高頭窯煤礦多役支架支護性能分析與評估

吳士良，李亞春，陳永強，李 亮

(1.山東科技大學 礦業與安全工程學院，山東 青島 266590；2.中國礦業大學(北京) 能源與礦業學院，北京100083)

工作面的合理支護是安全高效生產的首要任務[1-2]。液壓支架是煤礦開采中極為重要的設備[3-8]，耗費資金占綜采工作面總設備費用的70%以上。液壓支架自出廠投入使用可循環次數達30 000次以上，由于井下工作環境相對惡劣[9-11]、支架工操作水平不一和支架維護不到位等因素會加速液壓支架的老化，減少可循環次數，造成不利影響。昂貴的液壓支架購置費使得煤炭企業傾向同一批支架盡量服務足夠多的工作面，支架性能衰弱后仍然繼續使用。將服役若干個工作面性能下降的支架定義為多次服役支架，簡稱多役支架。若多役支架不能完成控頂任務，則會對安全生產產生極大威脅。

針對液壓支架與圍巖的支護能力和控制效果問題，國內學者進行了大量研究, 何富連等[12]建立了支架-圍巖系統失穩事故樹，通過三角模糊函數求出頂板事件模糊概率，確定了支架與圍巖系統失穩的主要因素。王國法等[13]從圍巖的運移規律出發，建立支架與圍巖關系耦合模型，將工作面圍巖與支架作為一個整體力學系統考慮，進行支架結構和參數的三維動態設計，實現了液壓支架結構參數與特定圍巖條件的最佳匹配。杜毅博等[14-15]基于支架與圍巖剛度耦合、強度耦合和穩定性耦合關系，提出了基于模糊方法的支架適應性評價方法，對特定的液壓支架結構及參數是否適應某一圍巖條件做出評判。研究主要針對支架與圍巖系統的影響因素和液壓支架適應性評價方法，但鮮有對多次服役的支架進行支護性能的分析與評估。在評價多次服役液壓支架性能、決定是否更換新支架方面，煤礦多是采用現場技術人員經驗判斷，缺少科學性。因此，探討科學的評估多役支架支護性能的方法極為重要，關乎采煤工作面的安全高產高效和經濟效益。

1 工作面情況

現采工作面為103工作面，該工作面煤層埋深200 m，煤厚3.65～5.55 m，平均采高為4 m，硬度系數f=0.34～0.53，硬度小，傾角小于3°，3-1煤層頂、底板巖石主要為砂質泥巖及泥巖，局部為粗砂巖及細砂巖，表1為103工作面巖層特征表。103工作面液壓支架采用雙柱掩護式ZY10500/26/55D液壓支架，支架初撐力7 913 kN，工作阻力10 500 kN，該批支架已服務生產101、102和104工作面，目前服役103工作面開采工作，服役年數已第5年，計劃103回采完成后，馬上對同煤層新開105工作面進行開采。在103工作面開采期間，支架故障率提高、立柱更換頻繁、來壓時安全閥開啟率高和煤壁片幫較為明顯等不利因素都給安全開采帶來了隱患，所以急需多役支架支護性能分析與評估。

表1 103工作面巖層特征Tab. 1 Roof characteristics of j506 borehole in 103 working face

2 高頭窯煤礦多役支架支護阻力性能分析及評估

2.1 礦壓大數據監測方案

2.1.1 監測內容

對高頭窯煤礦103綜采工作面進行礦壓監測，主要包括：支架工作阻力、支架左右立柱活柱縮量、安全閥開啟、煤壁片幫等礦壓監測。

2.1.2 測線布置

工作面支架存在大批漏液不保壓等現象，在煤礦技術人員的指導下，本著盡量滿足標準化礦壓區域監測的要求，選擇49#、61#、62#、64#、67#、68#、84#、85#、86#、88#、89#、90#、91#、108#、110#、111#、118#、120#和129#支架作為工作阻力和活柱縮量監測點，共19個測點，如圖1。

圖1 103工作面支架工作阻力與活柱縮量監測布置圖Fig. 1 Support working resistance and movable column shrinkage monitoring layout in 103 working face

2.2 支架實際額定工作阻力的分析

2.2.1 支架安全閥開啟壓力分析

統計了2018年3月22日— 4月13日推進186 m，約233個割煤循環，19個支架實時工作阻力，發現工作面頂板來壓運動明顯，多數支架工作阻力表現出明顯的周期性變化，但部分支架工作阻力持續較低。通過上位機頂板壓力的實時曲線，重新確定安全閥實際開啟壓力，如圖2。雖安全閥開啟，但整架實際最大工作阻力與額定工作阻力相差甚遠，具體表現為：

