億欣煤業X V23051工作面液壓支架適應性分析

安浩煒

（晉能控股集團晉城煤炭事業部億欣煤業，山西 沁水 048200）

1 工程概況

億欣煤業X V23051工作面主采15號煤層，平均埋深360 m，平均厚度為3.08 m，煤層平均傾角為5°，屬近水平煤層。煤層頂底板巖層見表1，直接頂巖層主要為K2石灰巖，平均厚度為7.80 m，老頂巖層煮為砂質泥巖，平均厚度1.70 m，直接底主要為炭質泥巖，平均厚度2.10 m，老底主要為泥巖，平均厚度10.51 m，煤層綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 煤層綜合柱狀圖

表1 煤層頂底板情況

2 采場上覆巖層結構分析

當中厚煤層開采后，采場上覆巖層破斷、變形、垮落并充填采空區[1]，當垮落矸石充滿采空區并對上覆巖層起到有效的支撐作用時，上覆基本頂破斷巖層將處于平衡狀態，并起到承載上覆荷載的作用，使得下方采場處于卸壓區域，如圖2（a）、（b）所示。

圖2 采場上覆巖層破斷結構力學模型

如圖2（b）所示，將巖塊B及巖塊C的長度都近似記為l，可得：

由上式可知，采場上覆關鍵巖塊所受剪切力QB和水平力T對其能否維持穩定影響很大，而剪切力QB與回轉角α成反比關系，與h/l成正比關系，而水平T與之相反，T與回轉角α成正比關系，而與h/l成反比關系。

垮落充填采空區的矸石所處的巖層就稱之為垮落帶，采場垮落帶高度與工作面回采高度及上覆巖層碎脹系數有關。億欣煤業X V23051工作面上覆巖層依次為k2石灰巖、砂質泥巖、細砂巖和中砂巖，垮落帶高度計算公式如下：

式中：Hm為垮落帶高度，m；M為回采高度，取3.0 m；KA為頂板巖層平均碎脹系數，取1.4。

由式（1）可得垮落帶高度Hm=7.5 m，由工作面鉆孔資料可知，上方k2石灰巖平均厚度約為7.65 m，當工作面回采后，全部垮落基本可以保證充滿采空區。

3 支架適應性分析

億欣煤業X V23051工作面布置有143臺液壓支架，工作面共布置15個監測站，用于檢測液壓支架工作阻力及活柱下縮量，每隔10架安裝1臺壓力監測儀，為分析方便，將15個監測站劃分為3組，以靠近軌道巷的5個監測站為上部測站，工作面中部5個監測站為中部測站，靠近回風巷的5個監測點為下部測站。

3.1 液壓支架工作阻力現場監測

X V23051工作面液壓支架工作面現場監測曲線如圖3所示。

如圖3所示，通過對比可知中部測站來壓強度大于上部和下部測站。工作面液壓支架的額定初撐力為31.5 MPa（即液壓支架油缸支架為230 mm，初撐力為2 400 kN）。在工作面推進初期，液壓支架工作阻力變化不大，當工作面推進29.1m左右，老頂初次來壓，表明在老頂來壓前，采場基本頂巖層并未破斷，頂板巖層對液壓支架工作阻力影響較小。之后，周期來壓期間，液壓支架工作阻力急劇增大，個別液壓支架超過其額定工作阻力40.9 MPa（即液壓支架油缸支架為230 mm，工作阻力為3 400 kN）?，F場觀測也發現，工作面中部部分液壓支架出現了安全閥開啟的現象，由此可見，X V23051工作面上覆巖層的破斷過程遵循“O-X”破斷規律。

圖3 液壓支架工作阻力監測曲線

3.2 工作面液壓支架偏載分析

通過對比分析工作面液壓支架立柱工作阻力及護板壓力可知液壓支架的偏載情況，現場監測曲線如圖4所示。

圖4 工作面液壓支架立柱工作阻力與護板壓力

如圖4所示，中部測站的部分液壓支架存在偏載現象，究其原因，一般有以下2點：一是在液壓支架升架注液時，前后柱注液量不一致，導致液壓支架前后柱初撐力有一點差值；二是在工作面回采過程中，在頂板巖層壓力作用下，導致部分液壓支架出現漏液現象[2-4]。如果液壓支架長期存在偏載情況，很容易造成支架損壞。因此，在液壓支架注液過程中，一定要保證前后柱注液量基本一致，并防止在工作面回采過程中出現液壓支架漏液現象。

3.3 工作面液壓支架工作阻力適時監測

工作面上、中、下監測站中，各選取1個典型的液壓支架，分別為11、71、121號液壓支架，3架液壓支架工作阻力適時監測曲線如圖5所示。工作面液壓支架初撐力及工作阻力頻率分布如圖6所示。

圖5 工作面液壓支架工作阻力適時監測曲線

如圖5所示，當液壓支架在注液達到初撐力后，在工作面推進過程中，液壓支架壓力基本呈現穩步增加的趨勢，表明液壓支架在回采過程中運行平穩。

如圖6所示，約34%的液壓支架工作阻力超過31.5 MPa，其中11%的液壓支架達到其額定工作阻力40.9 MPa，工作面回采過程中，大部分液壓支架的工作阻力小于額定初撐力，在頂板來壓期間，液壓支架的工作阻力基本都能達到額定工作阻力。

圖6 液壓支架頻率分布圖

3.4 基本頂來壓步距

工作面回采過程中，液壓支架支護強度監測曲線如圖7所示。

圖7 工作面液壓支架支護強度監測曲線

如圖7所示，當工作面推進到13.7 m時，液壓支架強度第1次達到峰值，此時直接頂巖層初次垮落。當推進到29.1 m時，液壓支架強度第2次達到峰值，且液壓支架強度大于直接頂巖層垮落時支架強度，此時基本頂巖層發生斷裂。此后，液壓支架支護強度隨著基本頂破斷巖層破斷、變形呈周期性變化，根據監測數據，工作面來壓步距及強度見表2，液壓支架動載系數見表3。

由表3可知，X V23051工作面在來壓期間，液壓支架的動載系數最大為1.48，最小為1.17，周期來壓明顯，但來壓強度并不劇烈，表明X V23051工作面頂板管理難度不大。

表3 液壓支架動載系數

3.5 液壓支架合理的工作阻力

液壓支架的合理工作阻力計算公式如下：

式中：Pm為液壓支架的最大平均工作阻力，35.02 MPa；σm為液壓支架最大平均工作阻力的標準均方差，1.18 MPa；K為置信度系數，取1.3。

由上式可得X V23051工作面液壓支架合理的工作阻力P為36.55 MPa，綜合考慮液壓支架保證10%的富裕系數，最終液壓支架的額定工作阻力應為40.2 MPa。實際所選液壓支架型號為Z Y-3400/14/32，額定工作阻力為40.90 MPa，初撐力為31.50 MPa，可以滿足工作面的安全生產需求。

4 結論

1）通過計算分析可知X V23051工作面回采后，頂板巖層垮落高度約為7.5 m。

2）現場監測結果顯示，工作面液壓支架所受荷載呈現中間大兩端小的特點，工作面中部部分液壓支架有偏載現象。總體而言，工作面液壓支架運行平穩，基本可以達到額定工作阻力，支架動載系數為1.17～1.48，頂板管理難度不大。

3）計算得到液壓支架合理額定工作阻力為40.2 MPa，實際使用的液壓支架型號為Z Y-3400/14/32，額定工作阻力為40.90 MPa，初撐力為31.50 MPa，可以滿足現場的安全生產需求。