综采工作面充填支架技术研究硕士学位论文.docx
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综采工作面充填支架技术研究硕士学位论文
学位论文
综采工作面充填支架技术研究
申请学位级别:
硕士学位专业名称:
机械电子工程
论文题目:
综采工作面充填支架技术研究
作者姓名:
研究生入学时间:
2010年9月
专业名称:
机械电子工程研究方向:
机电液一体化技术
指导教师:
职称:
教授
副导师高级工程师
论文提交日期:
2013年5月
论文答辩日期:
2013年6月12日
授予学位日期:
STUDYOFTHEWATER-INRUSHMECHANISMANDPREDICTIONOFTHEWATER-RESISTINGFLOOR
ADissertationsubmittedinfulfillmentoftherequirementsofthedegreeof
MASTEROFPHILOSOPHY
from
ShandongUniversityofScienceandTechnology
by
YanJiusheng
Supervisor:
ProfessorZhongPeisi
CollegeofMechanicalandElectronicEngineering
May2011
声明
本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文,除了所列参考文献和世所公认的文献外,全部是本人在导师指导下的研究成果。
该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机关作鉴定。
硕士生签名:
(提交时签名)
日期:
AFFIRMATION
Ideclarethatthisdissertation,submittedinfulfillmentoftherequirementsfortheawardofMasterofPhilosophyinShandongUniversityofScienceandTechnology,iswhollymyownworkunlessreferencedofacknowledge.Thedocumenthasnotbeensubmittedforqualificationatanyotheracademicinstitute.
Signature:
(提交时签名)
Date:
(加1空行)
摘要
基于大量的煤矿井突水案例,总结了中国煤矿井突水的一般规律及肥城煤田矿井突水的特点。
根据“以岩层运动为中心”的矿山压力控制理论,研究了采场断层在矿山压力作用下活化的力学机制,以及断层活化过程中承压水和岩石相互作用的机理。
给出了采场断层突水的条件。
分析了矿山压力对突水量的影响作用。
结合几何损伤理论及断裂力学理论,提出了采场底板“四带”划分理论,并应用该理论,研究了无断裂构造影响下采场底板突水的条件。
根据重力滑动构造理论,研究了肥城煤田滑动构造形成的力学机制,以及其在肥城煤田矿井突水中所起的作用。
评价了肥城煤田深部开采底板突水的可能性。
研制了矿井底板突水预测预报应用软件。
(不少于500字)
(空1行)
关键词:
突水机理,矿山压力,断层活化,“四带”理论,滑动构造,突水预测
(注意:
左缩进2字符,关键词个数建议5-7个)
建议:
第一段论述论文的目的意义、重要性等内容。
第二段着重论述论文的研究工作和取得的成果。
取得的成果要用建立……、提出……、开发……等词。
如果内容较多,也可分成几段。
第三段可以论文的后续研究或发展前景等(可以不写)。
论文的摘要、每一章的本章小结、结论与展望等相关内容要呼应,前后一致,但各有侧重点。
注意:
不再要求详细摘要。
(加1空行)
ABSTRACT
Basedonlargequantitiesofthecasesofcoalminewater-inrush,thegenerallawofthewater-inrushinChinesecoalminesandthecharacteristicsofcoalminewater-inrushinFeichengcoalfieldaresummarized.Accordingtotheundergroundpressuretheory,whichtakesstratummovementaskeymatter,thereactivatingmechanicalmechanismofafaultinminingfloorundertheactionofundergroundpressure,andthemechanismoftheinteractionbetweenpressurewaterandrockduringthefaultreactivationarestudied.Theconditionofthewater-inrushfromafaultinminingfloorisgiven.Theinfluenceofundergroundpressureonwater-inrushquantityisanalyzed.Onthebasesofgeometricaltheoryofdamageandfracturemechanics,thefour-zonetheorytodivideminingfloorisputforward,andwithit,theconditionofthewater-inrushfromminingfloorwithoutafaultisanalyzed.Inthelightofthetheoryofgravity-glidingtectonics,theformingmechanicalmechanismoftheglidingstructureinFeichengcoalfieldanditsfunctioninwater-inrusharestudied.Thewater-inrushpossibilityduringminingdepthcoallayerisassessed.Applicablesoftwaretopredicatewater-inrushfromminingfloorismade.
