三軟煤層大采高工作面液壓支架適應性分析

鄒衛忠

(山西煤炭運銷集團 宏安煤業有限公司,太原 030303)

三軟煤層大采高工作面相比于普通工作面,其頂底板強度和煤體強度較低,在開采過程中易出現頂板失穩、煤壁片幫、支護體系失效等現象,尤其是隨著采高的增加,受礦壓和開采擾動更明顯。支架作為采場的主要支護設備,是否滿足采場支護要求是確保煤炭安全回采的關鍵,盡管在開采前已經從理論上對支架適應性進行了計算和分析,但在開采實踐中卻經常會遇到支架支護不良現象,導致安全事故的發生[1]。梨園礦21010工作面是礦井開采的首個綜采工作面,開采煤層為山西組二1煤層,煤層均厚3.6 m,屬于典型的三軟厚煤層工作面,根據理論分析和借鑒相鄰礦井經驗,選用ZY4000-17/37型液壓支架進行采場支護。為了更好地掌握該型支架現場支護效果,對ZY400-17/37型液壓支架在三軟煤層大采高工作面的適應性進行研究,以期為后續工作面開采提供設備選型經驗。

1 工程概況

21010工作面位于礦井東一采區南部,工作面東部和南部為原地方私營小窯開采形成的采空區,西部為3條下山巷道,北部為正在掘進施工的21020工作面回風巷。工作面所采煤層為山西組二1煤層,煤層埋深580 m～620 m,平均595 m,煤層厚3.2 m～3.8 m,平均3.5 m,煤層傾角0°～12°,平均7.6°,煤層堅固性系數約0.18,煤體質軟易碎。工作面設計走向長度和傾斜長度分別為962 m和120 m;偽頂為均厚0.15 m的炭質泥巖;直接頂為深灰色泥巖,節理裂隙發育;基本頂為灰黑色粉砂巖,偶見白云母片;直接底為灰色泥巖-砂質泥巖,遇水膨脹;基本頂為灰白色粗粒砂巖,致密堅硬。工作面采用“一進一回”式通風方式,兩巷采用U36型鋼棚支護,采場共布置ZY400-17/37型支架80臺。

2 支架選型理論計算

為了掌握21010工作面采場頂板支護所需阻力情況,采用類比法和頂板來壓時頂板載荷法來對采場所需阻力進行理論計算[2]。

2.1 類比法

采用工作面頂板延米阻力計算采場所需支護阻力,經驗公式:

Rh=(410M+49Lf+460R-1660)×L.

(1)

式中:Rh為工作面采場頂板延米支護所需阻力,kN/架;Lf為工作面初次來壓步距,根據相鄰礦井開采經驗,取18.5 m;R為支架最大控頂距,取4.3 m;M為工作面采高,取3.6 m;L為支架中心距,取1.5 m。

將上述各參數帶入公式(1),計算可得Rh=3 990 kN/架<4 000 kN/架。

2.2 頂板來壓時頂板載荷法

根據工作面巖性分析每臺支架在頂板來壓時的頂板載荷值來估算采場所需支護阻力,經驗公式:

Q=KMFγ×9.8 .

(2)

式中:Q為采場頂板載荷,kN/架;K為巖石厚度系數,一般取5～8,根據21010工作面情況,取值6;M為工作面最大采高,3.7 m;F為支架頂梁面積,5.35 m2;γ為頂板巖石平均容重,取2.5 t/m3。

將上述參數代入公式(2),計算可得Q=2 910 kN<4 000 kN。

由上述兩種方法計算21010工作面頂板支護所需阻力分別為3 990 kN和2 910 kN,均低于ZY4000-17/37型支架額定工作阻力,故理論認為該型支架能夠滿足現場支護需求。

3 支架現場支護分析

3.1 方案的確定

為了掌握21010工作面支架適應性,必須對回采期間支架的支護狀態進行觀測,具體方案是將工作面等間距劃分3個測區,每個測區選2臺支架作為觀測對象,在支架上安裝壓力監測儀對支架工作阻力實時進行記錄。同時,結合采場現場情況,確定3#、13#、27#、40#、54#、67#和78#支架作為研究對象，所測支架工作阻力特征參數如表1所示。將壓力監測儀所記錄的數據進行采集、匯總和分析,掌握支架的初撐力、最大工作阻力、平均工作阻力等變化情況,并輔以觀測支架活柱下縮量、安全閥開啟情況、煤壁片幫情況等來評判支架適應性[3-4]。

表1 21010工作面所測支架工作阻力特征參數Table 1 Characteristic parameters of working resistance measured in No.21010 working face

3.2 適應性分析

由支架工作阻力監測儀所記錄的數據可知,工作面平均工作阻力2 395 kN,為額定工作阻力(4 000 kN)的59.9%,平均初撐力1 529 kN,為額定初撐力的(3 090 kN)的49.4%。根據統計數據還可知道,支架工作阻力主要分布在2 000 kN～3 000 kN范圍內,約占統計數的42.3%,分布在1 000 kN～2 000 kN范圍內,約占25.6%,分布在3 000 kN～4 000 kN范圍內約占21.7%,超出4 000 kN的占0.1%,不足1 000 kN的占10.3%。觀測期間對煤壁片幫和支架頂梁端頭頂板冒漏情況進行統計分析,顯示煤壁片幫隨工作面推進始終伴隨,但在頂板來壓期間顯著加劇,來壓期間煤壁片幫率約為36%,片幫平均規格4.2 m×0.5 m×0.4 m(長×高×深),端頭頂板冒漏不明顯,遇構造帶時偶見冒漏。觀測期間,安全閥開啟現象極少見,非來壓和來壓期間,支架活柱下縮量平均分別為4.5 mm和6.7 mm,整體下縮量不大。由此可知,所測支架整體支護阻力并不高,支架能夠滿足現場支護需求,鑒于其初撐力普遍較低,為確保頂板穩定和降低煤壁片幫,應有意識地提高支架初撐力。

4 結束語

研究支架適應性是確保頂板保持有效支護,工作面安全高效回采的關鍵。21010工作面屬于典型三軟煤層厚煤層工作面,其頂板條件較差,煤壁更易片幫,故對支架要求較高,通過理論計算和現場應用分析,認為ZY4000-17/37型支架能夠滿足現場支護需求,支架選型較為合理,但鑒于支架初撐力普遍較低和工作面片幫嚴重,頂板處于弱支護狀態,不利于維護頂板和煤壁,故應有意識地提高支架初撐力,尤其是頂板來壓時,要確保支架工作狀態良好,才能有效預防頂板事故的發生。