綜采支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在(張開智)

1、綜采支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在綜采支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在煤礦頂板管理中的應(yīng)用煤礦頂板管理中的應(yīng)用張開智張開智 教授教授0532-60577481385388685Z 山東科技大學(xué)山東科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院 KBJ60-1型礦用數(shù)字綜采支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 在線連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 井下采集數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè) 127V AC壓力分機(jī)本安電源通訊分站電話線井上部分井下部分防護(hù)電纜ZYDC1綜采支架計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件組成123456ABCD654321DCBA采煤工作面1#分 機(jī)2# 分 機(jī)7# 分 機(jī)接支架下腔30m70m 本安電源接線盒通訊分站5m電話線路至井上660V/127V5m移動(dòng)變電站ZYDC-1

2、綜采支架壓力計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作面部分軌道巷皮帶巷附圖 1ZYDC1型礦用數(shù)字綜采支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn)： 具有數(shù)字顯示、存取方便、工作壽命長、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量大、可任意設(shè)置數(shù)據(jù)采集間隔時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。 尤其是在線連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可在地面終端微機(jī)上隨時(shí)顯示壓力分布曲線，廣大工程技術(shù)人員及時(shí)了解工作面頂板狀況及支架工作狀態(tài)，為煤礦管理人員提供了一條科學(xué)化管理的途徑。ZYDC1型礦用數(shù)字綜采支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，詳細(xì)闡述了該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在煤礦中的應(yīng)用情況。 包括 測(cè)站布置 數(shù)據(jù)采集與整理 分析內(nèi)容與方法 觀測(cè)結(jié)果的推廣應(yīng)用等 工作面測(cè)站布置觀測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)與工作面長度有關(guān)，一般來說可沿工作面長度每

3、隔1020m均勻布置，每個(gè)測(cè)區(qū)可在相鄰兩個(gè)支架上布置觀測(cè)儀器，便于以后數(shù)據(jù)分析整理時(shí)相互印證與對(duì)比。 同時(shí)注意到工作面上下端頭的影響，即上下端頭附近可適當(dāng)加大觀測(cè)點(diǎn)數(shù)， 工作面支架阻力測(cè)區(qū)1測(cè)區(qū)布置測(cè)區(qū)布置特殊目的專門測(cè)區(qū)：順槽測(cè)區(qū)布置 可沿支柱每間隔23個(gè)支柱設(shè)一阻力觀測(cè)區(qū) 巷道變形測(cè)區(qū) 頂板離層位移測(cè)區(qū)超前支護(hù)運(yùn)輸順槽軌道順槽工 作 面 支 架 測(cè) 點(diǎn)上工 作 面頂 板 動(dòng) 態(tài) 儀 測(cè) 點(diǎn)巷 道 斷 面 收 縮 測(cè)點(diǎn)超 前 支 護(hù) 阻 力 測(cè) 點(diǎn)2數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集 對(duì)于連續(xù)觀測(cè)系統(tǒng)，可隨時(shí)調(diào)取數(shù)據(jù)以便分析 對(duì)于需人工井下采集系統(tǒng)，可每兩天采集一次，當(dāng)工作面頂板處于來壓階段時(shí)，可適當(dāng)加大數(shù)據(jù)

4、采集密度 用采集器采集上來的支架阻力數(shù)據(jù)可用office系統(tǒng)中的excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理，將每架的初撐力、末阻力、循環(huán)內(nèi)時(shí)間加權(quán)平均工作阻力整理成相關(guān)的表格形式，為以后的進(jìn)一步分析進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，如圖所示3觀測(cè)數(shù)據(jù)分析觀測(cè)數(shù)據(jù)分析 3.1來壓步距分析來壓步距分析 將整理好的每架循環(huán)末工作阻力繪制成阻力隨時(shí)間（推進(jìn)步距）關(guān)系曲線，如圖3所示 010203040506070800102030405060708090100110120130140150160170距離/m整架末阻力/MPa126#支架110#支架95#支架 從中可以分析各支架阻力高峰位置，進(jìn)一步判斷各支架測(cè)得的頂板來壓步距3.1