(空1行)
Keywords:
mechanismofwater-inrush,undergroundpressure,faultreactivation,four-zonetheory,glidingstructure,water-inrushprediction
要求与中文摘要对应。
(加1空行)
目录
(由“<插入>-<引用>-<索引与目录>”自动生成的目录示例,英文由中文目录复制过去,再翻译成英文并调整一下字体大小即可,正式文中去掉)
1绪论1
1.1研究背景1
1.2研究目的与意义2
1.3国内外研究现状2
1.4存在问题2
1.5本文主要研究工作3
2总体结构或方案设计4
2.1引言4
2.2总体设计4
2.3关键技术简介4
2.4本章小结4
3关键技术之一5
3.1引言5
3.2二级标题5
3.3二级标题5
3.6本章小结5
4关键技术之二6
4.1引言6
4.2二级标题6
4.3二级标题6
4.6本章小结6
5关键技术之三7
5.1引言7
5.2二级标题7
5.3二级标题7
5.6本章小结7
6实验验证或系统开发或应用实例8
6.1引言8
6.2二级标题8
6.3二级标题8
6.6本章小结8
7结论与展望9
7.1主要结论9
7.2工作展望9
致谢10
参考文献11
攻读硕士学位期间从事科学研究及发表论文情况12
附录或附录A13
附录B14
(加1空行)
Contents
(由中文目录复制过来,再翻译成英文,并调整字体大小,正式文中去掉)
1Introduction1
1.1BackgroundoftheResearch1
1.2TheAimandSignificanceofdissertation2
1.3Review2
1.4TheExistingProblems2
1.5MainResearchContents3
2GeneralConfigrationorSchemeDesign4
2.1Introduction4
2.2OverallDesign4
2.3IntroductionofKeyTechnologies4
2.4Summary4
3KeyTechnology15
3.1Introduction5
3.2TheSecondHeading5
3.3TheSecondHeading5
3.6Summary5
4KeyTechnology26
4.1Introduction6
4.2TheSecondHeading6
4.3TheSecondHeading6
4.6Summary6
5KeyTechnology37
5.1Introduction7
5.2TheSecondHeading7
5.3TheSecondHeading7
5.6Summary7
6VerificationorDevelopmentorApplication8
6.1Introduction8
6.2TheSecondHeading8
6.3TheSecondHeading8
6.6Summary8
7ConclusionsandProspects9
7.1Conclusions9
7.2Prospects9
Acknowledgement10
References11
ScientificResearchandPublishedPapers12
AppendixA13
AppendixB14
(加1空行)
1绪论
(一级标题用“格式”-“段落”设置段前、段后均空1行,单倍行距)
1.1研究背景
(二级标题用“格式”-“段落”设置段前、段后均空1行,单倍行距)
正文中,中文用小四号宋体字,英文和数字用(TimesNewRoman字体,所有标点符号用全角,1.5倍行距。
1.1.1中国煤矿水害现状
(三级标题用“格式”-“段落”设置段前、段后均空1行,单倍行距)
