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1、充填開采液壓支架設計研究,主講人：畢錦明,目 錄,一、充填開采的意義,好的方面 1、實現(xiàn)綠色開采 1）防止地面塌陷 2）減少矸石及粉煤灰的污染。 河北省矸石山58座，占地8100畝，煤礦矸石堆積量達1.22億噸。 3）保持地下水體,地面塌陷,一、充填開采的意義,好的方面 2、解決”三下”采煤的有效途徑 3、延長礦井的服務年限 4、提高開采的安全性能 1）防止?jié)L動地壓 2）降低頂板壓力 充填開采的意義重大，可實現(xiàn)綠色開采，可增加開采的安全性能，可擴展開采儲量。,充填采煤控制頂板,一、充填開采的意義,負面影響： 1、系統(tǒng)增加，工藝復雜 充填物的生成， 充填物的運輸， 充填物的充填，

2、 采煤與充填工藝協(xié)調(diào) 2、生產(chǎn)效率低 由于充填月產(chǎn)量一般在3 萬噸左右，多的月產(chǎn)5萬噸左右。 3、生產(chǎn)成本增加 一般生產(chǎn)成本要增加100元/噸以上。 4、對煤層賦存及開采條件有要求 不是什么情況都可以實施充填的。,固體充填系統(tǒng),二、充填開采的發(fā)展,國外,二、充填開采的發(fā)展,國內(nèi)：,90年代中國的金川公司、武山銅礦進行了膏體充填試驗。 近些年，煤礦充填在我們國家發(fā)展比較迅速，河南、河北、山西、山東和東北地區(qū)都進行了充填開采，而且形式多樣。 以冀中能源集團公司為例： 股份公司邢臺礦矸石充填和邢東礦高水充填； 邯鄲礦業(yè)集團陶一礦高水充填； 峰峰集團小屯礦的膏體充填；,三、充填開采的分類,1、作業(yè)形式

3、分 1）巷道充填 2004年，冀中能源股份公司邢東礦實現(xiàn)了矸石巷道充填。 設備：矸石運輸設備，拋矸機。如下圖：,三、充填開采的分類,2）工作面充填 現(xiàn)在煤礦工作面陸續(xù)開始使用，都取得了不同的效果。,三、充填開采的分類,2、以充填介質(zhì)分 物料（固體）充填 充填材料：煤矸石或固體廢料，或加粉煤灰、黃土等材料 優(yōu)缺點： 一次性投資大。 原材料便宜。 生產(chǎn)效率高，一般月產(chǎn)46萬噸； 解決矸石及粉煤灰等廢物的利用。,三、充填開采的分類,2、以充填介質(zhì)分 膏體充填 充填材料：煤矸石、河沙、工業(yè)爐渣、水泥、粉煤灰、減水劑組成，形成膠結充填體 優(yōu)缺點： 充填體強度高，地表沉陷的控制效果好。 初次一次性投資大；

4、 充填成本相對較高； 生產(chǎn)效率低；月產(chǎn)23萬噸 解決矸石及粉煤灰等廢物利用。,三、充填開采的分類,2、以充填介質(zhì)分 高水充填（超高水） 充填材料：中國礦業(yè)大學研制的ZKD型高水速凝充填材料 優(yōu)缺點： 初次一次性投資少。 充填材料需購買。高水材料供應易受影響、性能不穩(wěn)定、價格高、充填成本高； 需要凝固時間，生產(chǎn)效率低；月產(chǎn)35萬噸 不能解決矸石及粉煤灰等廢物的利用。,,三、充填開采的分類,三種方式比較： 共同點： 充填介質(zhì)都能實現(xiàn)機械化運輸，為充填開采實現(xiàn)綜合化開采創(chuàng)造了條件。 不同點： 充填介質(zhì)不同，采取的充填工藝不同，充填支架不同，充填產(chǎn)量不同，充填效果不同，充填成本也不同。 充填效果：膏體

