綜放工作面支架工作阻力及適應(yīng)性分析研究

曾得國(guó)(國(guó)家能源集團(tuán)神東保德煤礦， 山西 保德 036600)

1 前言

液壓支架作為綜合機(jī)械化采煤工藝中最重要的頂板支撐裝備，其工作阻力與頂板的適應(yīng)性對(duì)控制采煤工作面礦山壓力舉足輕重。

支架合理的支護(hù)強(qiáng)度要能平衡回采工作面頂板壓力，除保證支架架型良好、部件不折損等要求外，最主要的支護(hù)目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)回采工作面頂板處于良好控制狀態(tài)[1-2]。

2 保德煤礦81306工作面概況

81306工作面煤層厚度呈北厚南薄之趨勢(shì)，回撤段較厚約10.39m，切眼段較薄約4.85m，平均厚度6.83m，傾角3°～7°，平均4°，埋深337～384m。工作面所采煤層為二疊紀(jì)煤層，煤層總體近南北走向，呈向西傾斜的單斜構(gòu)造。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，夾矸4～5層，巖性為泥巖及炭質(zhì)泥巖，單層夾矸最大厚度0.7m。煤層及頂板裂隙較為發(fā)育，在煤層起伏變化處發(fā)育強(qiáng)烈，造成頂板破碎冒落。工作面開切眼至1 635m處回采段發(fā)育有古河流沖刷帶，沖刷帶巖性為灰白色含礫粗粒花崗巖，最大下切深度為1.8m，推進(jìn)至此處時(shí)，煤層變薄，頂板較為破碎。

81306工作面位于8#煤層三盤區(qū)，工作面長(zhǎng)度為240m，推進(jìn)長(zhǎng)度2 696.4m，一側(cè)采空。81306工作面位于二號(hào)主輔大巷以南，工作面采用三巷布置：其中下巷為81306膠運(yùn)順槽(寬×高：5.0×3.8m)，布置有轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、移動(dòng)變電站、泵站、電氣列車、順槽皮帶機(jī)，布置方式為機(jī)軌合一，承擔(dān)著運(yùn)煤、進(jìn)風(fēng)和行人任務(wù)。上巷采用兩巷布置：81306一號(hào)回風(fēng)順槽(4.5m×3.6m)承擔(dān)著運(yùn)料、行人及工作面回風(fēng)任務(wù)；81306二號(hào)回風(fēng)順槽(4.5m×3.6m)承擔(dān)工作面回風(fēng)、采空區(qū)瓦斯排放任務(wù)。工作面布置如圖1所示。

圖1 81306工作面巷道布置圖

綜采工作面使用的支架為平頂山煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司生產(chǎn)的ZFY12500/25/39D放頂煤電液控支架支護(hù)，具體參數(shù)見表1。

表1 ZFY12500/25/39D液壓支架技術(shù)特征表

3 頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律及支架工作阻力分析

3.1 礦壓觀測(cè)方案

頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律主要以工作面支架工作阻力的周期性變化和工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律作為判別的標(biāo)準(zhǔn)[3-4]。三盤區(qū)已采81306工作面共布置141臺(tái)(基本支架129臺(tái))支架，統(tǒng)計(jì)了工作面上部、中部和下部的25#、50#、70#、90#、120#5個(gè)支架的工作阻力，其中上部1個(gè)測(cè)站、中部3個(gè)測(cè)站和下部1個(gè)測(cè)站。在工作面正常推進(jìn)的441.6～564.0m過(guò)程中，分析它們的變化。

3.2 頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律

周期來(lái)壓是指當(dāng)采煤工作面繼續(xù)推進(jìn)，基本頂懸露的跨度達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)，基本頂在其自重及上覆巖層載荷的作用下，將沿煤壁甚至在煤壁內(nèi)發(fā)生折斷和垮落，隨工作面的推進(jìn)這種垮落現(xiàn)象周而復(fù)始的出現(xiàn)。周期來(lái)壓步距c是由來(lái)壓持續(xù)步距a(也稱顯著運(yùn)動(dòng)步距)和非來(lái)壓持續(xù)b(也稱相對(duì)穩(wěn)定步距步距)組成，即c=a+b。

正常推進(jìn)階段頂板運(yùn)動(dòng)步距統(tǒng)計(jì)信息見表2。由表2可知，在工作面正常推進(jìn)(441.6～564.0m)約122.4m過(guò)程中，81306工作面上部(機(jī)頭)經(jīng)歷了8次周期來(lái)壓，中部工作面經(jīng)歷了8～9次周期來(lái)壓，下部(機(jī)尾)工作面經(jīng)歷了8次周期來(lái)壓。

