[00851811]急倾斜软顶煤层开采技术及液压调跨五边形柔性掩护支架设计应用研究

1、任务来源：该项目为自选项目。 2、应用领域：煤矿开采。 3、技术指标： 1）采高1.2m-2.3m， 煤层倾角＞50°，可适应煤层厚度变化； 2）减少矸石混入率，煤炭灰分下降不小于3%，煤炭热值提升大于200大卡/kg。 3）避免煤层变薄时卧底，防止煤层增厚时留底煤造成煤炭资源的浪费，大幅减轻了工人劳动强度，提高了作业效率，使工作面平均月产量提高20%以上； 4）增加工作面回采作业空间，过风断面积提高15%，有效减少工作面粉尘浓度，明显改善作业环境条件。 5）取得显著经济社会效益。 4、与国内外同类技术比较： 国内未见研究急倾斜（煤层倾角大于45°）中厚煤层（煤层厚度大于1.35m）工作面开采技术，采用了液压调跨五边形柔性掩护支架开采急倾斜中厚煤层软顶条件的开采工艺、开采关键技术、液压支架设计及应用的文献报道。 国内未见研制适应急倾斜中厚煤层可调跨五边形柔型掩护支架，其特点是：（1）该支架适应煤层倾角45°以上，且同时满足采高1.2-2.3m中厚煤层开采，变采高开采；（2）该液压支架有五节五边形拱形断面、掩护梁间设有可调节夹角的液压千斤顶、架间间隙设有固定支架连接板、掩护上下肢设计为长臂结构特征的文献报道。 国内未见急倾斜（45～90°）、中厚煤层（1.3～3.5）、破碎软岩顶板条件下的液压调跨五边形柔性长臂支架-矸石-围岩间相互作用关系，支架受力状态分析及支架设计原则的文献报道；国内未见采用液压调跨五边形柔性掩护支架开采急倾斜中厚煤层软顶条件的开采工艺、开采关键技术、现场试验推广应用，并取得明显经济社会效益的文献报道。 5、成果的创造性、先进性： 1）研制成功了液压调跨五边形柔性掩护支架，该支架采用拱形断面设计，以及通过铰链连接上、下两根长臂掩护梁、液压千斤顶调节两根掩护梁的夹角，连接板将支架连接成组、固定架间间隙等结构措施，能很好的控制急倾斜薄及中厚煤层（50°以上）工作面的顶、底板，实现1.2～2.3m采高范围内随煤层厚薄变化自由调节支架支护宽度。 2）建立了急倾斜（45～68°）、中厚煤层（1.3～3.5）、破碎软岩顶板条件下的液压调跨五边形柔性长臂支架-矸石-围岩间相互作用力学模型，提出了液压调跨五边形柔性掩护支架理论计算方法，采用ANSYS确定冒落岩柱产生的高应力作用下支架应力和变形的特点，得到了五边形柔性支架最不利弯矩和等效应力屈服区位于支架顶梁和底梁弯折处，以及顶梁悬挑部分为支架设计和使用中重点加强区。 3）提出了反撑控架支柱法（该法将支柱底打在煤层顶板、支柱帽打在掩护支架下肢钢绳夹板上）控制安装该柔性长臂支架使用中出现的支架挂架、翘脚现象，以及采用提高控架支柱迎三角、钢绳间加设限位绳卡、支架中部连接点焊接卡板的技术，控制支架回采中的倾架现象。 6、作用意义： 中国急倾斜薄及中厚煤层开采技术和装备比较落后，综合机械化开采技术正在进行技术攻关，而普遍采用的柔性掩护支架采煤法无法适应煤层厚度变化。该项目自主研制的液压可伸缩柔性掩护支架，是中国急倾斜煤层柔性掩护支架开采的一次重大技术突破。 该支架能够很好地适应1.2～2.3m煤层厚度变化，提高了煤炭产量、资源回采率和煤质，也改善了作业安全条件。具体表现为：①有效地适应了急倾斜煤层厚薄变化，防止煤层增厚时留底煤造成煤炭资源的浪费，大幅提高了煤炭资源回收率，同时避免了煤层变薄时卧底推进，减少了矸石混入率，与四边形固定式掩护支架开采法相比，煤炭灰分下降3.81%，煤炭热值提升374大卡/kg，达5116大卡/kg。②操作方便，有效地适应了急倾斜煤层厚薄变化，避免了煤层变薄时卧底推进，大幅减轻了工人劳动强度，提高了作业效率，使工作面平均月产量由12011t提高到15674t，增加3663t，产量提高30.5%；月最高产量达19707t。③大幅增加了工作面回采作业空间，过风断面积提高23.9%，为工人安全作业创造了有利条件。在工作面风量不变的情况下，风速平均减小0.74m/s，有效减少了工作面的粉尘浓度，作业环境条件明显改善；工人在进行打眼、攉煤、移柱等作业时都能有很好的施展空间，甚至能够直立作业，改变了以往在固定式四边形柔性掩护支架工作面长期弯腰作业的局面；工人在工作面上下行走时的安全通道也明显增大，更为畅通。 因此，该项目的研究成果对推动中国煤炭科技进步具有重要意义。该项目在加大企业发展后劲、协调地方经济发展、推动煤炭科技进步等方面都具有重要的意义，特别是对中国西南片区复杂地质构造条件影响下的急倾斜煤层实现随煤层厚薄变化安全回采、提高煤炭产量和质量具有重要的示范作用，社会效益显著。