大采高工作面過陷落柱回采工藝及支架適應性研究

朱 曄（中國礦業大學　（北京）力學與建筑工程學院，北京市海淀區，100083）

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大采高工作面過陷落柱回采工藝及支架適應性研究

朱 曄
（中國礦業大學（北京）力學與建筑工程學院，北京市海淀區，100083）

摘 要針對成莊礦5310大采高工作面推進過程遇到陷落柱的特殊開采條件，提出了過陷落柱的淺截深回采工藝，確保了工作面的連續推進；通過對過陷落柱期間液壓支架工作阻力的監測分析，得出了過陷落柱期間工作面頂板壓力顯現規律，并對支架進行了適應性驗證。

關鍵詞大采高工作面 過陷落柱 開采工藝 淺截深 支架適應性

陷落柱是由于巖溶現象而產生的一種特殊的地質現象，可溶性巖層在地下水的劇烈溶蝕作用下產生溶洞，由于溶洞的存在，上覆巖層會產生失穩和塌陷，最終發育成一個筒狀柱體。成莊礦5310工作面地質條件復雜，開采范圍內有多個陷落柱直接影響到工作面推進，大采高工作面采煤方法適應性強，在復雜地質條件下能夠滿足工作面的回采要求。為滿足安全高效生產的需要，工作面在過陷落柱階段必須采用特殊的回采工藝。液壓支架作為維護采場安全生產的關鍵設備，其對特殊地質條件的適應性是保證大采高工作面安全生產的關鍵因素。

1　工程概況

5310工作面是成莊礦首個大采高工作面，該工作面埋深311～461.4 m，工作面走向長度2540.06 m，工作面長245.75 m，平均采高5.75 m。在5310工作面開采范圍內共有7個不同規模的陷落柱，其中，4個陷落柱會對工作面的開采造成直接影響。陷落柱的存在造成其周圍出現煤體與頂板的破碎帶，給工作面的正常推進造成一定程度的影響。各陷落柱的發育情況詳見表1。

表1　陷落柱發育情況

2　過陷落柱期間回采工藝

2.1 過陷落柱采高調整

陷落柱周圍的煤體及頂板會出現異常破碎帶，5310工作面從切眼開始按5.5 m采高正常推進，推進116 m后遇到X121陷落柱，工作面保持沿底推進，同時開始調整采高。工作面繼續推進10 m后，工作面整體采高調整至5.0 m。過陷落柱期間39#～69#支架與陷落柱直接接觸，在調整采高的同時，工作面推進至距切眼127 m時，以底板抬起的方式將該區段采高調整為4.0 m。陷落柱兩端各10架支架范圍為采高過渡區，過渡區適當留底煤，并與陷落柱區域支架保持一個坡度，有效防止了支架鉆底現象的發生。

2.2 采煤機割矸

工作面回采過程中遇到的陷落柱巖性為泥巖，泥巖強度較低，5310工作面配備的JOY 7LS6C型采煤機切割能力較強，具有切割陷落柱區域泥巖的能力。為保證大采高工作面安全高效生產，工作面應快速通過陷落柱構造帶。經分析研究，選擇采煤機割矸直接過陷落柱為安全可行的方案。

過陷落柱期間工作面將會通過矸石斷面，一般采用兩種破矸方法，當陷落柱矸石較軟時，可使用采煤機直接破矸，但采用此方法采煤機將受到較大損害；當陷落柱矸石較硬時，可先采用震動爆破松動矸石，然后再用采煤機掃矸。但無論是哪一種方法，采煤機如果采用全截深一次進刀都會在煤體破碎區內增大端面距，容易引起煤體片幫，甚至冒頂。因此，通過對回采工作面地質情況與開采設備的分析研究，提出過陷落柱的淺截深回采工藝。

第一步進刀。頂板支護支架采用最小控頂距，采煤機截深0.45～0.5 m，采用工作面端頭斜切進刀方式，采煤機往返一次割兩刀煤，正常割煤時采煤機牽引速度為8～12 m/min，過陷落柱時速度降為2～4 m/min。

第二步采煤機割第一刀煤。前滾筒收起至護幫板下方0.1 m左右，前滾筒通過之后，若空間充足，先調整好伸縮梁，將一級護幫板外伸至煤壁，二級護幫板緊貼煤壁護幫；若空間不允許，可先伸出一級護幫板，待采煤機后滾筒通過之后再將剩余護幫板外伸至煤壁。然后將刮板輸送機成組推進0.45～0.5 m，割煤時，若頂煤離層掉落，及時伸出伸縮梁，并在合適的地方伸出護幫板，以防冒頂，采煤機沿工作面割煤過程中，當采煤機距陷落柱約10 m時，開始調整采高，保證采煤機破落陷落柱矸石時采高控制在5.0 m，根據陷落柱矸石堅硬程度，采煤機牽引速度控制在2～4 m/min。

