綜放工作面周期來壓期間液壓支架壓死現象分析

劉宏學，息金波

（冀中能源張礦集團，內蒙古 鄂爾多斯 014300）

綜放工作面周期來壓期間液壓支架壓死現象分析

劉宏學，息金波

（冀中能源張礦集團，內蒙古 鄂爾多斯 014300）

對宣東煤礦綜放工作面回采時周期來壓使液壓支架壓死及柱窩開裂的現象進行了研究。經過理論計算和現場試驗發現，通過提高支架的工作阻力、改進采煤工藝方法可以防止液壓支架再次出現事故，為綜采放頂煤提供了新經驗。

綜放工作面；周期來壓；液壓支架

宣東煤礦含煤地層為石炭系上統太原組。可采煤層為4號和6號煤層，4號煤層零星可采，6號煤層為主采煤層，煤層的埋深230m，該組地層平均厚度為68.66m，煤層總厚度平均為7.43m。6號煤層位于太原組下部，結構極復雜，含夾矸4層，煤層頂板巖性為砂質泥巖及炭質泥巖，底板巖性為泥巖、砂質泥巖、夾矸巖性砂質泥巖及炭質泥巖。按頂底板穩定類型確定為較穩定煤層。首采面屬于北部采區第一個綜放工作面，走向長1980 m，工作面長度185m。回采工藝為一采一放，采高3.0m，放頂煤厚度為3～4m，采放比1：1.4。初期回采過程中在周期來壓時，有時會出現壓死支架及柱窩開裂的現象。為解決這一問題，對液壓支架的受力、周期來壓等積累經驗。

1 綜放面支架及支架被壓死情況簡介

工作面使用ZFG8000/22/35H型放頂煤液壓端頭支架和ZFS7200/22/35型放頂煤液壓中間支架，支架的工作阻力7200kN。從2007年7月20日推進到9月10日期間，共推進200m，日推進度5.3 m，周期來壓10次，其中20～29號支架2次出現不同程度的壓死現象，50～60號支架柱窩開裂。9月9日綜放工作面推進到936m時周期來壓，支架出現大面積壓死現象，93～96號、84～87號、72～69號、46～58號支架出現煤壁切落現象。一架后柱窩焊縫全部開裂，柱窩上移，柱窩本體沒有出現碎裂現象。當采取了相應措施后，支架離開壓力區向前推移。

2 放頂煤開采的礦壓顯現規律分析

本工作面煤層結構為復合煤層，夾矸為2～8層，厚度0.2～2.6m，夾矸多為泥巖，煤層最小厚度4.2m，最大厚度12.4m，平均厚度7.8m。根據礦壓規律可知，煤層直接頂為不穩定類型，屬于1類；經觀測周期來壓步距為18.5m，初次來壓步距為32～37 m左右，老頂礦壓顯現為Ⅱ級。該頂板為1類Ⅱ級頂板。鑒于宣東礦區的煤層地質條件，結合采用的綜采放頂煤開采技術，支架的受力狀態與單一煤層和分層開采將有很大區別。因此，綜采支架的工作阻力的確定與單一煤層和分層開采也不相同。單一煤層開采時，支架上方的直接頂是巖層，它與支架接觸的剛度大，因此支架一般都要受到老頂周期性垮落時的動壓影響。當老頂斷裂時，支架及煤壁有可能作為支點而承受較大的壓力。放頂煤開采，特別是低位放煤采用支撐掩護式放頂煤支架，支架上方的頂煤成為事實上的直接頂。通過它一方面要傳遞巖石直接頂和老頂的壓力，同時它又被當作資源進行回收，在工作面后方的采空區不會形成較高的墊層。在直接頂初次放頂和老頂的初次來壓和周期來壓時，所形成的支承壓力有利于頂煤的破碎，而破碎的頂煤向采空區一側垮落和并被回收，支承壓力得到釋放。因此，由于頂煤的緩沖和支承壓力的釋放，老頂斷裂時短暫的支承壓力，并不對支架構成威脅，而僅僅是引起煤壁和頂煤的失穩。其原因是：在支架——頂煤——直接頂——老頂四者構成的圍巖相互作用的力學系統中，頂煤的強度最低。由于采用放頂煤綜采，頂煤破壞失穩也是我們所期望的，而在正常工作面的推進過程中，老頂和直接頂的運動對支架受載影響均較小。在支架通過老頂初次來壓和周期來壓時，由于支架后方采空區的空間較大，頂煤被放出運走，而直接頂的垮落部分有可能對采空區不能形成比較充分地充填，或者說不能形成一個高于支架一定高度的巖石墊層厚度，這樣在支架通過斷裂線時勢必會作為斷裂頂板的一個支點，此時的頂板相當于架在支架與采空區后方某一支點的簡支板或簡支梁。此時放煤，支點也跟隨下沉，給支架以較大的載荷。如果支架的阻力不足而支點的下沉量較大，支架就有可能被壓死或造成結構損壞。因此，在確定放頂煤支架工作阻力時，這是需要特別考慮的支架受載和礦壓顯現的現象。從宣東礦的礦壓觀測看，這種現象是存在的，其礦壓顯現最明顯的特征就是出現支架立柱快速回縮甚至壓死的現象，和由于頂板在煤壁前方斷裂形成較大的支承壓力從而造成煤壁的中部外凸和片幫的現象。長壁開采必將存在初次來壓和周期來壓，每個煤層、每個工作面不會相同的，地質條件的變化會導致其差異很大。因此，必須認真對待出現的來壓現象，充分認識到：由于煤層賦存條件的變化，可能會導致某次的來壓（不絕對的是初次來壓）劇烈、迅猛。

