武山銅礦單體液壓支柱支護的應用與研究

2021-06-27 10:36:00劉殿華保文俊周成豪陳國華

銅業工程 2021年2期

劉殿華，保文俊，周成豪，陳國華

（江西銅業集團有限公司武山銅礦，江西瑞昌 332204）

1 引言

武山銅礦采場臨時支護主要采用傳統的木支護方式，支護強度低、效率低和成本高等問題突出，主要表現在以下四個方面：一是隨著我礦開采的不斷往下延深，地壓逐漸增大，局部因頂板來壓造成木支柱發生塑性變形而發生破壞，起不到支護的作用［1］；二是采場支護效率較低，且勞動強度大，嚴重制約采場單產能力的提升；三是該支護方式需要消耗大量木材，且重復利用率低，采場支護成本大；四是隨著國家對生態環境的重視，國家對森林實現限額采伐的保護性措施，必然造成木材供應緊張，同時，大量的木材消耗已不符合國家綠色發展的要求。單體液壓支柱作為采場支護設備，具有初撐力大、支護效率高和可回收再利用等優點。近年來，產品日益完善和升級，已系列化和規模化生產。目前，單體液壓支柱已廣泛應用于煤礦開采的頂板支護，并取得了良好的支護效果［2］，為此，針對現有傳統木支護難以滿足采場臨時支護要求的現狀，武山銅礦擬通過引進單體液壓支柱，以實現提高支護效率和質量以及降低支護成本的目標。

2 單體壓夜支柱主要支護參數的確定

2.1 采礦方法簡介

武山銅礦北礦帶采用下向進路式分級尾砂膠結充填采礦方法，切回采斷面寬×高=4m×4m。切回采到位后，采空區充填分三期進行，一期充填采空區高度的一半，充填配比為1∶4，二期充填剩余采空區充填配比為1∶8，三期充填分級尾砂用于采空區接頂。充填前，采空區底部鋪設鋼筋網，并按1.6m×1.6m的網度預埋豎筋，豎筋高度2.4m，兩端焊接托盤，通過豎筋使得一期和二期充填體形成一個整體。

2.2 單體液壓支柱及主要配套設施

根據現有采礦斷面尺寸及支護強度等要求，單體液壓支柱和頂板離層儀等主要配套設備設施相關技術參數分別如表1和表2所示。

表1 液壓支柱主要技術參數

表2 頂板離層儀主要技術參數

2.3 單體壓夜支柱主要支護參數的確定

2.3.1 支柱密度

合理支護密度是控制頂板及提高工作面生產效率的關鍵。它通過合理的支護強度Pz和支柱實際支撐能力RT確定。

一般合理的支柱密度可用下式表示：

式中：n為工作面合理的支柱密度，根/m2；Pz為工作面合理的支護強度，kPa；RT為工作面支柱的實際支撐能力，kN；a為排距，取3.5m；b為柱距，m。

（1）工作面支護強度的確定。

工作面支護強度是指單位面積內全部支柱的總支撐力。支柱承受的壓力P是上分層充填體全部重量Q1和上分層充填體以上不能形成平衡條件的載荷 Q2，因Q2難以確定,常把 Q1作為載荷基礎，而后考慮一定的系數 N［3］。

式中：P為考慮頂板及地壓顯現時的支護強度， kPa；N為載荷系數，取2；M為采高，按4m計算；K為充填體碎脹系數，取1.45。γ為充填體比重，取1.6t/m3；經計算工作面支護強度P=28.4kPa。

（2）支柱實際支撐能力的確定。

將頂板控制在最小的下沉量時的支柱阻力通常被撐為有效支撐能力。支柱在工作面支護過程中的有效支撐能力，通常情況下要比額定的工作阻力小。所以為了確定有效的支撐能力，常用山東科技大學實測和經驗數據總結的經驗公式確定單體支柱在工作程中實際能達到的承載能力［4］。

式中：RT為考慮頂板及地壓顯現時的支護強度，kPa；Kg為工作系數，取0.99；Kz為增阻系數，取0.95；Kb為支柱承載不均勻系數，取0.9m。Kh為采高系數，取0.9。Rb為支柱額定阻力，按300kN計算。

經計算支柱有效支撐能力RT=228.5kN。

表3 支柱有效支撐能力影響系數表

通過以上對工作面支護強度和支柱實際支撐能力的確定，支柱的排距b為3.5m，通過計算可得支柱間距a=2.3m。結合現場操作支柱支護質量以及充填體質量波動等因素，支柱間距有偏差情況出現，由上述計算支柱間距2.3m，取2m，允許柱距偏差0.3m，如圖1。

圖1 單體液壓布置圖

2.3.2 支柱初撐力

初撐力是支柱的主要參數，對于增強支柱支護效果具有重要作用。初撐力初撐力是指支柱通過泵壓而給予頂板的主動支撐力。即較大的初撐力能使支柱較快達到工作阻力，減小頂板下沉量,抑制頂板離層，初撐力P0計算公式如下［5］：

式中：Pb為泵站的額定工作壓力（不考慮管路壓力損失），按20MPa計算； D為活柱內徑，按110mm計算；η為折損系數，取0.75。

經計算支柱初撐力P0=142.5kN。

因此，提高支柱初撐力且工作中要保持其數值穩定，一般情況下，支柱的初撐力應該高于其額定初撐力的70%~80%，只有這樣才能安全有效的控制頂板穩定［6］。為確保支柱有足夠的初撐力來控制控制頂板穩定，應采取以下工作措施。

（1）提高并更新泵站性能，提高泵站壓力以及液壓管路的質量，保證泵站壓力大于18MPa。泵站安放位置標高高于支柱支護點的標高，泵站安裝位置距離工作面支護點的最大距離不大于300m，以減少管路壓力損失。

（2）加強對工作面頂板的檢測監控工作，及時查看工作面支護情況，對欠壓支柱堅持單槍二次補液。

（3）加強工作面頂、底板管理，支設支柱盡可能支在硬底上，堅持頂戴帽、底穿鞋等措施，不得采取在支柱底部墊木板或柱帽上打木楔板條等，提高工作面支護系統的剛度。

（4）增加注液時間，單體液壓支柱接頂后，繼續供液4~5s，再切斷液源，使支柱完全“頂死”。

（5）支柱應垂直于頂、底板支設，使支柱處于軸向垂直受力狀態，避免支柱偏載。

（6）新下井的或經檢修后的支柱，第一次使用時應先升降1~2次（最大行程），排凈腔內空氣，避免腔內含有氣體時會使支柱初撐以后產生緩慢下降。

3 工作面頂板監測及分析

3.1 監測內容和方法

要保證單體液壓支柱在工作的科學使用，就需要對工作面支護質量與頂板進行監測。通過對支柱工作狀態及頂板相關數據的監測，可以有效的提高工作面支柱初撐力及實際工作阻力、改善采場工作面支護質量。所以加強相關監測對于單體液壓支柱工作面頂板管理來說是至關重要的。通過合理的監測及時掌握回采工作面頂板的安全狀況及支護效果,從而確定合理的支護形式和支護密度，提高采場支護質量。所以根據實際情況使用LBY-3型頂板離層儀對頂板離層和下沉量進行監測。