綜放工作面支架工作阻力及適應(yīng)性分析研究

曾得國(國家能源集團神東保德煤礦， 山西 保德 036600)

1 前言

液壓支架作為綜合機械化采煤工藝中最重要的頂板支撐裝備，其工作阻力與頂板的適應(yīng)性對控制采煤工作面礦山壓力舉足輕重。

支架合理的支護強度要能平衡回采工作面頂板壓力，除保證支架架型良好、部件不折損等要求外，最主要的支護目標(biāo)是要實現(xiàn)回采工作面頂板處于良好控制狀態(tài)[1-2]。

2 保德煤礦81306工作面概況

81306工作面煤層厚度呈北厚南薄之趨勢，回撤段較厚約10.39m，切眼段較薄約4.85m，平均厚度6.83m，傾角3°～7°，平均4°，埋深337～384m。工作面所采煤層為二疊紀(jì)煤層，煤層總體近南北走向，呈向西傾斜的單斜構(gòu)造。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，夾矸4～5層，巖性為泥巖及炭質(zhì)泥巖，單層夾矸最大厚度0.7m。煤層及頂板裂隙較為發(fā)育，在煤層起伏變化處發(fā)育強烈，造成頂板破碎冒落。工作面開切眼至1 635m處回采段發(fā)育有古河流沖刷帶，沖刷帶巖性為灰白色含礫粗?；◢弾r，最大下切深度為1.8m，推進至此處時，煤層變薄，頂板較為破碎。

81306工作面位于8#煤層三盤區(qū)，工作面長度為240m，推進長度2 696.4m，一側(cè)采空。81306工作面位于二號主輔大巷以南，工作面采用三巷布置：其中下巷為81306膠運順槽(寬×高：5.0×3.8m)，布置有轉(zhuǎn)載機、破碎機、移動變電站、泵站、電氣列車、順槽皮帶機，布置方式為機軌合一，承擔(dān)著運煤、進風(fēng)和行人任務(wù)。上巷采用兩巷布置：81306一號回風(fēng)順槽(4.5m×3.6m)承擔(dān)著運料、行人及工作面回風(fēng)任務(wù)；81306二號回風(fēng)順槽(4.5m×3.6m)承擔(dān)工作面回風(fēng)、采空區(qū)瓦斯排放任務(wù)。工作面布置如圖1所示。

圖1 81306工作面巷道布置圖

綜采工作面使用的支架為平頂山煤礦機械有限責(zé)任公司生產(chǎn)的ZFY12500/25/39D放頂煤電液控支架支護，具體參數(shù)見表1。

表1 ZFY12500/25/39D液壓支架技術(shù)特征表

3 頂板運動規(guī)律及支架工作阻力分析

3.1 礦壓觀測方案

頂板運動規(guī)律主要以工作面支架工作阻力的周期性變化和工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律作為判別的標(biāo)準(zhǔn)[3-4]。三盤區(qū)已采81306工作面共布置141臺(基本支架129臺)支架，統(tǒng)計了工作面上部、中部和下部的25#、50#、70#、90#、120#5個支架的工作阻力，其中上部1個測站、中部3個測站和下部1個測站。在工作面正常推進的441.6～564.0m過程中，分析它們的變化。

3.2 頂板運動規(guī)律

周期來壓是指當(dāng)采煤工作面繼續(xù)推進，基本頂懸露的跨度達到一定長度時，基本頂在其自重及上覆巖層載荷的作用下，將沿煤壁甚至在煤壁內(nèi)發(fā)生折斷和垮落，隨工作面的推進這種垮落現(xiàn)象周而復(fù)始的出現(xiàn)。周期來壓步距c是由來壓持續(xù)步距a(也稱顯著運動步距)和非來壓持續(xù)b(也稱相對穩(wěn)定步距步距)組成，即c=a+b。

正常推進階段頂板運動步距統(tǒng)計信息見表2。由表2可知，在工作面正常推進(441.6～564.0m)約122.4m過程中，81306工作面上部(機頭)經(jīng)歷了8次周期來壓，中部工作面經(jīng)歷了8～9次周期來壓，下部(機尾)工作面經(jīng)歷了8次周期來壓。