1) 部分立柱不保壓，支架工作阻力持續較低，如圖3(a)、圖3(b)所示。

2) 部分支架整架工作阻力較低，最大工作阻力遠小于額定工作阻力，如圖3(c)所示。

3) 部分支架載荷不均，左右立柱工作阻力差距明顯，偏載嚴重，如圖3(d)所示。

圖2 64#支架實時壓力歷史曲線Fig. 2 Real-time pressure history curve of 64# support

4) 如圖2所示，64#支架左柱表現明顯的升壓，壓力達到40 MPa左右，且實時支架壓力波動，表現出泄液的跡象，即安全閥開啟；但右柱壓力最大值僅增大到32 MPa左右，且壓力在32 MPa左右波動，通過支架工作阻力曲線研究發現64#支架右柱壓力最大升高到32 MPa左右，可確定64#支架右柱的安全閥實際開啟壓力為32 MPa。

為此對所監測的19臺支架工作阻力進行了分析統計，通過支架工作阻力曲線變化趨勢及相應的頂板運動情況，確定監測的支架實際安全閥開啟壓力及工作狀況，見表2。

表2 支架實際安全閥開啟壓力統計Tab. 2 Statistics of actual safety valve opening pressure of support

2.2.2 支架實際額定工作阻力的確定

表2中統計了監測的支架左右柱安全閥開啟壓力值，通過安全閥開啟壓力值可反算出每個支架實際額定工作阻力Pi， 14個保壓支架實際額定工作阻力P′=9 300 kN，較額定工作阻力下降約12%。

按照年份計算，使用的4年里，每年支架阻力能力損失約3%，則103工作面開采結束后，支架共計使用5年，支架工作能力下降約15%。

2.2.3 工作面全部支架實際額定阻力估算

根據監測的19臺支架工作阻力性能可估算整個工作面174臺支架工作阻力能力。由表2可知，19臺支架中仍有5臺支架(49#、86#、90#、110#和118#)的某一立柱不受載或偶爾受載且受載最大阻力無規律。

已知監測的14臺保壓支架實際額定工作阻力為P′=9 300 kN。5臺不保壓支架實際額定工作阻力的計算無法通過安全閥開啟壓力計算，只能通過來壓時不保壓支架末阻力均值進行估算。可得相關不保壓支架來壓期間末阻力均值P5為：

圖3 支架整架與單柱工作阻力循環曲線圖Fig. 3 Circulation curve of working resistance of support and single column

(1)

式中：P5為5臺不保壓支架實際額定工作阻力。計算得5臺不保壓支架實際額定工作阻力為6 734 kN。

5臺不保壓支架實際額定工作阻力較設計額定工作阻力約下降36%。推廣至所監測的19臺支架實際額定工作阻力：

(2)

式中：P19為監測的19臺支架實際額定工作阻力；P′為監測中14臺保壓支架實際額定工作組力。

可計算得P19=8 624 kN,即19臺阻力監測的支架實際額定工作阻力較設計額定工作阻力下降約18%。考慮到未監測的支架阻力損失率會更高，103工作面整體支架實際額定工作阻力P174較額定工作阻力下降幅度至少為18%。

初期挑選監測支架的范圍為49#、61#～68#、84#～91#、108#～120#和129#支架，共計31臺支架，在31臺支架中選出了19臺監測支架。其中14臺支架阻力性能相對較好，占31臺支架的45.16%，可推廣至整個工作面阻力性能較好支架占比45.16%，則有：

P174(3)=P′×45.16%+P5×54.84%。

(3)

式中：P174為工作面174臺支架實際額定工作阻力。可得P174=7 892.8 kN，較額定工作阻力下降24.8%。

進而可推斷103工作面整體支架實際額定工作阻力P174較額定工作阻力下降幅度為18%～24.8%，P174=7 892.8～8 624 kN。

2.3 支架支護性能評估

2.3.1 支架工作阻力性能的評估

支架支護力與頂板壓力是一對相互作用力[16]，頂板來壓期間，若支架工作阻力到達額定工作阻力，則安全閥會開啟，具體表現為支架對頂板讓壓，頂板繼續回轉下沉，若支架工作阻力嚴重不足，則有可能會引起壓架事故的發生。來壓時支架均值阻力占比額定工作阻力的大小，可體現支架實際工作阻力的性能。

由表3(表中“—”代表因支架某一立柱不保壓，未能計算實際額定工作阻力)可知：由單架、19臺支架和整個工作面174臺支架角度均可知多役支架阻力性能不足或者處于不及格邊緣，該批支架可以繼續使用，但隨著工作面的不斷推進，頻繁升降架和受到來壓沖擊，會導致支架性能進一步衰退，本就處于危險邊緣的多役支架阻力性能將再沒有允許下降的空間，新開105工作面開采條件和開采方式與103工作面相類似，105工作面開采需要更換新支架。

2.3.2 來壓期間頂板下沉量統計與評估

103工作面對19個測點進行測量統計，共測量了5次周期來壓時的支架單循環活柱下縮量，測量頂板下沉均值為283 mm。根據煤礦安全生產管理規定和開采經驗并借助神東礦區頂板控制標準，103工作面頂板控制標準見表4。

