采煤工作面單體液壓支柱阻力的探討

韓廣友

采煤工作面單體液壓支柱阻力的探討

韓廣友

(龍煤股份有限公司七臺河分公司安全監察部，黑龍江 七臺河 154600)

通過對不同采場、不同支護形式、不同采煤開采方法的礦壓觀測，根據回采工藝不同環節狀況下的頂板下沉速度、下沉量和動壓影響范圍的分析，討論了在頂底板不同強度情況下，單體支柱阻力變化規律，以合理確定支柱阻力和支護密度，防止支柱鉆底的出現。

單體液壓支柱;支柱阻力;分析

龍煤股份有限公司七臺河分公司在單體液壓支柱工作面質量檢查中，增加了對工作面支柱阻力的測定，要求支柱初撐力不低于9 t，否則認為支柱不合格。由于加強了對單體液壓支柱工作面支柱阻力的檢測，使支柱初撐力普遍提高。隨著支柱阻力的提高，通過加強對頂板的控制，從而減少了頂板下沉量，大大改善了頂板條件。

1 采場礦壓觀測結果

近年來，該公司通過對全部陷落采煤方法中不同支護形式的10個采區進行觀測。主要觀測了工作面頂板下沉、支柱載荷、活柱縮量及頂板動態 (即下沉速度)等數據，并進行了頂板分類。觀測中所得的不同支護形式的礦壓數據見表1。

表1 不同支護形式的礦壓數據

1.1 頂板動態數據

放炮后頂板穩定時間：30 min。

新建礦直屬五井采煤工作面。

1)在無工序非動壓影響下，頂板下沉速度小于0.07 mm/min。

2)放炮落煤動壓影響。

放炮期間頂板下沉速度：0.21 mm/min

放炮時刻頂板下沉速度：0.26 mm/min

放炮間隔頂板下沉速度：0.21 mm/min

放炮動壓影響強度比平時增大3倍;

放炮影響范圍：35 m

1.2 回柱放頂動壓影響(見表2)

表2 回柱放頂動壓影響

回柱后頂板穩定時間：30～45 min

回柱期間頂板下沉速度：0.22 mm/min

回柱放頂動壓影響強度比平時增大3倍。

1)桃山煤礦機采面。

a)在無工序非動壓影響下頂板下沉速度為0.103 mm/min。

b)機組割煤動壓影響。

連續割煤對靠近煤壁的第一排支柱的頂板動態影響最大，頂板最大下沉速度平均為1.05 mm/min，平均為0.35 mm/min：對第二、三排支柱影響次之，頂板最大下沉速度平均分別為0.89 mm/min和0.58 mm/min;全工作面頂板下沉速度最大平均為0.98 mm/min;全部平均 0.33 mm/min。

割煤間隔時刻的頂板下沉速度均小于連續割煤時的頂板下沉速度(平均值降低約50%)，而大于無工序時的頂板下沉速度 (平均值約增大1.5倍)。間隔時刻頂板下沉速度最大平均為0.36 mm/min，全部平均為 0.15 mm/min。

連續割煤動壓影響強度為平時的3倍，割煤間隔時刻動壓影響強度為1.5倍。

機組割煤對各排支柱頂板動壓影響范圍不等。靠近煤壁，頂板動壓影響范圍略大，靠剎幫排，頂板動壓影響范圍略小，平均來看，機組割煤時，前方影響范圍為12 m，后方為16 m。

c)回柱放頂的動壓影響。

回柱放頂對第四控頂排的頂板動態影響最大。第二、三排次之，第一排最小。實測第三排頂板最大下沉速度平均為2.17 mm/min，全部平均為0.72mm/min。回柱期間頂板全部最大下沉速度平均為1.95 mm/min，平均為 0.60 mm/min。

回柱放頂動壓影響強度為6倍。

回柱放頂動壓影響范圍不等，一般靠采空區控頂排;頂板影響范圍較大;靠煤壁，頂板影響范圍最小。回柱放頂前方平均影響范圍為4～8 m，后方為16～20 m。

2)桃山煤礦高檔面。

在無工序非動壓影響下頂板下沉速度為0.002 mm/min。

機組割煤動壓影響見表3，表4。機組通過測點頂板下沉速度平均1.20 mm/min。

回柱放頂動壓影響見表5，表6。第二控頂排回柱期間頂板下沉速度為0.20～0.50 mm/min;第三控頂排為0.95 ～1.80 mmm/min。

表3 機組割煤動壓影響

表4 機組割煤動壓影響

表5 回柱放頂動壓影響

表6 回柱放頂動壓影響

1.3 礦壓顯現規律

中硬以下巖層頂板厚煤層分層開采時，單體支柱工作面礦壓顯現規律。

1)老頂屬I級頂板，直接頂屬1～2類頂板時，老頂來壓不明顯，頂板易冒落，無懸頂。

2)支柱阻力偏低 (平均不超過10 t/根)，支護強度較小(一般不超過0.20 MPa)，項板下沉量較大(一般為300～400 mm)。

3)底板為強度較低的煤層時，由于煤的單向抗壓強度不超過15 MPa，而抗壓強度約為單向抗壓強度的50% ～60%，所以當支柱載荷大于6～7 t時，支柱可被壓入底板(鉆底)。支柱鉆底是特厚煤層分層開采條件下普遍出現的支護問題。

