充填開采支架尾梁延伸裝置改造及支撐強(qiáng)度理論分析

崔正文

(山西高河能源有限公司,山西 長治 047199)

當(dāng)前國內(nèi)外采用充填法開采金屬礦技術(shù)應(yīng)用較為廣泛,膏體充填開采作為當(dāng)前較為先進(jìn)的開采工藝正在被大力推廣應(yīng)用。高河能源主動(dòng)變革創(chuàng)新,大膽引入百萬噸級(jí)膏體充填開采工藝,積極打造出了一張閃亮的“綠色名片”。綠色充填開采是高河能源深入實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的生動(dòng)實(shí)踐,也是“在轉(zhuǎn)型發(fā)展上率先蹚出一條新路來”的努力探索。高河能源根據(jù)山西省能源革命綜合改革試點(diǎn)部署,持續(xù)用力構(gòu)建清潔低碳用能模式[1],推進(jìn)能源科技創(chuàng)新,擴(kuò)大能源對(duì)外合作,始終堅(jiān)持“安全第一、預(yù)防為主、綜合治理”安全生產(chǎn)方針和“管理、裝備、素質(zhì)、系統(tǒng)”并重,積極推進(jìn)安全集約高效本質(zhì)安全型礦井建設(shè),堅(jiān)持綠色開采、智能開采、低碳循環(huán)發(fā)展。公司膏體充填試驗(yàn)工作面3號(hào)煤層埋深408～438 m,平均420 m,圍巖應(yīng)力相對(duì)不高。煤層傾角較平緩,傾角平均8°.首試充填工作面平均開采厚度6.38 m,采用分層開采,先開采上分層,再開采下分層,分層開采有利于降低地表沉陷帶來的風(fēng)險(xiǎn)。煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖或細(xì)粉砂巖,平均厚度7.5 m;偽頂為泥巖,厚度 1.82～2.13 m.充填時(shí)頂板采取臨時(shí)支護(hù)措施,并控制充填步距,保證膏體充填的質(zhì)量。

目前我礦用矸石、粉煤灰、水泥等材料對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填,工作面采高(3.2±0.1) m,一般按照割煤、隔離、充填、凝固進(jìn)行循環(huán)流程作業(yè),循環(huán)進(jìn)度為2.4 m,可回采煤炭約2 450 t.為積極響應(yīng)集團(tuán)公司算賬文化和“精益化管理、效益化管控”的理念,通過對(duì)充填作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)深入研究。割煤產(chǎn)量是影響人員工效、材料消耗的重要環(huán)節(jié)。割煤后要及時(shí)進(jìn)行拉架作業(yè),采空區(qū)主要依靠充填支架尾梁進(jìn)行支撐,增加割煤刀數(shù)后,尾梁長度不足,無法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行支撐,需對(duì)尾梁進(jìn)行改造,以提高充填工作面的經(jīng)濟(jì)效益。

1 充填支架尾梁延伸裝置設(shè)計(jì)

1.1 尾梁延伸裝置引入工藝流程

充填工作面單次循環(huán)刀數(shù)由目前3刀增加至4刀或5刀后,原尾梁長度不足,無法對(duì)采空區(qū)形成有力支撐,易發(fā)生墜包、漏頂?shù)惹闆r,在對(duì)尾梁結(jié)構(gòu)研究分析的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)的有效支撐,滿足單次循環(huán)產(chǎn)量的提高需要延伸尾梁長度。

公司膏體充填液壓支架型號(hào)為ZC8500/22/40PB,推移油缸行程900 mm,推移(拉架)步距為800 mm.初始引入充填開采支架設(shè)計(jì)尾梁為1.6 m,通過頂板加裝雙層接觸網(wǎng)也只能將充填空間增加到2.4 m,單循環(huán)充填空間受限導(dǎo)致產(chǎn)量受限,嚴(yán)重制約充填開采效率的提升。為此通過井下實(shí)地調(diào)研,在確保充填質(zhì)量的前提下,在充填開采工作面每組支架尾梁后面加裝一種延伸裝置及柔性網(wǎng),進(jìn)一步優(yōu)化充填工藝。該裝置能夠隨著支架前移不斷向前推進(jìn),起到支護(hù)尾梁后頂板煤層的作用,確保對(duì)頂板煤層壓力有足夠支撐力。尾梁后充填空間寬度由原來的2.4 m擴(kuò)大為4 m,使有效支撐空間理論上可以保證5刀煤作業(yè),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單班作業(yè)原煤產(chǎn)量增加[2]。

1.2 尾梁延伸裝置工藝結(jié)構(gòu)

在原有充填開采支護(hù)工藝中,依托現(xiàn)有的充填開采支架設(shè)備及充填柱體,增加該尾梁延伸裝置,一頭與支架尾梁連接牢固,另一頭與尾梁平行搭接在充填柱體頂上。通過伸縮支架尾梁調(diào)節(jié)延伸量。每個(gè)循環(huán)周期支架多向前推進(jìn)0.8 m,也就是采煤機(jī)多采1刀煤。

尾梁延伸裝置主要由尾梁連接塊、延伸體、銷軸組成。尾梁連接塊由多塊鋼板焊接,鋼板中部制作連接孔,通過銷軸與充填支架尾梁進(jìn)行連接,在鋼板端部側(cè)面焊接單耳鉸接孔用于其與延伸體連接。延伸體由兩根3.2 m的12號(hào)工字鋼平行焊接,工字鋼內(nèi)槽由10 mm厚鋼板內(nèi)嵌式封口。在工字鋼梁頭焊接雙耳鉸接孔用于其與尾梁連接塊的連接。