5、來壓步距分析來壓步距分析 不同支架、不同測(cè)區(qū)實(shí)測(cè)的頂板來壓步距不盡一致，可采用平均的處理方法來最終確定頂板來壓步距，也可以給出頂板來壓步距的最大、最小范圍。如表2所示。 不同測(cè)區(qū)頂板運(yùn)動(dòng)步距觀測(cè)結(jié)果不同測(cè)區(qū)頂板運(yùn)動(dòng)步距觀測(cè)結(jié)果分析時(shí)也可以結(jié)合對(duì)支架阻力峰值整理表來輔助進(jìn)行 3.2直接頂、老頂厚度計(jì)算直接頂、老頂厚度計(jì)算3.2.1利用來壓前夕支架承載值反推直接頂厚度來壓前夕老頂處于相對(duì)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)階段，支架上的阻力可視為由直接頂、頂煤的重量引起，兩者建立平衡關(guān)系，則有：zzzfmmppp煤煤直煤zzzfmpm煤煤3.2.2利用實(shí)測(cè)來壓時(shí)支架阻力值反推老頂厚度當(dāng)支架在“限定變形”條件下工作時(shí)，支架的阻

6、力將限制巖梁的運(yùn)動(dòng)?？捎上率椒赐评享敽穸?。 APPEKTEEEELKLmPEEKTEEKTEELLKAPLLKPm)(來壓前后支架承載值來壓前后支架承載值3頂板運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析頂板運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析 實(shí)測(cè)支架阻力在每一個(gè)支護(hù)循環(huán)內(nèi)的變化曲線可以進(jìn)一步分析頂板在來壓時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即分析頂板處于相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期、顯著運(yùn)動(dòng)時(shí)期相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期、顯著運(yùn)動(dòng)時(shí)期還是急劇回轉(zhuǎn)下急劇回轉(zhuǎn)下沉沉階段。三個(gè)運(yùn)動(dòng)階段實(shí)測(cè)的支架阻力運(yùn)行曲線如圖4所示。 頂板的壓力較小，支架達(dá)到初撐后，支護(hù)循環(huán)內(nèi)沒有達(dá)到工作阻 力。即支架一直在初撐階段工作，直到下次移架。在此過程中，頂板處于最穩(wěn)定的狀態(tài)，老頂巖梁尚未達(dá)到極限垮落步距，如圖4a所示。相

7、對(duì)穩(wěn)定時(shí)期相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期 支架初撐時(shí)間較長，初撐階段壓力曲線平緩上升，循環(huán)末阻力值低于支架的額定工作阻力值。此時(shí)，老頂處于顯著運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(前夕)，有少量緩慢下沉，但未斷裂回轉(zhuǎn)。巖梁處于來壓前夕的相對(duì)穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如圖4b所示。 顯著運(yùn)動(dòng)時(shí)期顯著運(yùn)動(dòng)時(shí)期顯著運(yùn)動(dòng)時(shí)期顯著運(yùn)動(dòng)時(shí)期急劇回轉(zhuǎn)下沉急劇回轉(zhuǎn)下沉 支架從初撐階段極短時(shí)間內(nèi)即達(dá)到額定工作阻力狀態(tài)，并且在額定工作阻力值區(qū)域穩(wěn)定震蕩。此時(shí)，頂板不穩(wěn)定，老頂巖梁處于急劇回轉(zhuǎn)下沉運(yùn)動(dòng)階段，即來壓階段，如圖4c所示。急劇回轉(zhuǎn)下沉急劇回轉(zhuǎn)下沉3.4支架運(yùn)行特征分析支架運(yùn)行特征分析 將支架阻力整理成初撐力、末阻力頻率分布表（表4所示）

8、，并進(jìn)一步整理繪制成頻率分布圖（圖5所示），可以分析各支架阻力的整體運(yùn)行狀態(tài)。 整架初撐力頻率分布表整架初撐力頻率分布表初初撐撐力力頻頻率率分分布布3.5順槽超前支承壓力分布規(guī)律順槽超前支承壓力分布規(guī)律將順槽支柱實(shí)測(cè)的支柱阻力值整理成沿推進(jìn)的變化關(guān)系曲線，可以分析超前支承壓力變化規(guī)律，如圖6所示。同時(shí)可以選取老頂初次來壓前，初次來壓時(shí)，周期來壓前，周期來壓時(shí)的四組典型數(shù)據(jù)，繪制超前20m 范圍內(nèi)巷道的壓力顯現(xiàn)狀況圖，進(jìn)一步分析頂板處于不同運(yùn)動(dòng)階段的超前支承壓力變化情況，如圖7所示。05101520253035405月19日/夜早中20日/夜早中21日/夜早中22日/夜早中23日/夜早中24日/