第三步采煤機割第二刀煤。滾筒采取挑頂臥底的方式割煤，采煤機截深保持不變，為方便采煤機后滾筒正常割煤，前滾筒割2～3架支架寬度的煤之后再移支架，一個完整循環包括及時支護、護幫、成組推移輸送機。

2.3 支架控制及頂板管理技術措施

由于陷落柱的影響，陷落柱矸體及周圍的煤體較破碎，坡度、傾角變化較大，頂板控制較困難。5310工作面過陷落柱期間重點采取控制支架進行頂板管理。

（1）確保液壓支架處于良好的工作狀態，過陷落柱期間液壓支架初撐力維持在26 MPa以上，除護幫板必要的轉動空間外，支架盡量不留傘檐，支架移架后處于最小控頂距狀態。

（2）保證支架在端頭及陷落柱兩側采高過渡區處于良好接頂狀態，避免倒架、咬架情況的發生。

（3）頂板及時支護，應采取帶壓擦頂移架，片幫時，一級護幫板護幫困難或空間太小時，可采取伸縮梁外伸以支護頂板。

（4）留頂煤區域，采高控制在4.5 m以上，過渡段底板抬起，頂板留設煤體。

（5）頂板破碎掉矸、漏矸時，及時穿板梁控制頂板，防止范圍擴大。工作面大面積來壓時，馬上停工，加強支護，情況嚴重時立即向調度室和值班人員匯報并撤出人員。

（6）堅持礦壓觀測、支架工作阻力觀測，分析支架工作狀態、來壓步距及來壓強度，提前、及時采取相關措施。

3　現場實測與礦壓顯現規律分析

3.1 工作面測點布置

在5310工作面共選取6架液壓支架作為測點，其中工作面上端部2架，工作面中部2架，工作面下端部2架。自工作面揭露第一個陷落柱開始直至工作面推過最后一個陷落柱，監測記錄工作面推進過程中支架阻力，分析5310工作面頂板壓力顯現規律。

3.2 過陷落柱階段支架工作阻力實測與分析

以支架平均循環末阻力及其均方差之和作為評判頂板周期來壓的主要依據，其數學表達式為:

式中:P′t——頂板來壓判據，k N；

-Pt——循環末阻力的平均值，k N

σp——循環末阻力平均值的均方差，k N；

n——總循環數；

Pti——循環末阻力實測值，k N。

各支架來壓判據計算結果如表2所示。

表2　周期來壓評判依據　k N

自工作面揭露陷落柱時開始記錄推過所有陷落柱期間的支架工作阻力，結合表2求得的頂板來壓判據，可做出支架循環末阻力及時間加權平均工作阻力曲線圖。由于篇幅所限，現僅作出53#支架過X123陷落柱期間支架的循環末阻力與時間加權平均工作阻力曲線圖，如圖1所示。

圖1　53#架循環末阻力與時間加權平均工作阻力曲線圖

由圖1可知，工作面過X123陷落柱及正常推進期間，老頂沒有來壓時，支架末阻力及時間加權平均工作阻力均處于低支護阻力狀態。總體時間加權平均工作阻力為工作面中部較大，機頭及機尾較小。過X123陷落柱期間，由于液壓支架與破碎頂板支架不能完全接觸，故該階段過該陷落柱期間支架的時間加權平均工作阻力明顯低于正常推進時的時間加權平均工作阻力。

工作面過X123陷落柱及正常推進期間，當老頂來壓時，即圖1中的波峰處，循環末阻力與時間加權平均工作阻力明顯增大，已經達到來壓的評判準則，其中，支架最大工作阻力已接近支架的額定工作阻力12000 k N。受X123陷落柱構造的影響，過陷落柱期間支架的時間加權平均工作阻力較正常開采期間明顯增大。

過X123陷落柱期間5310大采高工作面各支架周期來壓步距分布范圍為7.3～29 m，各支架周期來壓平均步距分布為9.1～18.9 m，總體平均來壓步距為12.6 m。其中，工作面機尾周期來壓步距相對較小，為10 m左右；工作面機頭處周期來壓步距明顯大于機尾，平均達13.9 m。工作面不同部位支架周期來壓動載系數達1.16～1.46，支架的平均動載系數為1.31。工作面機頭平均動載系數相對較均勻，中部及機尾隨位置的不同有波動現象，中部平均動載系數最大。

3.3 液壓支架適應性分析

工作面支架的受力情況與頂板的支護效果密切相關，在工作面的不同部位支架的受力情況也呈現一定的差異性，反映了支護效果及頂板來壓與支架適應性的相互作用關系。通過對工作面過所有陷落柱期間支架工作阻力和初撐力的監測記錄，統計分析支架受力在不同區間的分布情況，對支架適應性進行分析研究。