根据矿井突水水源划分,中国煤矿水害事故分为地表水体水害事故,占中国煤矿突水事故典型案例[1]的4.9%;冲积层水水害事故,占1.4%;砂岩类含水层水害事故,占1.4%;灰岩类岩溶水水害事故,占92.3%。
可见,防治灰岩岩溶类突水是矿井水害工作的重点。
1.1.1.1四级标题
(四级标题用“格式”-“段落”设置段前、段后均空0.5行,1.5倍行距)
中国具有开采价值的煤层主要集中在晚石灰世—早二叠世、晚二叠世、早侏罗世—中侏罗世、晚侏罗—早白垩4个聚煤期[1,2]。
据不完全统计[3],含煤地层属晚古生代石炭二叠纪的占38%,主要集中在中国北方,通称华北型煤田;属二叠、三叠纪的占30%,主要集中在中国南方,通称华南型煤田;属中生代侏罗纪和白垩纪的占28%,主要集中在中国北方和东蒙地区,通称华北、东蒙煤田;属新生代第三纪的占4%。
由于华北型的石炭系及华南型的二叠系多数形成于滨海、潮坪、泻湖等海相环境,含煤岩系中夹有厚度不一的多层碳酸盐岩,主要是石灰岩类和白云岩类。
当它们的厚度大于4m时,就很容易发育岩溶。
特别当它们通过地质构造与煤层底板厚层、巨厚层碳酸盐岩的岩溶,如华南型煤田的早二叠的茅口灰岩(100~200m左右)岩溶、华北型煤田的基底奥陶系灰岩(200~800m左右)岩溶,发生水力联系时,岩溶不仅更加发育,而且岩溶水的动储量会变得十分巨大,从而使煤矿生产的安全性受到重大的水害威胁。
1)五级标题
(1)中国煤田经过近一个世纪的开采,多数煤层的开采已进入深层位,特别是华北型煤田,大部分矿井已经开采石炭世煤层[4]。
在中国地质历史演化过程中,华北的石炭一二叠世煤系地层绝大多数是直接沉积在奥陶系灰岩之上的,即缺失了早古生代的志留纪和晚古生代的泥盆纪地层。
奥陶纪碳酸盐岩因在地表裸露约9亿年,不仅遭受不同程度的风化剥蚀,而且发育了程度不一的岩溶。
这种初期的岩溶为以后的地下岩溶的发育奠定了基础[5-7]。
由于石炭世煤层距奥陶系近,在构造作用下,底板灰岩的岩溶不仅发育,而且往往和奥陶系灰岩构成统一的水力系统,因此煤矿受岩溶水威胁尤为突出。
据不完全统计,自1956年到1994年,中国北方煤矿开采山西组与太原组煤层时突水1300余次。
●第一次
●第二次
●第三次
注意标题的层次结构,并保持全文前后一致。
1.2研究目的与意义
1.3国内外研究现状
1.4存在问题
1.5本文主要研究工作
正式撰写论文前,请务必仔细阅读《硕士学位论文排版打印格式》(修订),以本样本为模板,添加自己的论文内容即可。
其它类型的研究生,如工程硕士研究生、高校教师在职攻读硕士学位研究生、同等学力研究生,要注意封面和页眉等不同,其它格式参照执行。
该节主要论述要完成的工作,不能有“了”,不能有结果分析等。
(加1空行)
2总体结构或方案设计
2.1引言
中文用小四号宋体字,英文和数字用TimesNewRoman字体,所有标点符号用全角,1.5倍行距。
2.2总体设计
整个学位论文的层次结构供参考。
2.2.1充填液压支架的总体设计
1)液压支架的选型原则
充填液压支架是综合机械化采煤工作面主要装备之一,它与采煤机、刮板输送机配套使用,起着管理顶板隔离围岩,维护作业空间,与刮板输送机配套能自行前移,推进采煤工作面连续作业。
充填支架设计应考虑:
支护强度与工作面矿压相适应;支架结构与煤层赋存条件相适应;支护断面与通风要求相适应;推移连接装置与采煤机,刮板输送机、后部充填输送机等设备相匹配。
另外,充填液压支架后部必须提供可供物料充填的充填输送机等设备正常工作时所需要的空间,而且充填输送机在支架尾梁下,其高度尽可能增大;尾梁必须有足够的强度,以满足工作要求;充填液压支架上采空区下尾梁与刮板输送机之间的空间必须尽量充满。
因此,对于充填液压支架的设计应该遵循以下原则:
充填液压支架后部必须提供可供充填机构工作所需的空间
设计的矸石充填液压支架后部要安装充填输送机,为保证充填输送机能够正常工作和检修,充填液压支架后部必须提供可供自压式充填输送机正常工作时所需要的空间,而且充填输送机悬挂高度尽可能增大。