9、夜早中25日/夜早中26日/夜早中27日/夜早中28日/夜早中29日/夜早中30日/夜早中31日/夜早中單體支柱壓力/MPa46.0849.953.959.963.365.968.1距離/m5m10m15m20m單體支柱壓力數(shù)據(jù)曲線單體支柱壓力數(shù)據(jù)曲線 順槽超前支承壓力分布規(guī)律順槽超前支承壓力分布規(guī)律05101520253035404505101520距煤壁距離/m單體支柱壓力/MPa初次來壓前初次來壓時(shí)周期來壓前周期來壓時(shí)順槽超前支承壓力分布規(guī)律順槽超前支承壓力分布規(guī)律不同來壓階段超前不同來壓階段超前20m壓力顯現(xiàn)壓力顯現(xiàn)4控制設(shè)計(jì)控制設(shè)計(jì)4.1按實(shí)測(cè)阻力值統(tǒng)計(jì)分析確定合理支架工作阻力按實(shí)測(cè)

10、阻力值統(tǒng)計(jì)分析確定合理支架工作阻力 支架合理工作阻力的確定有多種方法，參考液壓支架工作阻力（趙宏珠執(zhí)筆），利用實(shí)測(cè)各支架支護(hù)阻力值，采用時(shí)間加權(quán)平均工作阻力和循環(huán)末工作阻力統(tǒng)計(jì)值確定23上05工作面支架的合理工作阻力： tPttSPP2mPmmSPP 由于上述結(jié)論是基于實(shí)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)得出的，具有平均的性質(zhì)，因此還需要考慮支架在頂板的各次來壓期間阻力有增大的現(xiàn)象。 根據(jù)前面分析，老頂來壓顯現(xiàn)不明顯，取動(dòng)載系數(shù)為1.1。 按實(shí)測(cè)阻力值統(tǒng)計(jì)分析確定合理支架工作阻力按實(shí)測(cè)阻力值統(tǒng)計(jì)分析確定合理支架工作阻力4.2支柱缸徑確定支柱缸徑確定 由上節(jié)分析知，支架合理工作阻力為15001700 KN架，則： 每根

11、支柱所受的壓力為P/4=375425 KN/柱 最后根據(jù)泵站壓力（32Mpa）反推支架的柱徑d按平時(shí)計(jì)算：按來壓時(shí)計(jì)算：mmpPD12214. 31032103752263mmpPD13014. 310321042522634.3液壓支架選型液壓支架選型(一)液壓支架選型的內(nèi)容和要求液壓支架架型選擇是指針對(duì)具體頂板類型和頂板巖層組成情況選擇不同的支架類型。不僅包括支架的架型及額定工作阻力，支護(hù)強(qiáng)度等參數(shù)，而且涉及頂梁、護(hù)幫、底座、側(cè)推及閥組等主要部件的選型及其參數(shù)的決定。(二)影響液壓支架選型的因素和順序根據(jù)頂板巖石力學(xué)性質(zhì)、厚度及巖層結(jié)構(gòu)及弱面發(fā)育程度確定直接頂類型；根據(jù)老頂巖石力學(xué)特性及礦

12、壓顯現(xiàn)特征確定老頂級(jí)別；根據(jù)底板巖性及底板抗壓入強(qiáng)度及剛度測(cè)定結(jié)果確定底板類型；根據(jù)礦壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算額定工作阻力或根據(jù)采高控頂寬度及周期來壓步距，估算必需的支護(hù)強(qiáng)度和每米阻力；根據(jù)頂?shù)装孱愋?、?jí)別及采高，初選必需的額定支護(hù)強(qiáng)度，初選支架型式；考慮工作面風(fēng)量，行人斷面，煤層傾角，修正架型及參數(shù)；考慮采高、煤壁片幫（煤層硬度和節(jié)理）的傾向性及頂板端面冒落度，確定頂梁及護(hù)幫結(jié)構(gòu)；考慮煤層傾角及工作面推進(jìn)方向，確定側(cè)護(hù)結(jié)構(gòu)幾參數(shù)；根據(jù)底板抗壓入強(qiáng)度，確定支架底座結(jié)構(gòu)參數(shù)及對(duì)架型參數(shù)的要求；利用支架參數(shù)優(yōu)化程序（考慮結(jié)構(gòu)受力最?。?，使支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化。巷道及運(yùn)輸?shù)扔袝r(shí)對(duì)選架型也有較大影響。(三)液壓支架選型

