復雜條件綜放開采液壓支架初撐力分析及控制對策

劉海平　孟國勝

(1.大同煤礦集團有限責任公司；2.大同煤礦集團有限責任公司塔山煤礦)

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復雜條件綜放開采液壓支架初撐力分析及控制對策

劉海平1孟國勝2

(1.大同煤礦集團有限責任公司；2.大同煤礦集團有限責任公司塔山煤礦)

摘要為了有效解決塔山礦8216綜放面受斷層構造嚴重影響且復雜條件下的液壓支架初撐力不足問題，提升頂板管理水平，利用實測統計分析法總結得出初撐力基本變化規律：發揮程度不理想，合格率中部>頭部>尾部，整體數值前柱大于后柱，后柱初撐力發揮程度不足50%；分析得出，推進慢、斷層構造影響頂煤酥軟超前冒落、工作面平整度差調整困難、推移拉條易變形及人為操作因素是導致初撐力不足的原因，結合實際提出加快推進速度以減少頂煤等壓時間、破碎區注粘結材料、工作面調斜、提升操作水平、合理均勻放煤及改造支架拉條7條控制對策，采取對策后，提高了8216綜放面初撐力合格率，大大提升頂板管理水平，為同類復雜條件下支架初撐力管理提供寶貴經驗。

關鍵詞復雜條件大采高綜放面液壓支架初撐力

塔山煤礦是同煤集團的龍頭礦井，采用先進的大采高綜放技術開采特厚煤層，是現代煤礦的典范。8216工作面是塔山井田二盤區的一個綜放面，由于受口泉大斷裂影響，工作面處于斷層構造帶，地質條件、頂板結構復雜，開采過程中發現8216面存在液壓支架初撐力不足問題，有必要分析原因，提出有效的控制對策，避免頂板事故發生。

18216工作面概況

8216工作面位于塔山井田二盤區中部，傾向長230.5 m，2216巷走向長1 891.5 m,5216巷走向長1 913.2 m。工作面開采C3-5#煤層，煤層結構復雜，厚8.55～24.20 m，平均為13.14 m，煤層中含2～12層夾矸，平均厚1.66 m，夾矸單層厚度為0.05～0.82 m，煤層穩定。

工作面采用綜采放頂煤一次采全高采煤法，ZF15000/27.5/42型低位放頂煤支架。采高為3.7 m，放煤高度為9.44 m，采放比為1∶2.55。循環進度為0.8 m，一刀一放，采用自然跨落法管理頂板。工作面回采受斷層影響較大，地層屬東南高、北西低的單斜構造，兩順槽巷在掘進過程中共揭露了正斷層69條。2216巷748 m處、5216巷782 m處揭露火成巖墻，寬2.1～5.5 m。經探查工作面存在4個受斷層影響的巖石區域，合計面積為13 981 m2。

8216工作面開采主要面臨頂煤破碎嚴重、煤壁片幫嚴重及斷層影響嚴重等問題。工作面切眼有臺階，頭比尾高，落差為13 m，4#～40#基本平整，40#～70#低凹，70#～100#突凸出，100#～134#緩坡。

2初撐力實測分析

利用已配置的液壓支架工作阻力人工觀察監控系統進行初撐力實測[3]，通過對ZBD-60型光控數字綜采支架測壓表觀測，得出初撐力變化情況，按平均5架一個測點測量，134個支架設27個點，由于實際測量過程中部分支架上方頂煤破碎、漏煤嚴重不能硬升支架，所以根據實際選取5#、10#、13#、17#、19#、23#、25#、30#、33#、43#、47#、53#、57#、60#、65#、70#、76#、82#、88#、93#、98#、103#、109#、113#、119#、123#、129#共27個點觀測，按照升架初始，升架后2，10，20，30 min5個不同時間測5組數據，讀數大于規程規定的25 MPa代表合格，對觀測的數據進行比對,得出初撐力的增減變化情況，同時利用卷尺對支架立柱伸縮桿高度進行觀測，以8月21日數據(表1)為例進行分析說明。

MPa

注：+代表增加，-代表降低。對表1數據綜合分析，可得出8216工作面支架初撐力的基本變化規律：

(1)初始時間下，初撐力合格的有5#、17#、30#、53#、57#、60#、65#、70#、76#、82#、88#、93#、129#共13架，合格比例為48%(13/27)，整體偏低。從工作面整體來看，面長方向初撐力有差異，53#～93#即工作面中部初撐力合格率最高，5#～47#即工作面頭部初撐力合格率不高，98#～129#即初撐力工作面尾部初撐力合格率最低，可以看出初撐力合格率中部>頭部>尾部。整體初撐力分布不均勻，34～0 MPa。

(2)整體合格率前柱大于后柱，23#、33#、47#、98#、109#、119#、123#共7架前柱初撐力合格，后柱不合格。工作面整體支架前柱初撐力合格比例為74%(20/27)，后柱初撐力合格比例為48%(13/27)。從同一支架前后柱初撐力比對可以發現，只有57#、60#、65#、70#、88#、93#共6架初撐力前柱比后柱低，其余21架初撐力前柱比后柱高，整體初撐力數值前柱大于后柱。