3.3.1 液壓支架初撐力分析

液壓支架初撐力是工作面頂板穩定性的一個重要因素，若初撐力太小將導致頂板支護的安全性降低，當頂板大面積來壓時立柱將迅速下降，容易引發安全事故。限于篇幅僅作出53#支架過X123陷落柱階段的初撐力分布如圖2所示。

圖2　53#支架初撐力頻率分布直方圖

通過對支架初撐力頻率分布統計發現，液壓支架初撐力過低，工作面液壓支架額定初撐力為7917 k N，所監測的液壓支架初撐力多分布在2626.7～4143.5 k N，為額定初撐力的2.1%～44.5%，平均只有2888.3 k N，為額定初撐力的36.5%，說明初撐力整體過低。因此，在支架操作過程中，要加強管理，提高支架初撐力，充分利用支架初撐力對圍巖的控制作用。

3.3.2 液壓支架工作阻力分析

液壓支架的工作阻力在不同區間的百分比分布可作為支架性能與頂板沖擊程度的評價標準，理想的工作阻力分布應該呈正弦波分布。限于篇幅僅作出53#支架過X123陷落柱期間工作阻力頻率分布直方圖，如圖3所示。

圖3　53#支架工作阻力頻率分布直方圖

通過對過X123陷落柱階段各支架的工作阻力分布情況進行分析發現，53#支架為較合理的正態分布。支架工作阻力頻率分布峰值為左側峰值，這是由于支架架設時多數處于低初撐力狀態，因而不能完全發揮其對頂板的支撐作用，從而導致大多數支架處于低工作阻力狀態；其他支架工作阻力頻率分布均出現雙峰值分布，5000 k N以下的工作阻力占半數以上且10000 k N以上有較少分布，說明支架在整個工作過程中呈兩種工作狀態，即平時低初撐力、低工作阻力狀態和來壓狀態，礦壓顯現明顯。

對支架工作阻力在不同受力區間的分布統計分析可以發現，支架承載多數低于其額定阻力，支架受載不均造成支架承載能力難以發揮。通過對各支架的工作阻力分布對比發現，工作面端頭支架受力情況較工作面中部明顯較差，該區域支護質量差，支架難以發揮其對頂板的控制作用，因此，對端頭支架應加強管理。

3.3.3 液壓支架合理工作阻力驗算

根據現場監測數據，以現場實測數據為基礎，以頂板來壓時液壓支架平均最大工作阻力和來壓期間支架平均最大工作阻力標準均方差來驗算支架的合理工作阻力:

式中:P——支架合理的工作阻力，k N；

Pm——周期來壓時平均最大工作阻力，k N；

σm——周期來壓時平均最大工作阻力標準均方差，k N；

K——置信度系數，取1.5。

根據表2可知，過陷落柱階段支架平均最大工作阻力Pm為6179.52 k N，來壓期間支架平均最大工作阻力標準均方差σm為1880.18 k N，帶入式（3）可得支架合理的工作阻力為8999.79 k N，所得結果與支架的額定工作阻力12000 k N的比值為75%。經過驗算可得，在過陷落柱頂板周期來壓階段，支架的工作阻力有一定的富余，可以應對非正常條件下頂板壓力突然增大的情況。

4　結論

（1）根據大采高工作面回采的技術特征，在工作面過陷落柱時，提出并制訂了一系列相關的回采工藝和安全措施，經過生產驗證取得良好經濟效益，不僅確保了工作面正常開采，還保證了設備安全運行。

（2）過陷落柱期間5310大采高工作面各支架周期來壓平均步距分布為9.1～18.9 m，各支架周期來壓時液壓支架平均動載系數分布在1.27～1.38之間。回采工作面頂板周期來壓具有不同步性，工作面下端部周期來壓步距較小，工作面上端部周期來壓步距相對較大。

（3）工作面過陷落柱階段，液壓支架工作阻力平均值分布在3000～6000 k N區間中，兩端頭支架工作阻力較低，支架初撐力和末阻力為線性關系，經驗算該工作面支架的工作阻力具有一定的富余量，能滿足工作面安全生產。

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（責任編輯 張毅玲）

Research on mining technology and adaptability of supports during passing collapse column in working face with large mining height

Zhu Ye
（School of mechanics& Civil Engineering，China University of Mining& Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

AbstractAiming at the special mining conditions during passing collapse column in 5310 working face with large mining height in Chengzhuang Mine，mining technology with shallow cutting depth during passing collapse column was put forward，which ensured the face＇s continuous advance.By monitoring and analyzing the working resistance of hydraulic supports during passing the collapse column，the roof pressure behaviors of working face during passing the collapse column were achieved，and the adaptability of supports was verified.

Key wordsworking face with large cutting height，passing collapse column，mining technology，shallow cutting depth，adaptability of support

中圖分類號TD823

文獻標識碼A

作者簡介：朱曄（1993－），男，碩士，研究方向為地下結構與工程設計。