煤柱,B=3.3 m, H=2.1 m, Wo=
5.0m, WP=9.0 m;连续采煤机斜切进刀角度45',直接顶较破碎,为复合顶板,砂质泥岩,岩石碎胀
系数Kp=1.5,平均容重y=25 kN/m3,老顶来压强烈9=1.2,设计顶梁长度L=3.8 m,则所需行走支
架的工作阻力P=3 807 kN,因此行走支架合理工作阻力确定为4 000 kN.
7结论
(1)行走支架是一种新型高效支护设备,可以保障工作面设备与人员安全,与连续采煤机配套使用,
能够实现工作面的高产高效,
(2)旺格维利采煤法采场压力显现特征是:工作面开采过程中仍会出现采场初次来压与周期来压现
象,采场压力主要由煤壁和煤柱承担,行走支架以支护直接顶岩层为主,老顶断裂形成的附加载荷对支架
影响不大