(3)從不同時間初撐力變化情況來看，變化范圍為-25.9～+5.5 MPa。沒有同一支架初撐力前后柱都增加的情況，都是降低，說明支架處于降阻狀態。從增加的情況來看，共有5#前、17#前、43#前、53#前、93#前、129#前及98#后7個立柱，增加比例為13%(7/54)，偏低，且以前柱增加為多；從下降的情況來看，共有47個立柱，下降比例為87%，偏大，且整體都是下降，下降范圍為-0.1～-25.9 MPa，10#、93#、109#、113#及123#下降量大，都超過-15 MPa，整體來看，下降以小于3 MPa為多，比例為68%(32/47)。中部53#～93#下降量小，大都小于3 MPa，頭部5#～47#下降明顯，尾部98#～129#最明顯，下降量相對最大，從下降幅度來看，尾部>頭部>中部，后柱大于前柱。

對于通過抽象得到的度量和度量單位，低年級的教學最好采用對應的方法，這不僅僅是因為十進制就是對應于人的十指，事實上，通過對應認識和理解事物的數量關系是最原始的，也最有效的方法，古埃及和古巴比倫最初的數學表達都是采用對應的方法，可以在一些圖中發現這個事實[8]．正因為如此，在現代數學語言中，對應是一個不加定義的原始概念．

(4)從支架立柱伸縮桿高度來看，高度整體變化不大，有7根立柱伸縮桿高度降低0.01 m，占比例為13%(7/54)，且降幅不大。

(5)為判斷相鄰支架間初撐力相互影響情況，升相鄰支架觀測本架初撐力變化并比對，還以27個測點為觀測點，如：升33#讀一組數據，之后升34#再讀33#得一組數據，得出變化規律。經分析多次觀測數據可以發現，升鄰架后本架初撐力下降，下降幅度尾部>頭部>中部，后柱大于前柱，中部為0～3 MPa，頭部下降明顯，尾部下降最大，整體后柱下降比前柱明顯。

總體來看，工作面支架初撐力發揮程度不理想，初撐力合格率中部>頭部>尾部，中部好，尾部差。整體初撐力數值前柱大于后柱，后柱初撐力發揮程度不足50%。支架初撐力整體處于降阻狀態，不能滿足工作面頂板控制要求。

3支架初撐力不足原因綜合分析

(1)工作面推進慢是造成初撐力整體不足的主要原因。8216工作面半個月累計推進30.5 m，日平均推進2 m，每班一兩刀，最多移架2次，試生產設備調試開機率低，支架等壓時間長，頂煤與圍巖的變形及應力釋放提前[3]，加大頂煤破碎程度，等壓時間越長頂煤越破碎，支架上方頂煤垮落運移頻繁，支架接頂變化大、不嚴實、不均勻，推進慢導致支架支撐一直處于爛頂破碎區，造成惡性循環，支架接頂狀況差，初撐力發揮不好。

(2)受斷層構造影響，頂煤酥軟頂板破碎、超前冒落是造成支架后柱初撐力小、整架初撐力發揮不好的直接原因。8216工作面兩順槽巷在掘進過程中共揭露了正斷層69條，面長方向4～8條，工作面處于斷層構造帶，結構復雜，層理裂隙發育，頂煤酥碎，頂煤破碎運移范圍大，受采動影響頂煤提前破碎垮落，移架過程中頂煤從支架前、移架空隙及后擺梁擺動空隙提前溜下，升架過程中頂煤從支架間隙溜下，支架頂梁低頭和架前頂煤主動和被動放出，導致支架頂梁接頂點至煤壁距離較大，支架和頂煤接觸狀態為點和線接觸而非較理想的面接觸[4]，支架接頂不充分、不均勻，破碎嚴重區支架難以接頂，初撐力發揮不好。由于斷層造成頂板不完整，隨采隨跨，懸頂的普遍存在加重了對工作面支架的巖重作用，古塘無法形成懸梁，或相對巖梁較小[4]，壓到支架的實際重量小，支架被壓現象不明顯，初撐力難以有效發揮。頂煤破碎，頂煤斷裂冒落線在四柱支架的前后柱之間，導致后柱工作阻力下降明顯。尾部頂煤破碎嚴重，導致尾部初撐力嚴重偏低。頭尾受斷層影響大，導致初撐力發揮中部>頭部>尾部。

(3)工作面平整度差、調整困難是初撐力不均勻的重要原因。切眼有臺階，4#～40#基本平整，40#～70#低凹，70#～100#突凸出，100#～134#緩坡，工作面頂底平整度差，調整困難，支架接頂情況不一，初撐力不均勻，局部初撐力不足。頭尾落差13 m，高差大，尾半部無法見底留底煤，底煤軟，支架頂梁上松散頂煤多，底座下浮煤多，壓力傳遞離散性大，支架不能有效吃力，初撐力發揮困難。