工作面頂板周期來壓統(tǒng)計見表3，由表3可知，5個重點支架來壓持續(xù)步距平均值a=4.2～7.8m，a=0.42c。工作面持續(xù)來壓時間較長。90#支架處顯著運動步距最大7.8m；70#支架處顯著運動步距較大6.7m，25#支架處顯著運動步距最小4.2 m。頂板非來壓持續(xù)步距步距平均值b=8.3m，90#支架處相對穩(wěn)定步距平均值最小7.1m，25#支架處相對穩(wěn)定步距平均值最大9.9m。

5個重點支架頂板的周期來壓步距平均值c=13.2～14.9m，各重點支架周期來壓平均值相差不大。50#支架周期來壓步距變化范圍上限最小16.0m，90#支架周期來壓步距變化范圍上限最大24.0m；50#支架周期來壓步距平均值最小13.2m，90#支架處周期來壓步距平均值最大14.9m。

3.3 支架工作阻力及其分布

支架循環(huán)末阻力是支架工作阻力是否滿足控頂要求的主要評判標(biāo)準(zhǔn)[5-6]。支架循環(huán)末工作阻力統(tǒng)計見表4，從表中看出，基本頂周期來壓時，工作面5個重點支架來壓持續(xù)期間內(nèi)，支架平均值均未超出支架額定工作阻力；統(tǒng)計時段內(nèi)，工作面50#支架推進到453.2m處時，最大工作阻力12 472kN。支架工作阻力能整體能夠滿足現(xiàn)階段周期來壓對頂板壓力控制的要求。

3.4 支架動載系數(shù)

頂板運動引起了支架工作阻力及其變化，可以用來壓前和來壓時支架上的頂板壓力差異來描述頂板運動對支架工作阻力的影響[7-8]。動載系數(shù)Kd=來壓時支架工作阻力/來壓前支架工作阻力。

表2 保德礦81306工作面正常推進階段頂板來壓步距

表3 保德礦81306工作面頂板周期來壓步距統(tǒng)計

表4 保德礦81306工作面支架循環(huán)末工作阻力統(tǒng)計

以整架工作阻力衡量支架動載系數(shù)，工作面正常推進階段，5個重點部位支架動載系數(shù)均值1.28，120#支架動載系數(shù)較大為1.32，90#動載系數(shù)較小為1.22。工作面屬周期來壓明顯工作面。具體情況見表5。

4 采場礦壓顯現(xiàn)特征

4.1 支架受力

工作面正常推進階段(441.6～564.0m)工作面礦壓實測工作阻力及其變化曲線如圖2至圖4所示。

通過分析工作面正常推進階段上部、中部和下部3個支架工作阻力壓力顯現(xiàn)，可以明顯看出：工作面在正常推進階段(441.6～564.0m)過程中，記錄的支架循環(huán)末阻力均值都未超過額定工作阻力(12 500kN)，來壓時3個重點支架的循環(huán)末阻力均值11 399kN，占額定工作阻力的91.2%，此時支架處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)。工作面來壓時，各支架分別出現(xiàn)8～9次壓力峰值，預(yù)示著頂板出現(xiàn)有規(guī)律的多次運動斷裂冒落，最大工作阻力出現(xiàn)在70#支架，工作面推進到528.9m處時，最大工作阻力12 482kN。頂板運動引起的支架壓力顯現(xiàn)是有規(guī)律的，礦壓顯現(xiàn)是明顯的。

表5 保德礦81306工作面正常推進階段支架動載系數(shù)Kd統(tǒng)計

圖2 25#支架實測工作阻力及其變化曲線圖

圖3 70#支架實測工作阻力及其變化曲線圖

圖4 120#支架實測工作阻力及其變化曲線圖

4.2 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

工作面礦山壓力顯現(xiàn)的主要形式：頂板下沉、支架變形與折損、頂板破碎或大面積冒落、煤壁片幫、支柱插入底板、底板膨脹鼓起等。

三盤區(qū)已采81306工作面采用放頂煤開采，采用平煤機ZFY12500/25/39D兩柱掩護式放頂煤支架。工作面在來壓時礦壓顯現(xiàn)不明顯，支架活柱下縮量200～260mm，工作面煤壁片幫值一般400～500mm，工作面中部50#～90#支架來壓時壓力較大。