5、、高水密實程度好，物料充填密實性差； 充填效益：物料充填經(jīng)濟性好，膏體、高水充填成本高； 充填效率：物料充填產(chǎn)量高，開采和充填能夠同步進行，膏體和高水充填產(chǎn)量相對低,四、充填開采必須解決的三個問題,1、地面塌陷在一定范圍內(nèi)，對地面建筑物不構成破壞 做到這一點是比較難的，因為影響因素比較多，如煤的埋深、采高、地質(zhì)構造、充填密實性等等，有些影響因素我們還沒有從理論上給出解釋，都在實踐中。特別是在充填開采剛剛起步的情況下，短期內(nèi)是不能從理論上給予很好的解釋。雖然很難，但必須做到，否則充填開采就是不成功。,影響因素：,四、充填開采必須解決的三個問題,2、必須有一定的產(chǎn)量 對于煤炭生產(chǎn)企業(yè)來講，沒有產(chǎn)

6、量就沒有生命力，就失去了意義。 3、控制成本 充填開采增加的成本，應在利潤范圍內(nèi)，否則，充填也就失去了價值。,五、充填開采裝備,充填開采裝備 輸送裝備 液壓支架,輸送裝備 泵站、攪拌池、管路（高水、超高水） 輸送配給站、防砸緩沖裝置、皮帶機、轉(zhuǎn)載機（物料充填）,五、充填開采裝備,液壓支架： 要解決充填開采中的三個問題，降低成本，提高生產(chǎn)效率，提高充填質(zhì)量，就必須實現(xiàn)綜合機械化充填開采，在綜合機械化充填開采中，充填支架是關鍵設備。,1、充填支架應具備的功能 1）支護頂板，維護安全作業(yè)空間； 2）推移工作面輸送機和采煤機； 3）充填介質(zhì)在工作面的輸送； 4） 向采空區(qū)充填介質(zhì)； 5） 保護充填介

7、質(zhì)不流失； 6） 對充填物料進行密實性處理,五、充填開采裝備,2、充填支架的設計原則 液壓支架的性能和可靠性是決定充填開采成功與否的關鍵因素之一。因此，充填支架的設計原則為： 1） 支護強度與工作面礦壓相適應； 2） 支架結構與煤層賦存條件相適應； 3） 支護斷面與通風要求相適應； 4） 推移連接裝置與采煤機、刮板輸送機相匹配； 5） 后部支護與充填相適應。,五、充填開采裝備,1） 物料充填支架的結構型式 物料充填支架分為3部分， 前部：滿足正常的三機配套開采條件。 中部：人員操作和行走空間，前部的開采和后部的充填操作都在這里進 行，要求空間寬敞、便于操作、視野開闊。 后部：滿足采空區(qū)的充填

8、要求，支架后部要提供充填物料運輸機、夯實機 構等設備正常工作時需要的空間。后部不僅起到支護頂板的作用，還要滿 足充填的要求，一臺支架同時實現(xiàn)開采、后部支護及充填功能也正是充填 支架設計研究的重點和難點。,3、四柱物料充填液壓支架 物料充填支架根據(jù)煤礦生產(chǎn)單位的具體地質(zhì)條件進行支架設計，重點對支架后部尾梁（或后頂梁）的支護機構及其強度、充填結構、夯實機構及物料運輸系統(tǒng)等結構進行設計,五、充填開采裝備,2）主要的結構特點如下：,五、充填開采裝備,五、充填開采裝備,3）支架的架型確定及支護強度計算, 支架高度的確定。 根據(jù)開采高度確定 支架型式的確定 可選擇兩柱掩護式或四柱支撐掩護式支架等支架型式