頂板下沉控頂效果等級為“中”，需要提高控頂的級別。新開105工作面開采條件和開采方式與103工作面相類似，可知若支架繼續在105工作面使用，則控頂效果也仍為“中”甚至“差”，有違安全生產標準要求，因此該批支架服役103工作面開采至結束，同煤層新開105工作面需要更換新支架，以達到“好”及以上的控頂效果。

2.3.3 煤壁片幫分析及支架阻力評估

103工作面生產過程中，統計到工作面煤壁片幫均值為584.74 mm，最大910 mm。根據高頭窯煤礦安全生產管理規定，正常開采階段煤壁片幫值應控制在400 mm以內，實測表明現階段開采中，煤壁片幫值大于管理規定。

為了保證煤壁的穩定，支架工作阻力PZ應滿足[17]：

(4)

式中：LP為支架到頂板破斷A點的距離，10.23 m；L基本頂破斷巖塊長度，14.47 m；q1為基本頂上部巖層載荷，403 kN；h為基本頂破斷巖塊高度，24.55 m；γ為基本頂破斷巖塊容重，25 kN/m3；T為基本頂破斷巖塊的水平力，626.39 kN；φr為破斷巖塊間的摩擦角，15°；LR為煤壁到頂板破斷A點的距離，14.47 m；G為滑體重力，45.10 kN；φc為內摩擦角，38°；C為煤層粘聚力0.5 MPa；H2為煤壁破壞高度，2.5 m；α為剪切面與煤壁夾角，30°。可計算得PZ≥7 440 kN。

表3 103工作面來壓時19臺支架工作阻力統計表Tab. 3 Statistical table of working resistance of support in 103 working face under pressure

表4 103工作面頂板控制理論標準Tab. 4 Theoretical standard of 103 Working face roof control

若保證煤壁不大面積片幫，支架工作阻力應大于7 440 kN，但P174的下限值僅高于PZ約400 kN，支架工作阻力已接近危險邊緣。

3 多役支架性能評估方法

通過高頭窯煤礦實施例，總結出如下的多役支架性能評估方法：

1) 進行同一支架多工作面性能實測和分析評估。主要包括：支架工作阻力和安全閥開啟等支架的性能進行礦壓監測和分析，研究其性能的變化情況并進行評估。

①對測線進行支架工作阻力監測；

②通過監測情況，篩選出測線中液壓支架保壓和不保壓的占比情況，并估算出所監測支架的實際額定工作阻力；

③通過監測支架的實際額定工作阻力和占比情況，估算出工作面所有支架的實際額定工作阻力以及較額定工作阻力下降情況；

④通過實際額定工作阻力下降情況，計算出一年支架性能的下降情況。

2)進行同一支架多工作面控頂效果實測分析評估。主要包括：對多役支架支護的頂板下沉量、煤壁片幫等支架的控頂效果進行實測和分析，研究其變化情況，并進行評估。

①對測點進行周期來壓時的支架單循環活柱下縮量和煤壁片幫的監測統計；

②通過活柱縮量監測結果分析，根據煤礦安全生產管理規定和開采經驗并借助神東礦區頂板控制標準，確定工作面頂板控制效果級別；

③通過煤壁片幫監測結果分析，根據該煤礦安全生產管理規定，與煤壁片幫監測值進行對比。為了保證煤壁的穩定，確定支架工作阻力應滿足的值，并與1)中估算出的實際額定工作阻力進行比較；

④對比不同服役時間支架工作阻力特性性能及控頂效果，確定是否繼續服役。

4 結論

通過現場實測和理論分析的方法對多次服役的支架支護性能進行分析和評估，主要結論如下：

1) 對支架安全閥開啟壓力統計和分析，計算出保壓支架實際額定工作阻力P′=9 300 kN，較設計額定工作阻力下降約12%。

2) 通過來壓時不保壓支架末阻力均值進行估算不保壓支架實際額定工作阻力，可得相關不保壓支架來壓期間末阻力均值P5=6 734 kN；同時可計算出監測的19臺支架實際額定工作阻力P19=8 624 kN,較設計額定工作阻力下降約18%；未監測的支架阻力損失率會更高，103工作面整體支架實際額定工作阻力P174較額定工作阻力下降幅度不小于18%，通過統計學可計算出P174=7 892.8 kN，較額定工作阻力下降24.8%。

3) 多役支架阻力性能不足或者處于不及格邊緣；103工作面頂板下沉控頂效果等級為“中”，需要提高控頂的級別；通過阻力性能、控頂效果和煤壁片幫分析和評估，該批支架不能繼續使用，105工作面開采需要更換新支架。

4) 通過高頭窯煤礦實施例，總結出一套多役支架性能評估方法，為其他煤礦在支架支護性能的評估提供參考。