矿用端头破顶装备设计与应用.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：郭杰（1983），男，汉族，陕西神木人，本科学历，工程师，研究方向为采矿工程。-187-矿用端头破顶装备设计与应用 郭 杰 国能亿利能源有限责任公司黄玉川煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 010323 摘要：摘要：针对坚硬顶板回采巷道端头三角区难以垮落问题，研发设计新型矿用端头破顶装备，用来破碎回采巷道两端头坚硬顶板，分散顶板压力，避免回采过程中巷道端头顶板悬顶过长问题，确保回采巷道两端头顶板随采随冒。破顶装备以乳化液泵站为动力源，利用高压乳化液，通过高压胶管和液控元件等控制千斤顶伸缩，实现立柱破顶，该装备在黄玉川煤矿 12407 综采面现场应用，效果显著。关键词：关键词：端头三角区；坚硬顶板；乳化液泵站；立柱破顶 中图分类号：中图分类号：TF748+.06 煤炭仍是我国最主要的能源之一，同时中国也是世界上煤炭出口量大国之一。随着多年煤炭资源的开采，众多难题制约着开采技术的发展，其中坚硬顶板问题无疑是最常见的问题，在我国约 4 成以上的煤层存在坚硬顶板的问题。目前，我国煤炭主要还是以井工开采为主，矿区主要集中陕西、内蒙交界处，该区域煤层埋深相对较浅，顶板较为坚硬，使得在开采的过程中，顶板无法及时垮落，形成大面积的悬顶，而悬顶的存在使得巷道围岩发生不同程度的变形，一旦悬顶过长而导致无法承载上覆岩层重量，而发生垮塌的同时会伴随形成较大且强劲的冲击波，严重威胁生产人员的安全及工作面支架和生产设备，进而造成一定的经济损失。这些问题不仅影响了煤炭的开采效率和安全，也造成了煤炭资源的浪费和环境的破坏。因此，针对坚硬顶板垮落问题的解决是迫切需要的1。针对坚硬顶板难以垮落的问题，国内外众多学者专家对其进行研究，卜庆为等通过搭建力学模型，从能量角度分析得出厚硬顶板破断失稳规律。张麒等通过对现场实测、数值模拟分析提出对李村煤矿厚煤层顶板水力压裂弱化治理措施。周彦杰分析坚硬顶板初采矿压显现规律，提出顶板初采预裂爆破方案，现场应用效果显著2。李鹏从顶板破断引起煤体应力动力系统失稳的角度进行分析，提出巷道顶板深孔爆破卸压，现场应用效果十分的显著。于斌等通过对厚煤层坚硬顶板失稳机理的研究，提出爆破预裂及合理支架选型相结合的顶板失稳控制方法3。杨红运等通过模拟试验等手段对坚硬顶板成巷结构演化及稳定控制进行了深入研究，并对顶板结构演化及稳定性控制进行了详细分析。黄炳香等以控制压裂形态为切入点，研制出井下压裂成套装备，提出定向水力割缝致裂方法4。虽然众多专家学者对坚硬顶板问题进行大量的分析研究，但对于坚硬顶板回采巷道端头三角区悬顶过长难以垮落研究相对较少，本文以黄玉川煤矿为例，对坚硬顶板端头三角区悬顶距离长，顶板难以垮落问题，提出研发一种新型端头破顶装备应用于现场。1 工程概况 神华亿利能源有限责任公司黄玉川煤矿（以下简称“黄玉川煤矿”）为生产矿井，属华北石炭、二叠纪煤田，可采煤层为 4、5、6上、6、9 号共五层煤。煤矿位于准格尔煤田中西部，划隶属于准格尔旗长滩乡和薛家湾镇管辖。煤矿为一多边形，东西长约 8.9km，南北宽约 5.5km，面积约 42.6798km2，生产规模 1300万吨/年。黄玉川煤矿现 2 水平开采，一水平开采 4#煤，水平标高+900m，位于山西组中部，为井田内主要可采煤层，煤层可采性指数 1，煤层变异系数 25.61%。埋藏深度 117.29624.79，平均 240.98m，煤层自然厚度1.608.70m，平均 4.60m，利用厚度 1.605.85m，平均 3.35m，井田内全部可采，4 煤层总体从上看东南向西北逐渐增厚，在煤田中部 HY11 号孔最厚达 5.85m。煤层含夹矸 15 层，一般为 2 层，为对比可靠全区可采的较稳定煤层。