9、。 選用四柱支撐掩護式支架較多，采用四連桿機構主要是增加支架的穩(wěn)定性。, 支護強度的確定 按液壓支架額定工作阻力確定的回歸公式 液壓支架必需的支護強度下限為：q =72.3M+4.5L +78.9L 10.24N62.1 式中：M采高；L 基本周期來壓步距；L 控頂寬度；N直接頂厚度與采高的比值 支架額定工作阻力：Q =q L B K 式中: B 液壓支架中心距；L 支架頂梁長度；K 支架支撐效率，0.850.95； a支架頂梁前端至煤壁的平均距離； L =a+L m；,五、充填開采裝備, 另外一種按支護強度估算公式得出： 液壓支架支護強度：q =KM10 式中： K頂板巖

10、石厚度；M采高；頂板巖石密度，2.5t/m； 支架載荷：R=q F10 kN 式中： q 支架支護強度；F支架的支護面積，。 F=（L +a）（B+K）=（L +a）B ， 式中：L 支架頂梁長度， m； a梁端距， m； B頂梁寬度， m； K相鄰頂梁間的間隙，m； B 支架中心距， m； 支架額定工作阻力：Q =R/ 式中，為支架的支撐效率，取0.9,五、充填開采裝備, 在不小于類似地質(zhì)條件的支護強度基礎上的選用原則，確定工作阻力。 根據(jù)以上兩種計算方法分析比較及經(jīng)驗，最終確定支架的額定工作阻力。 可以根據(jù)礦井使用過的支護設備的支護強度或者近似地質(zhì)條件的礦井選用支護設

11、備情況，,五、充填開采裝備,4）支架的架型改進 充填支架經(jīng)過幾次的改進，逐漸完善。 第一代充填液壓支架,ZZC4800/16/32型四柱支撐掩護式充填支架,五、充填開采裝備,第二代充填液壓支架 增加了工作阻力 后部尾梁增加了后立柱支撐,,ZZC5600/16/32型四柱支撐掩護式充填支架,五、充填開采裝備,第三代充填液壓支架 采用了前、后頂梁連接形式 前、后頂梁與上連桿為同一銷軸連接 夯實機構采用了上部千斤頂支撐方式 另外經(jīng)過了上、下雙搗實機構和兩級搗實機構的嘗試，不成功。,,ZZC6700/16/32型四柱支撐掩護式充填支架（雙搗實結構）,五、充填開采裝備,ZZC6700/16/32型四柱支

12、撐掩護式充填支架,六、工程實踐與應用效果,冀中能源股份公司邢臺礦進行了物料充填的實踐，下面以此為例進行介紹。 考慮首采充填工作面地質(zhì)、地壓等方面的因素，圍巖運動規(guī)律不清楚，經(jīng)多次調(diào)研，類比邢臺礦原有支架結構原理及參數(shù)、支護強度計算等分析工作，最終確定采用ZZC4800/16/32型四柱支撐掩護式支架，采用四連桿機構，其結構原理如下圖所示。,六、工程實踐與應用效果,1、支架結構簡單介紹： 根據(jù)圖知，主要由頂梁、立柱、底座、尾梁、充填物料輸送機、夯實機構組成。 以前、后立柱為界，前部擔負與采煤機和刮板輸送機正常的配套開采任務； 中部為操作空間和人行通道； 后部擔負充填物料的運輸，充填及夯實工作；

13、充填物料輸送機溜槽由四條圓環(huán)鏈懸掛在尾梁下面，可沿尾梁前后移動，溜槽中板 上開有卸料孔，由液壓千斤頂開啟或關閉，夯實機構交接在底座上，由調(diào)節(jié)千斤頂調(diào)節(jié)夯實機構的上下高度，可使充填料在支架后部接頂，與頂板不留空隙。,六、工程實踐與應用效果,2、物料輸送機介紹。 1）充填物料通過運輸機的卸料孔落下，卸料孔的大小根據(jù)充填料塌落角、充填高度、運輸量確定或調(diào)節(jié)。 2）充填物料輸送機上刮板的作用是推移充填物料，下刮板的作用是推平由卸料孔落下到采空區(qū)底板的充填料。 3）充填物料輸送機通過柔性的懸吊圓環(huán)鏈實現(xiàn)方向可調(diào)節(jié)式懸掛。 4）充填物料輸送機可隨移架前移，也可自行前、后移動，能實現(xiàn)彎曲運輸，移架不影響輸送