充填液压支架尾梁必须有足够的强度
由于矸石充填液压支架比普通液压支架增加了尾梁结构,支架的控顶范围增加,顶板对支架特别是支架尾梁的压力比较大,尾梁下还需要悬挂充填输送机,因此尾梁必须有足够的强度,以满足工作要求。
需要安设可调整充填运输机高度的设备
按照设计,矸石充填液压支架的尾梁要和充填输送机用单挂链联接,为了方便管理和检修,矸石充填液压支架的尾梁要安装有可调整高度的千斤顶,便于调整支架尾梁高度。
矸石充填液压支架的其它要求
由于矸石充填液压支架比正常综采面液压支架增加了后部工作部分,包括尾梁和充填输送机。
因此,矸石充填液压可能出现支架头轻尾重,造成支架后仰、移架困难的现象,故在设计中应充分考虑矸石充填液压支架的稳定性。
2)液压支架的选型计算
对支架选型,首先必须将所选采面的煤层、顶底板及采区的地质条件全面查清、探明,然后编制综采采区、综采工作面地质说明书。
依据新三矿技术部门提供的工作面地质说明书,对支架选型计算如下:
支架高度的选择
开采煤层的平均厚度2.74m,倾角3-11°,工作面沿煤层顶板布置开采。
在正常情况下煤层的开采高度为2.8m,但工作面局部可能因顶板起伏不平而采高较高或采高较底,对于支架来说,采高偏低不利于煤炭采出率,过高则稳定性不好,根据相似煤层地质条件下使用的支架及保证稳定性的前提下提高采高的原则,选择采高为2.0m~3.0m,故支架最大高度设计为3.2m,支架最低高度为1.7m。
支架型式的确定
在我国,掩护式支架多用于顶板比较破碎的回采工作面,通常适用于采面老顶来压强度较低(动载系数KD<1.5),周期来压步距较为稳定,顶板压力较小,底板比较坚硬,采高较大,但不易片帮的煤层。
为扩大掩护式支架的使用范围,则可提高支架初撑力和切顶能力,改进并完善梁端支护和防片帮装置,以此提高支架对老顶来压的适应能力。
从矿压特点看,掩护式支架使用效果较好的条件如下表5-1所示。
表5-1使用效果良好的掩护支架一般适用条件
架型
老顶来压显现
动载系数
顶板稳定性
顶板下沉系数(mm/mm)
采高(m)
短托梁
柱支顶梁
缓和
明显
<1.2
1.2~1.5
破碎
较稳定
>30
<25
约2.7
<4.0
*顶板下沉系数是每米采高每米推进度的顶板下沉量。
支撑掩护式支架较掩护式支架的优越的地方是:
适应采面老顶来压能力强(KD>1.5);由于实际初撑力和支护强度高,支护效率高、效果好;顶梁尾部支撑能力大,切顶能力强,有利于控制硬顶板;底座前端比压小,适于松软底板。
其不足之处主要是由于前梁较长,前端支撑能力略低于掩护支架。
从矿压特点看,支撑掩护式支架适用的条件比掩护式支架宽。
支撑掩护式支架可适于
至
级老顶,2至4类直接顶板。
由于工作面采空区需要进行回填,故不能使用放顶煤支架。
设计充填支架后部有充填溜子等充填设备,支架后部出现故障时,需要人工到后部处理故障,所以支架必须留有一定空间,方便人员到后部处理故障。
鉴于这种情况,选用四柱支撑掩护式支架。
充填支架对后部空间的要求比较大,正四连杆机构的后部空间较小,不适合充填支架;而反四连杆机构具有后部空间大的优点,对于充填支架比较合适。
综上所述,最终确定四柱支撑掩护式支架,采用反四连杆机构。
支护强度的确定
确定液压支架的支护强度时,要综合考虑到老顶的来压强度和受开采影响的上覆岩层厚度。
受采动影响上覆岩层厚度的主要根据顶板的岩性及其垮落后破碎的状态和煤层的采出厚度来确定。
本煤层采用充填开采,受采动影响的顶板厚度较小。
采动影响的可垮落顶板厚度见式(5-1)。
(5-1)
式中:
—可垮落顶板厚度,m;
—煤层厚度,2.74m;
—顶板岩层碎胀系数,k=1.15~1.3,取1.3。
将上述相关数据代入式(5-1),得采动影响的可垮落高度为9.13m,支架支护强度见式(5-2)。
(5-2)
式中:
—老顶来压时动载荷系数,取1.8;
