田莊煤礦炮采工作面液壓支架適應性研究

解鵬雁,董宗斌

(潞安環保能源開發股份有限公司 王莊煤礦,山西 長治 046204)

炮采工作面采用液壓支架支護的開采方式在我國比較鮮見,但該方式對改善作業環境安全程度、降低工人勞動強度等有其積極的意義[1]。臨沂礦業集團田莊煤礦3601炮采工作面正在使用泰安煤機廠生產的ZZ2400/08/15型液壓支架支護[2],為檢驗該工作面液壓支架是否能很好地滿足支護要求,特對支承壓力大小及分布規律、支架工作狀況等進行了深入系統的研究,以評價工作面液壓支架的適應性[3-5],為頂板控制提供合理指導,保證安全生產。

1 工作面地質與生產條件概況

3601工作面為二采區16#煤層南翼第一個采煤工作面,煤層厚度為1.1 m～1.5 m,平均1.22 m。工作面埋深為203 m～251 m,走向長度為637 m,傾斜長度為272 m,構造比較簡單,斷層落差較小,突水系數均小于正常塊段的臨界突水系數,因此,可安全回采。工作面采用走向長壁采煤法,全部垮落法控制頂板。工作面采用對拉面布置,炮采工藝,液壓支架支護,上、下面錯距為3.6 m～5 m,總計配置支撐掩護式液壓支架212架。

2 工作面礦壓觀測方案

2.1 儀器選擇

液壓支架的工作阻力通過每根立柱柱腔液體壓力來反映,通常可通過監測立柱內壓來計算其工作阻力。本項目采用青島萬豐儀器儀表公司生產的YTL-610SM型圓圖自記儀進行液壓支架工作阻力的自動和連續記錄。

2.2 數據采集

選擇對3601工作面下面的下部106#、中部61#及上部21#和20#液壓支架的左前柱和右后柱受力進行觀測,見圖1,共計8個圓圖壓力自記儀。

監測期間,只需每天換一次記錄紙,并在記錄紙上標明架號、液壓支架的前后柱、換紙日期。在換記錄紙的同時,測量液壓支架的活柱長度[6]。

圖1 工作面礦壓觀測測區布置Fig.1 Layout of pressure observation areas of the working face

2.3 日常數據整理與分析

圓圖自記儀記錄的P-t曲線內容很豐富,但直接看記錄曲線很不直觀,分析支架阻力變化規律必須對其加以整理和計算。一般需根據記錄曲線及時整理以下內容[7]:

1)按監測循環計算支架的初撐力P0、循環末阻力Pm和時間加權平均阻力Pt。

循環末阻力Pm指循環末支架移架前的工作阻力,可由下式計算:

式中:Qmi為實測循環末油缸內工作壓力,MPa;D為立柱油缸內徑,mm;z為支架立柱數目。

時間加權平均工作阻力Pt指一個采煤循環內以時間為加權計算的平均工作阻力,可按下式近似求得:

式中:ti為時間,min;Pi為支架阻力,kN。

2)統計支架的工作特性曲線。統計不同時期(如周期來壓或非周期來壓時)各循環阻力——時間關系曲線中各類型的百分比,可以分析頂板壓力的大小和支架對頂板的適應性。

3 支架初撐力及工作阻力觀測結果分析

3601工作面基本支架型號為ZZ2400/08/15,為四柱支撐掩護式支架,單顆立柱的額定初撐力為31.5 MPa,額定工作阻力為600 kN(39.7 MPa)。一般情況下,在工作面正常回采期間要求單顆立柱初撐力達到額定值的80%,應為25.2 MPa。

3.1 初撐力

支架初撐力是采場支護中的一個重要參數,其作用有兩個:一是確保支架按設計的增阻規律來增阻,使支架處于合理的工作狀態,發揮其最大的支護效能;二是抑制頂板的早期下沉,最大限度地保持直接頂的完整,防止冒頂及頂板離層,有效避免動壓沖擊[8]。

3601工作面推進過程中各支架循環初撐力分布區間與頻率關系見圖2。

圖2 單顆立柱循環初撐力分布區間及頻率關系Fig.2 Relationship between setting load distribution interval and frequency

由圖2可知,在3601工作面隨工作面推進過程中,各支架單顆立柱的平均初撐力最大為額定初撐力的52.36%,最小僅為額定初撐力的39.68%,均遠未達到額定初撐力的80%。

由于經費和其他方面的原因,學校組織的社會實踐活動多以參觀工廠企業為主，也有社區、養老院服務等。而且這類活動多由團委組織，并沒有專業教師地參與和指導。但是要做好大學生社會實踐活動，從項目、基地、內容、技術等方面出發，都離不開專業老師的指導。缺乏指導的大學生社會實踐多數流于表面，社會實踐報告多為象征性地做一些簡單的社會調查,缺乏對實際問題的研究和分析,更沒有深入探討解決問題的方法和措施。