14、充填料。 5） 充填物料輸送機是在充填支架尾梁的掩護下進行工作的，可保證充填設備安全，同時設備維修時可以采用前移支架達到維修空間時進行，充填過程中無需人員進入充填區(qū)。,,充填物料刮板輸送機,六、工程實踐與應用效果,3、充填夯實機構介紹 物料充填支架的夯實機構擔負著將采空區(qū)充滿和夯實的工作，是有別于膏體或液體充填支架的重要部分。,,,1）功能 充填支架夯實機構在物料充填入采空區(qū)后，對物料進行夯實，使充填物料在推壓、接頂?shù)幕A上達到一定的致密度，使其具有一定的抗壓能力，能夠承受頂板下沉的壓力，控制頂板下沉量，防止頂板下沉斷裂，從而將地面建筑物的破壞程度控制到要求的范圍內(nèi)。,六、工程實踐與應用效果,

15、2）結構組成 夯實機構由夯實梁、夯實框架、兩個夯實千斤頂、調(diào)高千斤頂組成。 夯實框架與液壓支架底座鉸接，夯實框架中間用槽鋼連接，形成一整體； 夯實千斤頂伸出端連接夯實梁，夯實梁板面與缸體垂直，千斤頂下端與固定在夯實 框架箱體的底部； 夯實框架下面有與液壓支架底座相連的調(diào)高千斤頂，負責夯實框架及夯實千斤頂?shù)?高度調(diào)節(jié)。 以上部件連接，形成一個整體的夯實機構，協(xié)調(diào)動作將充填物料填滿并夯實。,充填夯實機構圖,搗實機構安裝示意圖,六、工程實踐與應用效果,3）結構發(fā)展 一級、二級夯實結構形式,兩級夯實結構示意圖,六、工程實踐與應用效果,單、雙搗實機構,六、工程實踐與應用效果,連接方式（千斤頂上部和下部兩

16、種連接形式）,夯實機構下部支撐連接方式示意圖,夯實機構上部支撐連接方式示意圖,六、工程實踐與應用效果,優(yōu)點： 改善夯實機構的作業(yè)空間，充填體可以順利地下落到夯實機構下部空間； 作用力效果變得更好。夯實機構進行了優(yōu)化設計，夯實功能增強，另外 其本身可以實現(xiàn)部分壓實功能； 減少千斤頂及液壓系統(tǒng)與矸石的接觸，改善了環(huán)境增加了液壓系統(tǒng)的使 用壽命，減少了充填料壓擠千斤頂和管路接頭的可能，減少維修量，而 且維護簡單。,六、工程實踐與應用效果,4、物料輸送系統(tǒng) 三部分組成：投料系統(tǒng)，皮帶機輸送系統(tǒng)，轉(zhuǎn)載系統(tǒng)。 1）投料系統(tǒng)設計； 垂直投料井輸送。投料落差在350m左右，對投料井的孔徑、料倉、防沖擊及料管的

17、 耐磨性等方面進行優(yōu)化設計，設計合理的矸石與粉煤灰投料系統(tǒng)，并基于投料 沖擊分析，研發(fā)投料系統(tǒng)關鍵設備，確保投料系統(tǒng)的可靠性。 根據(jù)試驗確定的矸石與粉煤灰混合比，設計了合理的投料系統(tǒng)，研發(fā)具有自主 知識產(chǎn)權的滿倉報警系統(tǒng)、堵倉清理系統(tǒng)、緩沖系統(tǒng)等投料系統(tǒng)關鍵設備。,投料系統(tǒng)工藝流程,六、工程實踐與應用效果,2)皮帶機輸送系統(tǒng)選型 DSP1010/650型膠帶輸送機 3)自移式轉(zhuǎn)載設備選型 將輸送機上的矸石通過其運輸?shù)降鯍燧斔蜋C的機尾上。,自移式轉(zhuǎn)載機,六、工程實踐與應用效果,5、充填過程介紹 充填順序由下而上，當下面一個卸料孔落料到一定高度后，即關閉卸料 孔，再開啟上一個卸料孔，隨之啟動夯實機