安裝時(shí),將尾梁連接塊與支架尾梁使用銷軸進(jìn)行連接,連接塊緊靠支架尾梁端部,延伸體與尾梁連接塊使用銷軸進(jìn)行鉸接。使用時(shí)通過操作支架尾梁千斤頂實(shí)現(xiàn)對(duì)充填區(qū)頂板的支護(hù)。

2 尾梁延伸裝置承受頂板壓力和移架拉力理論核算

2.1 尾梁延伸裝置受力介紹

尾梁延伸裝置通過固定連接頭與支架尾梁吊裝耳連接,吊裝耳與尾梁的焊縫強(qiáng)度是決定尾梁與延伸裝置可靠連接的主要因素,即尾梁與延伸裝置連接可靠性分析主要是驗(yàn)算焊縫強(qiáng)度[3]。

尾梁和延伸裝置支護(hù)頂板的力主要來源于尾梁千斤頂,當(dāng)尾梁端部受力大時(shí),尾梁千斤頂?shù)陌踩i開啟,尾梁下擺卸去頂板壓力,保護(hù)延伸裝置不受破壞。故焊縫強(qiáng)度驗(yàn)算按尾梁安全閥開啟壓力計(jì)算。

焊縫受到的另一個(gè)力是移架把延伸裝置從膏體內(nèi)拉出承受的拉力。

圖1 尾梁尺寸及受力簡圖(單位:mm)

圖中F1為尾梁千斤頂工作阻力為1 528 kN(缸徑為160 mm,安全閥壓力為38 MPa)。按O點(diǎn)取力矩平衡,計(jì)算F2=290/2 285×1 528=194 kN,頂板巖石容重為26 kN/m3,尾梁裝置受力面積約為1 m2,尾梁端部可支撐的頂板巖層厚度為194/26=7.5 m,約等于直接頂厚度。

尾梁延伸裝置焊縫焊腳尺寸為14 mm,為直角焊縫、周圈焊,焊接抗拉強(qiáng)度為800 MPa.

2.2 尾梁支護(hù)頂板時(shí)焊縫強(qiáng)度計(jì)算

焊縫受到剪切力Q=F2,吊耳中心距焊縫0.065 m.所受的彎矩M為194 kN×0.065 m=12.61 kN·m.

1) 焊縫剪切應(yīng)力[4]:

(1)

式中:K為焊腳尺寸,取14 mm;L為焊縫水平長度(周圈焊),取130 mm;h為焊縫垂直高度,取30 mm.代入式(1)得,剪切應(yīng)力約為62 MPa.

2) 焊縫彎曲應(yīng)力:

(2)

將上述相關(guān)參數(shù)代入式(2)得,焊縫彎曲應(yīng)力為185 MPa.

3) 焊縫綜合應(yīng)力:

(3)

將σ1和τ代入式(3)得綜合應(yīng)力為213 MPa.

2.3 移架時(shí)焊縫強(qiáng)度計(jì)算

焊縫拉應(yīng)力[5]:

(4)

式中:F為拉架力為716 kN,將相關(guān)參數(shù)代入式(4)得拉應(yīng)力為228 MPa.

2.4 理論核算可行性分析

焊縫焊接抗拉強(qiáng)度800 MPa,其屈服強(qiáng)度至少為母材屈服強(qiáng)度(Q460),由上述計(jì)算可知,吊耳彎剪組合條件下焊縫綜合應(yīng)力為213 MPa,移架時(shí)焊縫受到的拉應(yīng)力為228 MPa,可見兩種工況下焊縫受到的應(yīng)力均小于母材屈服強(qiáng)度,在焊縫焊接質(zhì)量可靠的情況下,尾梁延伸裝置能承受頂板壓力和移架拉力[6]。

3 尾梁延伸裝置效益分析

原先膏體充填開采為3天1個(gè)循環(huán),每個(gè)循環(huán)采3刀煤,在工作面使用該支架尾梁延伸裝置后,每個(gè)循環(huán)采煤4刀,能多出1刀煤量,產(chǎn)量可提高34%,材料費(fèi)用能降低34%,工時(shí)利用率顯著提高。

實(shí)施該項(xiàng)目后,在每個(gè)循環(huán)周期采煤機(jī)能多采1刀煤,材料成本由6.41萬元降為4.55萬元,若實(shí)現(xiàn)單次循環(huán)產(chǎn)量由3刀提高至5刀后,充填作業(yè)需要的卷網(wǎng)、隔離布、草氈等材料消耗將會(huì)明顯降低。每個(gè)循環(huán)周期能多產(chǎn)出煤炭815 t,按計(jì)算,2019—2021年,原煤的平均價(jià)格為856元,3天1個(gè)單循環(huán)即可多創(chuàng)造直接煤炭價(jià)值69.7萬元。今后若實(shí)現(xiàn)單循環(huán)提高至5刀煤,3天1個(gè)單循環(huán)可提高煤炭產(chǎn)量1 630 t,創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)139.5萬元。

該創(chuàng)新項(xiàng)目對(duì)采用充填工藝的其他礦井可以提供一個(gè)很好的參考,具備極大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié) 語

在對(duì)尾梁延伸裝置承受的頂板壓力和移架拉力進(jìn)行詳細(xì)理論驗(yàn)證可行性的前提下,結(jié)合井下實(shí)際應(yīng)用情況,證實(shí)該裝置能夠隨著支架前移不斷向前推進(jìn),對(duì)尾梁后頂板煤層壓力有足夠支撐力,目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)每個(gè)循環(huán)周期充填支架多向前推進(jìn)0.8 m,即多采1刀煤,產(chǎn)量提高34%,材料費(fèi)用能降低34%,工時(shí)利用率顯著提高。該裝置的成功應(yīng)用對(duì)其他礦井充填開采工藝提升提供了有益參考。