与下部 5 号煤层间距 1.1014.70m，平均 6.16m。二水平开采 6上煤，水平标高+825m，位于太原组中部，为井田内主要可采煤层，煤层可采性指数 1，煤层变异系数 23.33%。埋藏深度 171.52699.92，平均311.98m，煤层自然厚度 5.0022.05m，平均 12.67m，中国科技期刊数据库 工业 A-188-利用厚度 2.4520.85m，平均 11.43m，全井田可采。煤层向西、向南有逐渐变厚趋势，厚度变化不大，煤层含夹矸 112 层，一般为 36 层，属对比可靠全区可采的较稳定煤层。与下部 6 号煤层的间距 0.3024.02m，平均 8.40m。12407 综采工作面位于一水平二盘区，该工作面西部为一水平大巷，北部为 4#煤层未开采煤体（12406工作面），东部距井田边界 50m，南部距井田边界 22m。工作面斜长为 296m，走向长度为 3743m，工作面可采面积为1158544m2，煤层厚度 4.05.1m，平均厚度4.3m，容重为 1.45t/m3，设计采高 3.5-3.7m，资源储量为 722万吨，回采率为 93%，可采储量为 671.5 万吨。煤层倾角 03，平均倾角为 2，属于近水平煤层。煤层普氏硬度为 1.31.8，含 2 层夹矸，夹矸硬度为 1.013.56，属中硬煤层，上层夹矸厚度为 0.5m。工作面煤层类型确定为稳定煤层。2 端头破顶装备研发与使用 2.1 端头破顶装备研发 破顶装置主要由底座、立柱、护帮千斤顶（用于调整立柱角度）、移后溜千斤顶及相关连接附件组成。底座起承载立柱作用，将压力产生的压力传递至底板及破顶装置部件。底座既要满足其具有一定的刚度和强度，还要满足其能够适应煤矿巷道底板起伏不平的情况，因此这要底板接触比压相对较小。立柱主要用来破碎顶板，立柱柱头顶部安装有一件经过淬火处理的合金锥形头，较岩石而言具有较高的强度，可以加大对顶板的压力，进而实现增强破顶效果。此立柱为双伸缩立柱，调高范围大。立柱初撑力主要是指立柱大腔泵站作用下的支撑力。立柱初撑力大小，将直接影响破顶装置的破顶性能，合理选择破顶装置的初撑力，对巷道端头顶板及时垮落有重要影响。本装置立柱缸径360mm，设计初撑力 3206KN。立柱的工作阻力指在外载荷作用下，立柱大缸下腔压力，当压力超过立柱安全阀设置安全压力时，立柱安全阀开启，立柱卸载，立柱所承受的能力即立柱工作阻力，立柱的工作阻力 4320KN。护帮千斤顶主要用于调整立柱角度，可以使立柱在一定范围内前后摆动，双作用结构，由缸体、活塞、活塞杆、导向套和密封件等组成。移后溜千斤顶将破顶装置底座与相邻的底座连接到一起，前端通过连接座连接在底座的一侧，后端通过销轴、连接头与破顶装置底座相连，作用带动破顶装置随工作面支架移动，由缸体、活塞、活塞杆、导向套和各种密封件组成。端头破顶装备还有一系列辅助链接附件，用于将底座、立柱、护帮千斤顶、移后溜千斤顶设备链接在一起，例如：压板、链接构件等。2.2 端头破顶装备工作原理及主要技术参数 破顶装置主要针对破碎回采巷道端头顶板，分散顶板压力，避免回采过程中巷道端头顶板悬顶过长问题，确保巷道端头顶板随采随冒，以保证矿井安全生产。以乳化液泵站为动力源，当高压乳化液到达固定在相邻底座上的操纵阀组后，由操纵阀组中独立控制单元阀片来控制，进入高压胶管和各种液控元件，从而实现千斤顶升降，实现立柱的破顶，使护帮千斤顶可以调整立柱的角度，以及拉移破顶装置，使其随工作面向前移动5。2.3 端头破顶装备主要功能与使用条件 破顶装置的液压系统与邻架的液压系统并联到一起，由乳化液泵站提供破顶装置各千斤顶的动力。立柱主要实现对巷道顶板的破碎，护帮千斤顶主要用来控制立柱的倾斜角度，通过护帮千斤顶的动作来，使立柱对巷道端头顶板不同位置进行破碎，拉后溜千斤顶将破顶装置与支架连接到一起，使破顶装置比工作面端头支架滞后一定距离，使破碎位置位于采空区，同时又将破顶装置向前拉靠6。