18、構對已落下的充填料進行夯實。 如此反復幾個循環(huán)，直至采空區(qū)充滿壓實。 調(diào)節(jié)千斤頂用于調(diào)節(jié)夯實機構的高度，可使充填料在支架后部接頂，從而 實現(xiàn)完全充填。 綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)、充填系統(tǒng)融為一體，回采、充填同時進行。 充填材料經(jīng)上巷輸送機運至工作面端頭，再由充填物料輸送機運至采空區(qū) 進行充填。,六、工程實踐與應用效果,6、 工作面主要配套設備 采煤機 MG300/700-WD 刮板輸送機 SGZ764/400 充填支架： ZC4800/16/32 物料輸送刮板機 SGB630/150 （特制） 物料輸送皮帶機 DSP1010/650（改造）,六、工程實踐與應用效果,7、充填效果 1

19、）產(chǎn)量 7606充填開采試驗工作面于2008年9月18日正式投產(chǎn)，截止工作面開采完 ，共可置換煤炭10.81萬噸，處理矸石7.25萬噸，處理粉煤灰2.18萬噸。 2）效果 礦用鐵路沿線最大下沉值為16mm，基本上還沒有影響到地表的建筑和設施。 3）經(jīng)濟效益 直接效益：7606充填開采工作面開采完畢后，共可置換煤炭10.81萬噸， 處理矸石7.25萬噸，處理粉煤灰2.18萬噸。 效益：邢臺礦每年可回收煤炭資源約36萬t，處理井上矸石約21.7萬t，處 理粉煤灰6.5萬t； 解放邢臺礦建下壓煤資源2000萬噸； 延長礦井服務年限10年；,六、工程實踐與應用效果,4）社會效益,解放“三下”

20、壓煤，提高礦井資源采出率，大大增加礦井服務年限； 解決矸石與粉煤灰的地面排放造成了環(huán)境的污染與破壞的問題； 解決我國“三下”壓煤問題提供了一條新的技術途徑。 09年獲得煤炭工業(yè)協(xié)會科技進步一等獎 實用新型專利1項,七、分體式高水液壓支架,分體式高水充填支架結構介紹,1）形式。 現(xiàn)有兩種形式， 整體式高水充填支架，與膏體充填支架結構類似，生產(chǎn)效率低。 分體式超高水充填支架，提高了生產(chǎn)效率。 下面以冀中股份公司邢東礦為例重點介紹分體式高水充填支架。 2）分體式高水充填支架的設計原則 高水充填支架必須滿足以下性能要求： 前部滿足正常的綜合機械化開采； 后部實現(xiàn)采空區(qū)高水充填的要求； 能夠?qū)崿F(xiàn)充填和采

21、煤同時作業(yè)從而提高產(chǎn)量，實現(xiàn)高水充填高產(chǎn)高效。 實現(xiàn)采煤與充填的分離。前、后支架的分體式結構型式能夠?qū)崿F(xiàn)支架走三個步距進行一次充填或者采煤與充填同時進行作業(yè)的可能，提高效率。,七、分體式高水液壓支架,3）分體式高水充填支架的結構特點 前、后支架實現(xiàn)前部實現(xiàn)開采、后部支護及充填功能并能協(xié)調(diào)動作，這也 是分體式充填支架設計研究的重點和難點。主要有以下結構特點。 充填前部支架實現(xiàn)正常開采； 充填后部支架支護頂板進行高水充填； 前支架頂梁后部和后支架頂梁前部設計伸縮梁； 前、后支架推移千斤頂需要協(xié)調(diào)移動。,七、分體式高水液壓支架,4）支架架型的確定 支架高度 最高采高5米 支架支護強度 0.

