大采高綜采工作面液壓支架適應性分析

吳士良 楊成坤 王世眾

(山東科技大學 礦業(yè)與安全工程學院)

大采高綜采工作面液壓支架適應性分析

吳士良 楊成坤 王世眾

(山東科技大學 礦業(yè)與安全工程學院)

察哈素煤礦31301工作面為首采面，缺乏煤層礦壓資料，在支架選型過程中基本采用經驗法，為驗證31301工作面支架適應性，同時為后續(xù)同煤層開采工作面支架選型提供可靠依據，根據31301大采高綜采工作面開采條件，在工作面選取的支架安裝礦用數字壓力計，連續(xù)記錄工作面開采過程中液壓支架的初撐力和工作阻力，同時使用坡度儀測量支架仰俯角;通過實測數據分析液壓支架的初撐力和循環(huán)末阻力大小的分布頻率以及支架工作特性，并采用采高容重法、實測統(tǒng)計法和傳遞巖梁理論計算工作面支架合理工作阻力，最終結合理論分析得出工作面液壓支架支護參數合理，具有良好的適應性。

大采高 液壓支架 工作阻力 適應性

綜采工作面液壓支架支護參數是否合理直接影響頂板的控制效果，其適應性和可靠性是決定工作面能否實現(xiàn)安全高效生產的關鍵因素之一[1-3]。

察哈素煤礦31301工作面是該礦首采工作面，位于31采區(qū)西部。工作面煤層厚5.03～6.7 m，平均厚6.015 m，工作面長300 m，推進長度2 503 m，設計采高5.6 m，平均埋深為420 m。選用ZY12000/28/63D型掩護式液壓支架，其主要技術參數見表1。

表1 支架主要技術參數

1 工作面礦壓監(jiān)測

為監(jiān)測支架受力及頂板來壓情況，在工作面上、中、下建立3個測站，每個測站包括 2條測線，具體位置分別為44#、45#架；86#、87#架；130#、131#架。在6個支架上分別安裝尤洛卡KBJ-60III-1型礦用數字壓力計，連續(xù)觀測工作面推進0～1 209 m過程中支架的初撐力、工作阻力。

1.1 支架初撐力

作為支架重要性能參數之一的初撐力，其主要作用是減緩頂板的自然下沉，增加頂板的穩(wěn)定性，使支架盡快在恒阻狀態(tài)下工作，在一定程度上決定著支架的運行工況，而且初撐力的大小直接影響到工作面頂板安全性[4-5]。統(tǒng)計分析得到的31301工作面支架初撐力分布見圖1。

圖1 支架初撐力分布

由圖1可知，支架初撐力主要分布在4 001～ 6 333 kN ，占統(tǒng)計循環(huán)數的48%，為額定初撐力的50.5%～80%，沒有出現(xiàn)大于支架額定初撐力的情況，根據工作面作業(yè)規(guī)程的要求，支架初撐力應該達到額定初撐力的80%，即6 333 kN，根據統(tǒng)計結果合格率僅為15%。工作面支架初撐力平均值為 4 407 kN，僅為額定初撐力的55.7%，工作面支架初撐力整體偏低。

1.2 支架循環(huán)末阻力

統(tǒng)計分析得到的31301工作面支架循環(huán)末阻力頻率分布見圖2。

由圖2可知，工作面支架循環(huán)末阻力主要分布在6 001～10 000 kN，占統(tǒng)計循環(huán)數的57%，占支架額定工作阻力的50%～83%，大于支架額定工作阻力的占2%。工作面支架循環(huán)末阻力平均值為7 759 kN，占額定工作阻力的64.7%。

圖2 支架循環(huán)末阻力分布

2 工作面支架工作特性

工作面良好的液壓支架位態(tài)表現(xiàn)出支架的適應性情況，而支架位態(tài)對于頂板穩(wěn)定性的影響受頂梁的仰俯角影響?，F(xiàn)場實測31301工作面上、中、下部的支架頂梁的仰俯角見表2。

表2 支架頂梁仰俯角實測值

注：仰俯角為相對于頂板的夾角; 仰角為正，俯角為負。

根據統(tǒng)計結果可知，頂梁的仰俯范圍在-9°～8°，平均為2°，這樣即使工作面在遇到斷層和采高變化較大時，支架仍保持良好的位態(tài)，可見頂梁基本處于水平狀態(tài)，與頂板的接觸良好，有利于發(fā)揮立柱的支撐作用。

3 工作面支架合理工作阻力計算

3.1 采高容重法

我國一般采用相當于4～8倍采高巖體的質量對支架載荷進行估算，公式如下：

P=(4～8)mγ，

(1)

式中，P為支架支護強度，MPa；m為平均采高，4.6 m；γ為頂板巖石容重，26 kN/m3。

計算得出P=0.478 4～0.956 8 MPa。

3.2 實測統(tǒng)計法

31301工作面直接頂厚3.9 m，平均采高為4.6 m，老頂初次來壓步距實測平均值為44.3 m，根據煤炭部于1996年頒發(fā)的《緩斜煤層工作頂板分類》方案，31301工作面老頂屬于Ⅱ級頂板(0.3