工作面頂板周期來(lái)壓統(tǒng)計(jì)見表3，由表3可知，5個(gè)重點(diǎn)支架來(lái)壓持續(xù)步距平均值a=4.2～7.8m，a=0.42c。工作面持續(xù)來(lái)壓時(shí)間較長(zhǎng)。90#支架處顯著運(yùn)動(dòng)步距最大7.8m；70#支架處顯著運(yùn)動(dòng)步距較大6.7m，25#支架處顯著運(yùn)動(dòng)步距最小4.2 m。頂板非來(lái)壓持續(xù)步距步距平均值b=8.3m，90#支架處相對(duì)穩(wěn)定步距平均值最小7.1m，25#支架處相對(duì)穩(wěn)定步距平均值最大9.9m。

5個(gè)重點(diǎn)支架頂板的周期來(lái)壓步距平均值c=13.2～14.9m，各重點(diǎn)支架周期來(lái)壓平均值相差不大。50#支架周期來(lái)壓步距變化范圍上限最小16.0m，90#支架周期來(lái)壓步距變化范圍上限最大24.0m；50#支架周期來(lái)壓步距平均值最小13.2m，90#支架處周期來(lái)壓步距平均值最大14.9m。

3.3 支架工作阻力及其分布

支架循環(huán)末阻力是支架工作阻力是否滿足控頂要求的主要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)[5-6]。支架循環(huán)末工作阻力統(tǒng)計(jì)見表4，從表中看出，基本頂周期來(lái)壓時(shí)，工作面5個(gè)重點(diǎn)支架來(lái)壓持續(xù)期間內(nèi)，支架平均值均未超出支架額定工作阻力；統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)，工作面50#支架推進(jìn)到453.2m處時(shí)，最大工作阻力12 472kN。支架工作阻力能整體能夠滿足現(xiàn)階段周期來(lái)壓對(duì)頂板壓力控制的要求。

3.4 支架動(dòng)載系數(shù)

頂板運(yùn)動(dòng)引起了支架工作阻力及其變化，可以用來(lái)壓前和來(lái)壓時(shí)支架上的頂板壓力差異來(lái)描述頂板運(yùn)動(dòng)對(duì)支架工作阻力的影響[7-8]。動(dòng)載系數(shù)Kd=來(lái)壓時(shí)支架工作阻力/來(lái)壓前支架工作阻力。

表2 保德礦81306工作面正常推進(jìn)階段頂板來(lái)壓步距

表3 保德礦81306工作面頂板周期來(lái)壓步距統(tǒng)計(jì)

表4 保德礦81306工作面支架循環(huán)末工作阻力統(tǒng)計(jì)

以整架工作阻力衡量支架動(dòng)載系數(shù)，工作面正常推進(jìn)階段，5個(gè)重點(diǎn)部位支架動(dòng)載系數(shù)均值1.28，120#支架動(dòng)載系數(shù)較大為1.32，90#動(dòng)載系數(shù)較小為1.22。工作面屬周期來(lái)壓明顯工作面。具體情況見表5。

4 采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)特征

4.1 支架受力

工作面正常推進(jìn)階段(441.6～564.0m)工作面礦壓實(shí)測(cè)工作阻力及其變化曲線如圖2至圖4所示。

通過(guò)分析工作面正常推進(jìn)階段上部、中部和下部3個(gè)支架工作阻力壓力顯現(xiàn)，可以明顯看出：工作面在正常推進(jìn)階段(441.6～564.0m)過(guò)程中，記錄的支架循環(huán)末阻力均值都未超過(guò)額定工作阻力(12 500kN)，來(lái)壓時(shí)3個(gè)重點(diǎn)支架的循環(huán)末阻力均值11 399kN，占額定工作阻力的91.2%，此時(shí)支架處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)。工作面來(lái)壓時(shí)，各支架分別出現(xiàn)8～9次壓力峰值，預(yù)示著頂板出現(xiàn)有規(guī)律的多次運(yùn)動(dòng)斷裂冒落，最大工作阻力出現(xiàn)在70#支架，工作面推進(jìn)到528.9m處時(shí)，最大工作阻力12 482kN。頂板運(yùn)動(dòng)引起的支架壓力顯現(xiàn)是有規(guī)律的，礦壓顯現(xiàn)是明顯的。

表5 保德礦81306工作面正常推進(jìn)階段支架動(dòng)載系數(shù)Kd統(tǒng)計(jì)

圖2 25#支架實(shí)測(cè)工作阻力及其變化曲線圖

圖3 70#支架實(shí)測(cè)工作阻力及其變化曲線圖

圖4 120#支架實(shí)測(cè)工作阻力及其變化曲線圖

4.2 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

工作面礦山壓力顯現(xiàn)的主要形式：頂板下沉、支架變形與折損、頂板破碎或大面積冒落、煤壁片幫、支柱插入底板、底板膨脹鼓起等。

三盤區(qū)已采81306工作面采用放頂煤開采，采用平煤機(jī)ZFY12500/25/39D兩柱掩護(hù)式放頂煤支架。工作面在來(lái)壓時(shí)礦壓顯現(xiàn)不明顯，支架活柱下縮量200～260mm，工作面煤壁片幫值一般400～500mm，工作面中部50#～90#支架來(lái)壓時(shí)壓力較大。