2 單體支柱阻力的測定結果及分析

1)根據直接頂為中硬以下巖層 (砂質頁巖、頁巖或泥巖)、老頂無堅硬層的特厚煤層，在分層開采條件下進行的單柱面支柱阻力實測數據，可得出如下結果：

a)幫柱阻力大于第一排支柱阻力。

b)走向各控頂排支柱阻力依次遞增，最大控頂排的支柱阻力最大。

c)泵站壓力低于10 MPa，支柱阻力不會太大。支柱阻力大小主要取決于頂底板煤、巖的物理力學性質，即在相同的采煤方法和支護條件下，頂底板煤、巖強度愈大，則支柱阻力愈大。

d)從傾斜方向支柱阻力分布看，在緩傾斜單柱面內，下缺口支柱阻力(礦壓顯現)最大，中下部次之，上缺口最小。

2)從單柱面支柱阻力測定中看出，支柱阻力的大小及分布，主要取決于頂底板煤、巖的物理力學性質、支護方式、支設質量、支柱質量、控頂時間，泵站壓力及地質開采條件等。在上述條件相近的情況下，各因素對支柱阻力大小及分布的影響如下：

a)當頂底板完整，煤巖強度大時，則支柱阻力高(壓力顯現大)，對控制頂板有利。

b)在頂板破碎，處于斷層附近，高頂或空頂處，一般支柱阻力較低，對控制頂板不利，易出現頂板事故。

c)如果泵站站壓力低 (低于10 MPa)，會造成工作面支柱阻力普遍較低。

d)支柱支設質量不好，梁柱位置不當，會造成倒懸臂，迎山角不合適(過大或過小)時，會造成動壓支柱歪斜或傾倒，支柱阻力不能發揮。

e)支柱本身質量不合格，三用閥漏液或活柱與柱體滲液，能造成支柱阻力降低，對頂板起不到支撐作用。

f)支柱柱距不等，或頂、底板煤 (巖)體強度不一，可造成支柱承載不均勻，個別支柱阻力過高或過低。支柱阻力過低處，易出現頂板事故。

g)煤層底板軟弱處，支柱阻力降低。

h)工作面生產過程中，因煤壁處頂梁鉸接不上或剎幫頂梁摘不下來，就必須對鄰近支柱進行調整。經常調柱的工作面，支柱阻力普遍下降，影響頂板管理。

i)支柱初撐力不均勻，有高有低。

3 確定合理的支柱阻力和支護密度

為確定合理的支柱阻力和支護密度，首先必須掌握頂板分類和確定合理的采場壓力。在特厚煤層分層開采，直接頂為中硬以下巖層，老頂無堅硬層，采用單體液壓支柱與鉸接頂梁配套支護頂板的條件下，一般老頂來壓不明顯。如果老頂屬l級，直接頂為1～2類頂板，則支柱僅承受直接頂冒落巖層的重量。一般情況下，冒落高度約為采高的2～3倍。如按3倍采高計算，假設采高為2 m，頂板巖層容重為2.5 t/m3，則采場的頂板壓力PT約為0.15 MPa。

若考慮老頂來壓作用，可取冒高為采高的4～5倍，則采場頂板壓力 PT為 0.2 ～0.25 MPa。

由此看出，采場頂板壓力取0.15 MPa(老頂來壓不明顯)或取0.20～0.25 MPa(老頂來壓明顯)是合理的。

如果支護強度適應采場頂板壓力，則認為支護設計是合理的。

目前，在單柱面內為適應網下多分層開采的頂板管理和頂梁規格，一般支柱排距取0.8～1.0 m。柱距0.5 ～0.6 m，支護密度約為2.0 根/m，故合理的支柱阻力為：

或

或

綜上分析，得出如下規律：

在支護密度不低于2根/m2的條件下，老頂來壓不明顯，直接頂冒高為采高3倍以時.工作面支柱平均阻力不低于7.5 t/根;老頂來壓明顯，直接頂冒高為采高的3～4倍時，工作面支柱平均阻力不低于10 t/根;老頂來壓明顯，直接頂冒高為采高的4～5倍時，工作面支柱平均阻力不低于13 t/根。

4 關于支柱鉆底問題

特厚煤層分層開采的單體支柱工作面，頂板管理的最大難題是支柱鉆底問題。當單體液壓支柱的底面積S=78.5 cm2，煤層底板的單向抗壓強度為8～15 MPa，煤體的底板壓強為4～8 MPa時，則煤體不受破壞(即支柱不鉆入底板)的允許支柱載荷為［P柱］=(4 ～8) ×78.5=3.2 ～6.3 t/根。

注液槍給予支柱的初撐力為7.8～11.5 t。因此，支柱在支設過程中就出現支柱鉆底現象。只有通過支柱鉆底，支柱才能達到要求的初撐力阻力，即支柱初撐力不低于6 t。

要解決支柱鉆底問題，其有效途徑就是支柱穿底鞋或支柱加托盤。支柱的底面積不低于625 cm2，或者采取加密支柱措施，此時支柱不鉆底的交護密度為：

或

采取支柱穿鞋還是加大支護密度，各礦區可根據具體情況選擇。該公司通過采取支柱穿鞋，提高支柱阻力，發揮支柱的支承能力等措施，節省了人力、物力，充分發揮支護設備效能，節省了支柱的使用量。

Discussion on the Resistance of Single Hydraulic Prop in Coal Mining Face

Han Guang－you

By the coal mining pressure observation of different stope，different supporting forms and different mining methods，according to the analysis under the different links conditions of mining process such as roof sinking velocity，subsidence，and the influenced range of dynamic pressure，discusses the roof and floor case of different strength，the change rule of the single hydraulic prop resistance，reasonably determines the prop resistance and supporting density and prevent the appearance of the prop going into floor.

Single hydraulic prop;Support resistance;Analysis

TD355+.3

A

1672－0652(2012)02－0018－04

2011－12－23

韓廣友(1965—)，男，吉林大安人，1987年畢業于撫順煤校，工程師，主要從事煤礦安全技術管理工作(E －mail)673260999@qq.com