(4)支架自身缺陷影響工作推進，從而影響初撐力發揮。8216工作面采用機廠生產的ZF15000/27.5/42型支架，整體性能不好。該套支架抗側滑性能差，推移拉條易變形，爬坡困難，遇工作面底板不平，特別是低凹段，支架易傾倒，難以正常受壓，支架底座不平易壓拉條，導致推溜困難，清煤及用小油缸推溜時間長，支架等壓長，頂煤破碎溜煤嚴重，支架接頂不好，初撐力發揮不好。

(5)人為操作是初撐力發揮不好的關鍵原因。支架工業務素質低，升架多憑感覺操作，支架剛一接頂后即將操作手把回零，支架未經預緊停留階段，達不到額定初撐力。工作面頂煤破碎嚴重，工人怕溜煤嚴重漏頂及壓溜，不敢硬升支架，只能將相鄰支架頂梁升平，導致頂梁難以嚴實接頂。為減小端面距，防止頂煤端面冒落量大，工作面需多段分組作業二次靠架，多人操作或多架同時操作，使支架立柱供液不均；為防止漏頂，支架推移快，升架及供液時間短，導致初撐力難以達標且不均勻。放煤工技術參次不齊，頂煤破碎放煤難控制，均勻放煤困難，后柱易放空，導致后柱初撐力偏低。

(6)該工作面采用4臺BRW400/31.5DT型乳化液泵，經每天測量，乳化液濃度平均為4.6%，泵站實測壓力為29.8～30.6 MPa，平均為30.2 MPa，基本不影響初撐力發揮。

4提升支架初撐力控制對策

(1)加快工作面推進速度。減少頂煤等壓時間，使頂煤與圍巖的變形、應力釋放時間滯后；減少頂煤運移及松散破碎，減少端面頂板破壞高度及頂板下沉量；加快推進，快速甩掉爛頂破碎區，提高煤壁及頂煤穩定性，進而提高支架接頂均勻性、嚴密性。

(2)對于尾部頂煤破碎區域，可提前注粘結材料，提高頂煤整體性，采用調斜方式快速推進頂煤破碎區域，保證支架接頂嚴實；減少采煤機的一次進刀量，淺截快跑，提高截割速度，縮短生產循環時間[3]，減少頂板暴露面積和時間，有效控制端面破碎，使頂板壓力顯現均衡，提高支架接頂效果。

(3)提高操作水平，保證升架時間。加強培訓，提高支架工及放煤工技能，正確操作支架。在移架升柱后，不要立即把升柱手把打回零位，保證供液時間，放煤工及推溜工復升支架，追機移架，加快支護速度，提高初撐力；采用帶壓擦頂移架，操作手把延時回零，發揮好支架前梁千斤頂，保持支架頂梁處于近水平狀態，梁端略高于梁尾，防止向煤壁竄矸，提高煤壁及頂板完整性。

(4)加強現場管理，嚴格驗收考核。加大工作面“三直兩平兩暢通”及初撐力的驗收，細化驗收標準，量化考核內容，通過合理控制采高、放煤均勻性及合理調斜，實現采放高標準融合，提高支架初撐力管理水平。

(5)根據實際及時調整放煤工藝，做到合理均勻放煤。頂煤穩定時，一采一放，頂板破碎時兩采一放，甚至三采一放，嚴格執行見矸關窗放煤原則，必須按順序均勻放煤及補放，嚴禁單點多放、單段過量放煤，控制每刀的放煤量，保證放煤均勻性；采用“采空區留條形間隔煤垛”技術，在工作面面長方向頂板壓力重點區域實施采空區留煤垛，即割煤1～2刀間隔10個支架不放煤，相鄰10個支架正常放煤，以此提高采空區充填率，減少頂板下沉量，防止支架后柱放空，提高支架初撐力。

(6)改進設備配套性能。對支架推移框架及拉條進行改造，滿足工作面推溜及調整要求。

(7)提高立柱供液壓力，保證供液系統穩定[5]。加強檢修力度，減少液壓系統的跑、冒、滴、漏、竄問題；及時更換乳化油、清洗液箱，確保乳化液質量；縮小泵站與工作面距離，整理供液管路，保證平直，減少壓力損失；泵站系統可加設增壓設備，嘗試推移千斤頂增壓，改良乳化液泵設計，提高泵站供液能力。

5結論

通過實測8216工作面支架初撐力，得出復雜條件下初撐力的5點變化規律，分析6點初撐力不足原因，結合實際得出7條有效控制對策。采取有效控制對策后，8216工作面初撐力合格率明顯提高，據實測統計可達92%，頂板管理水平大大提升，有效遏制了頂板事故發生。同時，為塔山礦二盤區斷層影響復雜條件工作面初撐力及頂板管理提供可借鑒經驗。

參考文獻

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(收稿日期2015-11-10)

劉海平(1970—)，男，副總工程師，高級工程師，037003 山西省大同市。