—可垮落下位岩层厚度,9.13m;
—岩层容重,2.5t/m3。
将上述相关数据代入式(5-2),可知工作面液压支架的支护强度应不小于0.377MPa。
3)充填液压支架的结构原理
考虑首采工作面地质、地压等方面的因素,经过多次调研、支架强度设计的可行性分析等工作,根据上述要求,最终确定采用使用ZC5600/17/32型充填式液压支架,采用四连杆机构。
综采面矸石充填的液压支架结构如图5-1、5-2所示。
图5-2矸石充填液压支架结构原理图
充填液压支架主要由顶梁、立柱、底座、尾梁、尾梁千斤顶、尾梁之下充填输送机等构成。
充填输送机溜槽由四条圆环链悬挂在尾梁之下,悬挂圆环链与其两侧的吊环联接,溜槽槽板上开有卸料充填的卸料孔。
底座后端设支架护板,护板起挡料、掩护作用;尾梁千斤顶为两根,它们的一端与尾梁铰接,另一端与顶梁下方的铰接耳板铰接,以增加支架的支护强度和稳定性。
充填液压支架前、后配备双侧同向不等位的两部刮板输送机,即前部回采工作面的工作面刮板输送机和后部的位于尾梁下的充填输送机。
充填液压支架除了满足支护顶板、综采面生产的要求,同时可达到充填采空区的目的。
充填液压支架后部悬挂的充填输送机溜槽,与综采面上、下端头的溜尾、溜头,组成整部的充填输送机后,实现运料充填采空区,并与充填支架配合使用,具有以下特点:
充填料通过充填输送机溜槽槽板的卸料孔落下,卸料孔的大小是根据充填料的塌落角、充填高度、输送量确定或调节;
上刮板的作用是推移充填料,下刮板的作用是推平由卸料孔落下到采空区底板的充填材料;
充填输送机通过柔性的悬吊圆环链实现万向可调节式悬挂;
充填输送机随移架前移,能实现可弯曲运输,移架不影响运输充填材料,不必像带式输送机那样需要调直;
后悬式刮板输送机是在充填支架尾梁的掩护下进行的,可保证充填设备的安全,同时设备维修时可以采用前移支架达到维修空间时进行,充填过程中无需人员进入充填区。
充填顺序由下向上,当下面一个漏料孔落料到一定高度后,即关闭下一个孔再开启上一个充填漏料孔;调节千斤顶用于调节夯实千斤顶和铲板的角度,可使充填料在支架后部接顶,从而实现完全充填。
综采工作面生产系统、充填系统融合为一体,回采、充填同时进行。
充填材料经上巷输送机运至综采工作面上端头,再由后悬式自压式充填输送机将材料运至综采面的采空区进行充填。
4)支架工作阻力和初撑力
根据支护强度、配套设备尺寸、支架顶梁长度和空顶距计算支架工作阻力见式(5-3)。
(5-3)
式中:
—安全系数,1.2;
—空顶距,340mm;
—顶梁长度,7000mm;
—架间距,1.5m;
—支架支护强度,0.78MPa;
—支护效率,取0.9;
—安全阀波动系数,取0.95。
将上述相关数据代入式(5-3),可知工作面液压支架的支护阻力应不小于5570kN。
初撑力大小对支架的支护性能和成本都有很大影响,较大的初撑力能使支架较快达到工作阻力,减慢顶板的早期下沉速度,增加顶板的稳定性,但对乳化液泵站和液压元件的耐压要求也将提高。
一般初撑力由式(5-4)确定。
(5-4)
式中:
─支架初撑力,kN。
将上述相关数据代入式(5-4),可知工作面液压支架的初撑力为3342~4456kN。
5)支架调高范围及伸缩比
支架最大结构高度和最小结构高度分别见式(5-5)、(5-6)。
(5-5)
(5-6)
式中:
、
——支架最大,最小结构高度,m;
、
——煤层最大,最小采高,m;
——伪顶冒落的最大厚度,m;
——顶板周期来压时支架最大下沉量,移架高度等之和,m。
根据矿区的实际情况和开采技术条件,支架的调高范围取为:
=3.2m,
=1.7m。
支架伸缩比反映支架对煤层厚度变化的适应能力,其值为见式(5-7)。
(5-7)
式中,
─支架伸缩比,1.88。
6)移架速度
支架移架速度
可按式(5-8
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