3 支架工作阻力的合理性分析

如何評價液壓支架的工作阻力的合理性，關鍵是“使用的評價標準”，通過實際觀測支架工作阻力進行分析，是比較客觀和適用的。液壓支架工作特性曲線圖，見圖1。

圖1中，采煤一個循環時間為T=t0+t1+t2+t3，其中t2是支柱安全閥開啟時間，通常用支柱安全閥開啟率μ=t2/T循環來評價標支架工作阻力的合理性。一般來講μ值不應大于30%。支柱安全閥開啟率μ值過大，說明支架的工作阻力偏小，支柱的安全閥長期處在開啟狀態是不合適的，既不利于控制頂板，也不利于支架結構件的保護。宣東綜放工作面在一般情況下，安全閥開啟在正常值范圍內，當周期來壓時有部分支架安全閥開啟μ值超過了30%。

圖1 液壓支架工作特性曲線圖

從上述分析可得出初步結論：正常開采過程中，礦壓顯現不很明顯，該支架工作阻力為7200kN，支護強度為0.96～1.02Mpa，工作阻力是合理的；當初次壓或周期來壓礦壓顯現明顯時，7200kN工作阻力顯得不足。適當提高工作阻力是有利的。但是周期來壓時，采取一定的技術措施也可避免支架造成損壞，7200kN的工作阻力也是可行的。

4 解決方案和經驗總結

一要適當提高支架的工作阻力，由7200kN提高到7600kN，即安全閥的屈服壓力由36.7MPa提高到38.7MPa。主要結構件的安全系數仍可保持在1.2以上。該項工作可以在安全閥調試階段進行。二要加強工作面的現場管理。在“三平兩直兩暢通”的管理基礎上，嚴格控制支架的采高，在3 m到3.3 m之間，防止由于采高過低，在礦壓顯現強烈時安全閥卸載立柱下縮的時間過短，小于支架一個步距的推移時間而被壓死立柱，造成支架的嚴重損壞。三要保證泵站的壓力足夠（不小于30MPa），把初撐力打足，防止頂煤及直接頂的離層，這對頂板的控制是有利的。四要加強和完善已進行的礦壓觀測，充分利用液壓支柱壓力觀測數據進行來壓預測預報工作，可以做到提前3～5個循環，預報出工作面具體來壓部位（工作面上部、中部、下部），為采取有效措施提供可靠依據。五要支架通過老頂斷裂線時，要解決由于載荷過大而損壞支架的問題，采取改進采煤工藝方法是行之有效的措施。當支架通過老頂斷裂線時，要不放煤或少放煤，加快推進速度，以防止老頂垮落形成對支架的沖擊損壞。判斷頂板斷裂線的位置，主要依據礦壓觀測和經驗。一般情況下，在接近老頂斷裂時，礦壓顯現比較劇烈。此時支架阻力明顯增大，頂煤比較破碎且放煤容易，煤壁片幫、外凸等。當支架通過斷裂線后，這些礦壓顯現情況會明顯減輕或消失。（6）以上分析和采取的措施，經過努力，確保了支架在井下綜放工作的正常使用，可節約資金53.647萬元，回采煤炭246.86萬t，也沒有出現支架被壓死和柱窩開裂等情況。

〔1〕姜福興,王同旭，等.礦山壓力與巖層控制[M].北京:煤炭工業出版社,2004.

〔2〕佟向陽，趙西祥.液壓支架支撐效果與頂板管理[J].礦山壓力與頂板管理，1994（2）:33-35.

〔3〕任保明，耿獻文.唐陽煤礦綜放支架選型與應用[J].礦山機械,2005（8）:11-12.

Abstract:We studied the hydraulic support pushing down and socket fracture during cyclic weighting in the fully-mechanized caving face of Xuandong mine.After the theoretical calculation and field tests,the study shows that hydraulic support accidents can be prevented by increasing the support working resistances and improving the mining techniques.

Keywords:fully-mechanized caving face;cyclic weighting;hydraulic support

編輯：劉新光

Analysis on Hydraulic Support Pushing Down of Fully-mechanized Caving Face during the Cyclic Weighting

LIU Hong-xue,XI Jin-bo
（Zhangkuang group,Jizhong energy group Co.,Ltd,Erdos City Inner Mongolia 014300,China）

TD322

A

1672-5050（2010）04-0045-03

2009-11-20

劉宏學（1970—），男，山東濟南人，大學本科，工程師，從事煤礦采掘技術工作。