破顶装置主要适应于综采后巷道顶板状态较好，硬度较高，跨落不及时，同时底板平整度较高，底板积水较少的情况，否则需对底板进行修复，使底板尽量保持平整顺直。2.4 现场应用 在 12407 综采工作面回采过程中，12407 胶运顺槽、12407 回风顺槽出现端头三角区难以垮落，悬顶距离过长情况，严重危害矿井安全生产，因此，研发采购了回采巷道端头破顶装置。12407 综采工作面位于一水平二盘区，该工作面西部为一水平大巷,北部为 4#煤层未开采煤体（12406 工作面），东部距井田边界 50m，南部距井田边界 22m。中国科技期刊数据库 工业 A-189-表 1 端头破顶装备主要技术参数 单台破顶装置重量 手动操作/电液控 操作方式 3.3t 立柱千斤顶 1 根立柱 一级缸缸径 360mm 柱径 340mm 二级缸缸径 270mm 柱径 230mm 工作阻力 4320KN（P42.4MPa）初撑力 3206KN（P31.5MPa）护帮千斤顶 1 根 缸径 100mm 活塞杆径 70mm 工作阻力 275kN(P=35MPa)推力/拉力 247/126kN(P=31.5MPa)移后溜千斤顶 1 根 型式 普通双作用 缸径 100mm 杆径 70mm 工作阻力 275kN(P=35MPa)表 2 12407 综采工作面煤层顶底板岩性 煤层顶底板情况 类型 岩石名称 厚度（m）岩性特征 老顶 细粒砂岩 7.29 浅灰色，夹暗灰色，厚层状，细粒结构，成份以石英为主，长石次之，含少量的暗色矿物及云母碎片，泥质填隙物，均匀层理，参差状断口，局部含砾，分选中等，次圆状，裂隙较发育，坚硬。直接顶 砂质泥岩 11.27 灰黑色，暗灰色，薄层状，泥质结构，含少量的不完整的径叶化石，含砂不均，水平层理，平坦状断口，局部见滑面，裂隙不发育，半坚硬。直接底 泥岩 4.50 黑灰色，暗灰色，薄层状，泥质结构，含少量的植物化石碎片，略含炭质，阶梯状断口，局部见平坦状断口，裂隙不发育，半坚硬。老底 砂质泥岩 8.09 深灰色。以泥质物为主，次为长石、石英，层面上可见云母碎片，水平层理，平坦断口，无裂隙，泥质胶结，半坚硬，局部含植物化石碎片。图 1 端头破顶装备现场应用示意图 工作面倾斜长为 296m，走向长度为 3743m，工作面可采面积为 1158544m2，煤层厚度 4.05.1m,平均厚度 4.3m，容重为 1.45t/m3，设计采高 3.7-4.1m，回采过程中，根据地勘资料及现场探煤情况，将采高调整为 3.5-3.7m。12407 综采工作面煤层顶底板岩性，见表 2。基于上述 12407 综采工作面工程地质条件和回采过程现场情况，将设备投入 12407 综采工作面回采顺槽使用，对比未使用端头破顶装备和使用端头破顶装备二者顶板垮落。对比发现，端头破顶装备在一定程度上能够有效破碎工作面端头上覆坚硬顶板，减少回采顺槽端头三中国科技期刊数据库 工业 A 角区悬顶长度，一定程度上解决黄玉川煤矿 12407 综采工作面端头三角区悬顶过长问题，避免工作面顶板压力过大对端头支架的影响。3 结论 矿用端头破顶装备设计与应用在一定程度上能够有效破碎工作面端头上覆坚硬顶板，减少回采顺槽端头三角区悬顶长度，解决在综采工作面端头巷道顶板跨落不及时，造成悬顶过长，对工作面设备的使用和维护的风险问题，及由于坚硬顶板而造成的悬顶距离过长，导致周期性来压剧烈，对生产工作人员安全生产造成的影响，避免工作面顶板压力过大对端头支架的影响，以保证井下安全生产7。参考文献 1邵国荣.“低碳”背景下绿色采煤技术研究J.能源与节能,2023,212(5):150-152.2肖微.2022 年我国煤炭市场分析及 2023 年展望J.冶金管理,2023,462(4):41-44.32022 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