22、7MPa左右 支架型式的確定 前部支撐掩護式，考慮連桿機構及視線問題采用了后部一根立柱支撐結構形式。后部支架為掩護式支架 后支架擋板的設計 后支架擋板是充填支架設計的關鍵，它的作用是直接為后部高水充填提供有效的空間。擋板結構采用了整體帶伸縮梁結構形式，擋板底部與底座連接，有千斤頂調(diào)節(jié)擋板前后角度，可前后移動10左右。伸縮梁的伸縮可實現(xiàn)擋板與后支架頂梁的接頂，保證后部形成密閉的充填空間，另外伸縮梁結構可實現(xiàn)與支架高度變化相適應。擋板后部增設了行人裝置，便于工人進行充填等操作。,七、分體式高水液壓支架,5）主要技術參數(shù)（邢東礦支架為例） 型號 ZC12400/30/ 50(前后置兩架

23、一組) 工作阻力 12400kN（P=38MPa） 高度 30005000mm 寬度 14301600mm 初撐力 10286kN 中心距 1500mm 支護強度 0.71MPa 底板比壓 1.95MPa,七、分體式高水液壓支架,6）工作面配套設備： 采煤機 MG500/1140-WD 刮板輸送機 SGZ800/500 基本支架 ZC12400/30/50 隔板支架 ZCG12400/30/50,圖 ZC12400/30/ 50充填支架總圖,七、分體式高水液壓支架,邢東礦高水充填實例： 1、邢東礦1126充填工作

24、面簡介： 主采2#煤層； 埋深：最深處達到960米； 煤層厚度：4.434.70m，平均厚度：4.5m； 煤層平均傾角9； 工作面長度為70m； 走向長445.1m 可采儲量19.73萬t。,七、分體式高水液壓支架,2、采煤工藝的工作過程： 采煤機推進距離s后置支架不動，后部掛袋充填，前置支架跟進支護距離s同時伸縮梁伸出s支護距離s采煤機繼續(xù)推進距離s后置支架不2s采煤機繼續(xù)推進距離s超高水凝結牢固，后置支架不動，前置支架跟進支護距離s同時伸縮梁伸出s支護距離3s后置支架前進3s；如此往復循環(huán)，實現(xiàn)了采煤工作的連續(xù)開采和充填，有效解決了回采支護與充填支護的矛盾，提高了生產(chǎn)效率。動，充填或凝結

25、，前置支架跟進支護距離s同時伸縮梁伸出s支護距離,七、分體式高水液壓支架,七、分體式高水液壓支架,3、邢東礦1126工作面充填效果,從上表可以看出，最高月產(chǎn)達到了5.25萬噸，5、6月正常生產(chǎn)的情況下實 現(xiàn)了穩(wěn)產(chǎn)5萬噸的能力。 2013年該套設備在邢東礦的1128工作面使用，通過最近幾個月的使用來 看，平均月產(chǎn)4.62萬噸，最高月產(chǎn)達到6.1萬噸。,七、分體式高水液壓支架,4、效益 1）整體效果分析 采煤效率: 平均月產(chǎn)4.62萬噸，最高月產(chǎn)6.1萬噸 充填效果好：充填率達95%，采高4.7米，地面沉降僅26mm 充填成本低：充填成本控制在100元以下，承受能力范圍內(nèi) 到達預期目的,七、分體式高水液壓支架,5、創(chuàng)新點 首次在千米埋深下實現(xiàn)了充填開采 首次實現(xiàn)了5米采高綜合機械化超高水充填開采 研究設計了分體式超高水充填支架 創(chuàng)新并實現(xiàn)了“采三充一”的充填開采工藝模式,七、分體式高水液壓支架,6、成果及專利 2013年中國煤炭工業(yè)協(xié)會科技進步一等獎， 發(fā)明專利1項，實用新型專利3項,謝 謝！,