依據原煤炭部制定的國家煤炭行業(yè)標準的綜采工作面支護強度計算公式，Ⅰ～Ⅲ級老頂的額定支護強度下限按下式計算：

P=72.3m+4.5Lp+78.9Bc-10.24N-62.1 ，

(2)

式中,P為支架支護強度，kPa；m為工作面采高，4.6 m；Lp為老頂周期來壓步距，17.1 m；Bc為控頂高度，4.6 m；N為直接頂厚度與采高之比，0.85。

計算得出P=0.702 MPa。

3.3 傳遞巖梁理論

根據宋振騏院士提出的傳遞巖梁理論，為保證支架不被壓死，支架應該能夠承擔基本頂的部分作用力和全部直接頂的作用力，支架支護強度計算公式如下[6]：

(3)

式中,P為支架支護強度，MPa；A為直接頂作用強度，0.24 MPa；mE為基本頂厚度，23.2 m；γE為基本頂容重，22.2 kN/m3；c0為基本頂來壓步距，44.3 m；KT為巖重分配系數，2.5；LK為控頂距，5.54 m。

計算得出P=1.06 MPa。

根據上述3種計算方法得到31301工作面支架合理支護強度應為0.702～1.06 MPa，支架實際平均支護強度為1.29 MPa，能夠滿足大采高工作面頂板控制的要求。

4 工作面支架適應性分析

工作面支架適應性主要體現(xiàn)在工作面支架圍巖關系，以確保對頂板的維護和控制[7]。31301工作面支架初撐力絕大部分小于額定初撐力的80%( 6 333 kN)，初撐力平均值僅為額定初撐力的55.7%(4 407 kN)，工作面支架初撐力整體偏低，其主要原因是支架工升架時不按作業(yè)規(guī)程操作，致使注液時間較短，支架達不到規(guī)定的初撐力，與支架本身的結構參數無關。工作面支架循環(huán)末阻力平均值為7 759 kN，其中大于支架額定工作阻力的比例僅為2%，說明支架額定工作阻力有較大富裕，造成工作面壓架事故的可能性很小。支架頂梁的仰俯角為-9°～8°(平均為2°)，說明支架能夠保持良好的位態(tài)，確保了工作面良好的支架圍巖關系。從對頂板的控制效果看，支架能及時有效地防止端面頂煤與頂板的冒落[8]，經過計算，工作面支架合理支護強度應為0.702～1.06 MPa，支架實際支護強度為1.29 MPa，能夠滿足大采高工作面頂板控制的要求。綜上分析可知，ZY12000/28/63D型掩護式支架在31301大采高綜采工作面具有良好的適應性。

5 結 論

(1)31301工作面支架初撐力整體偏低，通過調整升架時注液時間，支架即可達到額定的初撐力；支架循環(huán)末阻力主平均值為7759kN，占額定工作阻力的64.7%，支架額定工作阻力仍有較大富裕；31301工作面支架頂梁的仰俯范圍在-9°～8°，平均為2°，支架能夠保持良好的位態(tài)。

(2)通過3種計算方法得到31301工作面支架合理支護強度應為0.702～1.06 MPa，實際使用支架平均支護強度為1.29 MPa，能夠滿足大采高工作面頂板控制的要求。

(3)ZY12000/28/63D型掩護式支架的支護參數合理，工作面具有良好的支架圍巖關系，該支架在31301大采高綜采工作面具有較好的適應性。

[1] 崔廷鋒，張東升，范鋼偉，等.淺埋煤層大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支架適應性[J].煤炭科學技術，2011，39(1)：25-28.

[2] 劉長友，曹勝根，方新秋.采場支架圍巖關系及其監(jiān)測控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2003.

[3] 盧 鑫，張東升，范鋼偉，等.厚砂層薄基巖淺埋煤層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[J]. 煤礦安全，2008，39(9)：10-12.

[4] 史元偉.采煤工作面圍巖控制原理和技術[M].北京：中國礦業(yè)大學出版社，2003.

[5] 王俊杰，褚東升.綜采液壓支架初撐力有關問題的探討[J].礦山壓力與頂板管理，2001， 18 (2)：6-8.

[6] 譚云亮，吳士良，尹增德，等.礦山壓力與巖層控制[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2008.

[7] 丁 斌，邢士軍，馬俊鵬，等.超長綜放面礦壓規(guī)律與支架適應性分析[J].礦山壓力與頂板管理，2005，22(4)：99-101.

[8] 劉 奎，劉長友，李德文，等.超長綜放孤島面礦壓規(guī)律及支架適應性研究 [J].采礦與安全工程學報，2007，24(1)：84-87.

2014-12-17)

吳士良(1964—)，男，教授，博士，碩士生導師，266590 山東省青島經濟技術開發(fā)區(qū)前灣港路579號。