13、目前液壓支架的選型方法有兩種：系統(tǒng)分析比較法及綜合評(píng)分法。前者為定性分析與評(píng)價(jià)，后者為定量分析與評(píng)價(jià)，本節(jié)以后者方法說明對(duì)支架型式的選擇與分析。 1支架選型要素及評(píng)價(jià) 已知開采地質(zhì)、技術(shù)條件進(jìn)行支架選型時(shí)，必須考慮各種支架對(duì)圍巖的適應(yīng)性及力學(xué)特性。表4.2中列出的要素是支架選型時(shí)必須考慮的，它可以反映支架對(duì)圍巖的適應(yīng)能力、支架的力學(xué)特性和工作特性，根據(jù)上述要素和評(píng)價(jià)可初步進(jìn)行支架選型。 進(jìn)一步選型和結(jié)構(gòu)選擇，可按下列專家評(píng)分法進(jìn)行。 (三)液壓支架選型(三)液壓支架選型1支架選型要素及評(píng)價(jià)該評(píng)分法的基本原則是：某種支架形式或結(jié)構(gòu)，如果對(duì)地質(zhì)、技術(shù)條件（直接頂、老頂、底板類別、采高、傾角、煤壁片

14、幫、瓦斯含量等）的適應(yīng)性最好或較好，可分別給予5分、4分；如果勉強(qiáng)還可以用，給3分；如果適應(yīng)性差或很差，分別給予2分、1分；支架的某種結(jié)構(gòu)與一定地質(zhì)地質(zhì)技術(shù)條件無關(guān)時(shí)不參與評(píng)分，即不給予評(píng)分。例如頂梁結(jié)構(gòu)與底板類別可視為無關(guān)； 除表4.2中列出的幾種地質(zhì)技術(shù)條件外，還應(yīng)考慮到上、下部采動(dòng)條件，兩側(cè)開采條件；地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況；深部開采等因素，在影響明顯時(shí)，可適當(dāng)降低頂板類級(jí)來處理。當(dāng)頂?shù)装搴归_采中底板積水時(shí)，可適當(dāng)降低抗底板壓入強(qiáng)度來處理。(三)液壓支架選型1支架選型要素及評(píng)價(jià)注：掩護(hù)支架：.插底支掩式，.不插底支掩式，.支頂式；支撐掩護(hù)支架：（1）支頂式，（2）支頂式掩式，a整體頂梁；b

15、鉸接頂梁；c可伸縮或折疊式頂梁（整體或鉸接頂梁）；d彈性分底座；e剛性整體底座；f頂梁側(cè)推千斤頂；g頂梁底座側(cè)千斤頂(三)液壓支架選型2確定重要性系數(shù) 不同的架型結(jié)構(gòu)與地質(zhì)技術(shù)條件之間并非同等重要例如，對(duì)于架型來說，首要的是直接頂、老頂、底板其他因素僅具一般性。對(duì)于頂梁結(jié)構(gòu)來說，首要的是直接頂?shù)姆€(wěn)定性，其次是煤層硬度和采高等等。初選的重要性系數(shù)見表4.3。重要性系數(shù)重要性系數(shù)W 技術(shù)地質(zhì)條件架型頂梁結(jié)構(gòu)底座結(jié)構(gòu)側(cè)推結(jié)構(gòu)直接頂類別1.31.51.11.1老頂級(jí)別1.51.11.01.0底板類別1.31.01.51.0采高1.01.21.11.3礦井瓦斯1.01.01.01.0煤層硬度1.01.3

16、1.01.2煤層傾角1.01.01.01.5(三)液壓支架選型2確定重要性系數(shù)3.架型和結(jié)構(gòu)選擇要遵循的程序：按 計(jì)算給定地質(zhì)、技術(shù)條件下的各種架型和結(jié)構(gòu)的Qi值；對(duì)所有Qi值進(jìn)行比較，最大者，即當(dāng)Qi=Qmax時(shí)，則該結(jié)構(gòu)和架型在給定條件下為最優(yōu)。支架形式和結(jié)構(gòu)選定后需進(jìn)一步完成以下工作：支架初撐力和工作阻力的確定；支架結(jié)構(gòu)參數(shù)化，以結(jié)構(gòu)件內(nèi)力最小為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化選擇。 iiiRWQ(三)液壓支架選型某礦評(píng)分法支架選型計(jì)算結(jié)果某礦評(píng)分法支架選型計(jì)算結(jié)果(三)液壓支架選型4.4支架適應(yīng)性分析支架適應(yīng)性分析4.4.1 對(duì)礦壓顯現(xiàn)的適應(yīng)性 由ZFQ2000-16/24型輕放液壓支架在工作面應(yīng)用后實(shí)測(cè)得到的工作面礦壓顯現(xiàn)得知，工作面礦壓顯現(xiàn)并不是十分劇烈，顯現(xiàn)都在工作面允許的范圍內(nèi)，對(duì)工作面的安全生產(chǎn)并無嚴(yán)重影響，因此可視為顯現(xiàn)在可控制的范圍內(nèi)。4.4支架適應(yīng)性分析支架適應(yīng)性分析4.4.2對(duì)生產(chǎn)工藝的適應(yīng)性工作面使用的ZFQ2