計算各支架前柱、后柱和整架(四個支柱)平均初撐力及利用率(平均初撐力與額定初撐力的比值),統計結果如表1所示。

表1 支架立柱初撐力及利用率Table 1 Setting load and utilization rate of the support columns

從初撐力的平均值可見:支架的初撐力遠小于其額定初撐力的80%。

3.2 循環末阻力

在正常情況下,循環末阻力為循環內的最大工作阻力。它是反映礦壓顯現強弱、評價支架額定工作阻力是否滿足支護要求的重要指標[7]。

通過觀測可知,4架支架單顆立柱的工作阻力大多在525 kN～570 kN(35 MPa～38 MPa)之間,已相當接近其額定工作阻力(見圖3)。

3601工作面支架前柱、后柱和整架平均循環末阻力及利用率統計結果如表2所示。

圖3 單顆立柱循環末阻力分布區間及頻率分布Fig.3 Distribution interval and frequency distribution of end-of-loop resistance of single column

表2 支架循環末工作阻力及利用率Table 2 End-of-loop working resistance and utilization rate of the support

由表2可知:整體支架循環末阻力均小于但已接近支架額定工作阻力,工作阻力安全系數較小。

3.3 時間加權工作阻力

由于支架阻力是隨時間不斷變化的,所以,僅以循環末阻力還不足以反映支架的全面受力情況。例如,兩個不同循環支架立柱的末阻力可能相近或相等,但在循環內其受力卻可能差別很大,兩個循環支架的受力不能認為是等同的。而用時間加權平均工作阻力則可以反映出這一差別[7]。

圖4 單顆立柱時間加權工作阻力分布區間及頻率分布Fig.4 Time-weighed working resistance distribution intervals and frequency distribution of single column

表3為3601工作面支架時間加權工作阻力分布及利用率情況。

表3 支架循環時間加權工作阻力及利用率Table 3 Time-weighed working resistance and utilization rate of the supports

從前、后柱及整架循環末阻力發揮程度來看,3601工作面支架循環時間加權工作阻力安全系數很小。

3.4 周期來壓時支架工作阻力

表4統計了工作面老頂7次周期來壓期間及來壓前所測支架的工作阻力數據。由表可見,周期來壓時,4架支架的平均工作阻力為2 304.24 kN,達到額定工作阻力的96.01%,說明支架額定工作阻力安全系數偏小,一旦頂板發生動壓沖擊,支架容易被壓死而發生頂板事故[9]。

表4周期來壓期間各支架工作阻力
Table 4 Working resistance of each support during periodic weighting kN

架號106#61#21#20#平均 老頂周期來壓1234567平均前1 269.521 523.431 112.34918.891 206.05時2 351.642 164.232 224.692 345.592 271.84前1 511.341 547.61773.801 112.341 236.27時2 345.592 212.592 333.502 252.492 286.35前1 571.791 370.48737.531 003.531 170.98時2 309.922 212.592 333.502 312.342 292.39前1 632.241 051.891 100.25894.711 169.77時2 324.432 309.322 381.862 393.952 352.85前1 329.971 230.23979.351 100.251 160.10 時2 279.092 333.502 303.882 212.592 282.12前1 342.071 662.47——1 502.27時2 309.322 381.86——2 345.59前1 586.30———1 586.30時2 369.77———2 363.73前1 463.581 397.68940.651 005.941 201.81時2 324.432 273.052 303.272 303.272 304.24比值1.591.632.452.291.64

4 工作面支架使用現場觀測

對3601工作面近2個月的現場觀測發現,該工作面使用ZZ2400/08/15支撐掩護式液壓支架后,支架前后柱常常不能同時升起,相當一部分支架在升架時只給后柱供液,個別支架存在串漏液、安全閥泄露鎖不住立柱下腔液體的現象;支架工在升架時怕出現明顯錯茬,支架未達到初撐力就停止供液。因此,造成支架初撐力降低。

另外,使用液壓支架后,該工作面采煤工序變得繁瑣,工作空間降低,工人勞動環境變差,造成工作面每日單產降低。

5 支架適應性分析

通過對3601工作面液壓支架工作阻力的監測,計算其初撐力、循環末工作阻力和支架時間加權工作阻力,可以得到以下結論:

1)在3601工作面隨工作面推進過程中,支架的平均初撐力遠小于其額定初撐力的80%,初撐力較低。這使得支架不能發揮其最大的支護效能,也不能有效抑制頂板的早期下沉,容易發生冒頂及頂板巖層離層,從而發生動壓沖擊。

2)支架前柱、后柱、整架的平均循環末阻力分別占額定工作阻力的89.74%、94.50%、92.12%。工作面老頂周期來壓時,支架單顆立柱平均工作阻力為2 304.24 kN,達到額定工作阻力的96.01%,說明支架額定工作阻力安全系數偏小,一旦頂板發生動壓沖擊,支架容易被壓死而發生頂板事故。

3)支架前柱、后柱、整架的平均循環時間加權工作阻力分別占額定工作阻力的88.67%、93.11%、90.89%,整架最大時間加權平均工作阻力平均為2 344.18 kN,占額定工作阻力的97.43%;從整架循環時間加權工作阻力來看,3601工作面支架工作阻力安全系數偏小,不能很好地滿足工作面頂板安全支護的要求。

綜上所述,在3601工作面頂底板地質及生產條件下,ZZ2400/08/15型支撐掩護式液壓支架對本工作面頂底板支護的適應性較差。