5 工作面頂板控制效果

頂板控制“好”標(biāo)準(zhǔn)，就是在現(xiàn)有的技術(shù)和裝備水平下，能最大限度地消除回采工作面頂板事故隱患，保證頂板處于良好狀態(tài)(保持頂?shù)装逡平?、頂板臺階下沉量、端面、冒高、煤壁片幫等頂板參數(shù)在一定限度之內(nèi))并能滿足采煤工藝和參數(shù)要求。

頂板控制效果主要包括兩個方面的參數(shù)，第一是支架支護參數(shù)，如初撐力、工作阻力和支護強度；有支護的護頂功能參數(shù)，例如對頂梁前梁的支護力，煤壁護幫能力等；支架的橫向及縱向參數(shù)，例如兩個方向的偏斜角度等。第二是頂板狀態(tài)參數(shù)，有頂?shù)装逡平?、端面冒高、臺階下沉等。

根據(jù)上述要求，觀測保德礦三盤區(qū)已采81306工作面支架的工況：

(1)支架“支頂”功能：支架工作阻力和支護強度已經(jīng)基本充分發(fā)揮。由統(tǒng)計可知，來壓時支架工作阻力平均11 399kN，約占支架額定工作阻力12 500kN的91.2%。其中工作面中部50#～90#支架來壓時基本處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)，即來壓時支架循環(huán)末阻力均值占額定工作阻力的91.1%～94.2%。來壓時支架在額定工作阻力峰值處卸壓，基本實現(xiàn)恒阻工作狀態(tài)。

(2)支架“護頂”功能：支架護頂護幫能力滿足維護端面頂板維護和煤壁正常控制的要求。設(shè)計支架采用整體頂梁，支架采用二級護幫結(jié)構(gòu)。來壓時支架活柱下縮量200～260mm，工作面煤壁片幫值一般為400～500mm，工作面中部50#～90#支架來壓時壓力較大。

(3)支架縱橫向穩(wěn)定性：使用過程中，基本沒有發(fā)生過支架縱向和橫向傾斜歪倒等明顯的支架失穩(wěn)現(xiàn)象。

6 結(jié)論

(1)頂板的周期來壓步距平均值c=13.2～14.9m/14.2m，各重點支架周期來壓平均值相差不大?；卷斨芷趤韷簳r，工作面5個重點支架來壓持續(xù)期間內(nèi)，支架平均值均未超出支架額定工作阻力，5個重點部位支架動載系數(shù)均值1.28，120#支架動載系數(shù)較大為1.32，90#動載系數(shù)較小為1.22。說明工作面屬周期來壓明顯工作面。

(2)工作面整體周期來壓時支架工作阻力平均11 399kN，約占支架額定工作阻力12 500kN的91.2%。說明工作面屬持續(xù)來壓時間較長工作面。

(3)90#支架處顯著運動步距最大為7.8m，中部50#～90#支架來壓時基本處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)，支架循環(huán)末阻力均值占額定工作阻力的91.1%～94.2%。來壓時支架活柱下縮量200～260mm/252mm，工作面煤壁片幫值一般為400～500mm，工作面中部50#～90#支架來壓時壓力較大。說明工作面屬于礦壓顯現(xiàn)較強烈工作面。

(4)來壓時支架在額定工作阻力峰值處卸壓，基本實現(xiàn)恒阻工作狀態(tài)，說明支架“支頂”功能已經(jīng)基本充分發(fā)揮。

(5)從支架的適應(yīng)性分析，使用過程中，基本沒有發(fā)生過支架縱向和橫向傾斜歪倒等明顯的支架失穩(wěn)現(xiàn)象，支架縱橫向穩(wěn)定性較好，說明支架支護能滿足該工作面支護要求。