5 工作面頂板控制效果

頂板控制“好”標(biāo)準(zhǔn)，就是在現(xiàn)有的技術(shù)和裝備水平下，能最大限度地消除回采工作面頂板事故隱患，保證頂板處于良好狀態(tài)(保持頂?shù)装逡平俊㈨敯迮_(tái)階下沉量、端面、冒高、煤壁片幫等頂板參數(shù)在一定限度之內(nèi))并能滿足采煤工藝和參數(shù)要求。

頂板控制效果主要包括兩個(gè)方面的參數(shù)，第一是支架支護(hù)參數(shù)，如初撐力、工作阻力和支護(hù)強(qiáng)度；有支護(hù)的護(hù)頂功能參數(shù)，例如對(duì)頂梁前梁的支護(hù)力，煤壁護(hù)幫能力等；支架的橫向及縱向參數(shù)，例如兩個(gè)方向的偏斜角度等。第二是頂板狀態(tài)參數(shù)，有頂?shù)装逡平俊⒍嗣婷案摺⑴_(tái)階下沉等。

根據(jù)上述要求，觀測(cè)保德礦三盤區(qū)已采81306工作面支架的工況：

(1)支架“支頂”功能：支架工作阻力和支護(hù)強(qiáng)度已經(jīng)基本充分發(fā)揮。由統(tǒng)計(jì)可知，來(lái)壓時(shí)支架工作阻力平均11 399kN，約占支架額定工作阻力12 500kN的91.2%。其中工作面中部50#～90#支架來(lái)壓時(shí)基本處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)，即來(lái)壓時(shí)支架循環(huán)末阻力均值占額定工作阻力的91.1%～94.2%。來(lái)壓時(shí)支架在額定工作阻力峰值處卸壓，基本實(shí)現(xiàn)恒阻工作狀態(tài)。

(2)支架“護(hù)頂”功能：支架護(hù)頂護(hù)幫能力滿足維護(hù)端面頂板維護(hù)和煤壁正常控制的要求。設(shè)計(jì)支架采用整體頂梁，支架采用二級(jí)護(hù)幫結(jié)構(gòu)。來(lái)壓時(shí)支架活柱下縮量200～260mm，工作面煤壁片幫值一般為400～500mm，工作面中部50#～90#支架來(lái)壓時(shí)壓力較大。

(3)支架縱橫向穩(wěn)定性：使用過(guò)程中，基本沒有發(fā)生過(guò)支架縱向和橫向傾斜歪倒等明顯的支架失穩(wěn)現(xiàn)象。

6 結(jié)論

(1)頂板的周期來(lái)壓步距平均值c=13.2～14.9m/14.2m，各重點(diǎn)支架周期來(lái)壓平均值相差不大。基本頂周期來(lái)壓時(shí)，工作面5個(gè)重點(diǎn)支架來(lái)壓持續(xù)期間內(nèi)，支架平均值均未超出支架額定工作阻力，5個(gè)重點(diǎn)部位支架動(dòng)載系數(shù)均值1.28，120#支架動(dòng)載系數(shù)較大為1.32，90#動(dòng)載系數(shù)較小為1.22。說(shuō)明工作面屬周期來(lái)壓明顯工作面。

(2)工作面整體周期來(lái)壓時(shí)支架工作阻力平均11 399kN，約占支架額定工作阻力12 500kN的91.2%。說(shuō)明工作面屬持續(xù)來(lái)壓時(shí)間較長(zhǎng)工作面。

(3)90#支架處顯著運(yùn)動(dòng)步距最大為7.8m，中部50#～90#支架來(lái)壓時(shí)基本處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)，支架循環(huán)末阻力均值占額定工作阻力的91.1%～94.2%。來(lái)壓時(shí)支架活柱下縮量200～260mm/252mm，工作面煤壁片幫值一般為400～500mm，工作面中部50#～90#支架來(lái)壓時(shí)壓力較大。說(shuō)明工作面屬于礦壓顯現(xiàn)較強(qiáng)烈工作面。

(4)來(lái)壓時(shí)支架在額定工作阻力峰值處卸壓，基本實(shí)現(xiàn)恒阻工作狀態(tài)，說(shuō)明支架“支頂”功能已經(jīng)基本充分發(fā)揮。

(5)從支架的適應(yīng)性分析，使用過(guò)程中，基本沒有發(fā)生過(guò)支架縱向和橫向傾斜歪倒等明顯的支架失穩(wěn)現(xiàn)象，支架縱橫向穩(wěn)定性較好，說(shuō)明支架支護(hù)能滿足該工作面支護(hù)要求。