綜采工作面液壓支架初撐控頂效果影響因素與礦壓特征研究

朱耀成

（陽煤集團天譽礦業投資有限責任公司，山西 忻州 034015）

1 工程概況

1201工作面位于張家窯南東方向，糜查咀的西部以及染峪近北方向，地面溝谷縱橫，黃土覆蓋，局部有巖石出露。工作面北西部為1202工作面，北東部為2號煤輔運大巷，南東部為1204工作面。采區地面標高為+1040～1150m，工作面標高為+1412～1522m，埋深372～423m，工作面走向長度為785m，傾向長度為180m。工作面所采2#煤層煤層厚度為4.40～6.25m，平均為 4.65m，傾角為 10°～15°，平均傾角為12°，可采儲量為91.36萬t。2號煤層結構較簡單，含夾矸約1層，其老頂為粗砂巖，均厚27.73 m，局部發育砂質泥巖、粉砂巖的直接頂，均厚3.8m。底板為泥巖。工作面采用走向長壁法綜合機械化采煤法，設計采高為4.65m，循環進度為0.8m，全部垮落法管理頂板，工作面安裝101架ZY8000-26/56型液壓支架，具體液壓支架的參數見表1。

表1 1201工作面液壓支架參數表

2 支架初撐力控頂效果影響因素

2.1 數值模型的建立及模擬過程

為了研究支架初撐力控頂效果的影響因素，本章采用UDEC軟件進行數值模擬分析。模型根據該礦1201工作面地質情況建立，模型設置為300m×100m的矩形截面，煤層厚度為4.65m，底板厚度為8.5m，采深為390m，模型上方巖層厚度約為220m，上方巖體的平均容重25kN/m3時，上部巖層荷載為5.5MPa，模型如圖1所示。

模型建立完后，選取支架初撐力Pc=5、10、15、20、25、30MPa幾種條件下進行煤層模擬開采，支架額定工作阻力設置為P=31.5MPa，開采煤層全高4.65m，工作面控頂距取為4.95m，沿工作面方向每次推進5m，累計推進85m，對煤層開采過程中的支架下縮量進行監測。

圖1 數值模擬模型圖

2.2 支架剛度對支架初撐控頂效果的影響

在工作面與支架型號確定的情況下，液壓支架剛度主要取決于立柱的密封性。支架在初撐和升壓階段處于密封狀態，支架剛度不變；當頂板壓力過大時，出于安全考慮，支架安全閥開啟，此時立柱處于非密封狀態，立柱內工作液回流，支架剛度小于初撐升壓階段[1]。

2.2.1 非來壓期間支架初撐控頂效果對比

取距工作面開切眼20m處（即非來壓階段），支架在不同初撐力作用下活柱下縮量隨時間的變化情況如圖2所示。非來壓期間的頂板并未受到大荷載擾動而處于相對穩定的狀態，當支架工作于頂板給定變形階段時，也就是虛線前之前的部分，不同初撐力條件下的活柱下縮量趨勢幾乎相同[2]；當支架已經將原本下沉的直接頂抬起時，也就是虛線前之后的部分，支架與上部頂板形成共同受力整體來承擔上部巖體載荷，支架進入增阻升壓階段，較大初撐力的活柱下縮量增加幅度較小，也就是說較大的初撐力能夠使頂板與支架更快的形成一個整體，因此在一定范圍內增加初撐力，可以縮短支架與頂板形成穩定狀態的時間。

圖2 增阻階段支架活柱下縮量隨時間變化情況

2.2.2 來壓期間支架初撐控頂效果對比

與非來壓階段不同，來壓階段支架不僅受到上部巖層載荷作用，還受到頂板在動壓擾動下的沖擊，此時支架受力顯著增大。選擇距工作面開切眼65m處（即來壓階段），支架在不同初撐力作用下活柱下縮量隨時間變化情況如圖3所示。當支架為頂板已形成的定量變形工作時，也就是虛線之前的增阻部分，不同初撐力條件下的活柱下縮量趨勢基本相同；但當頂板來壓過大時安全閥開啟，立柱內工作液回流，導致支架整體剛度下降各初撐力下的支柱下縮量都顯著增加，并且初撐力越大的支架支柱的下縮量也越大。因此，初撐力較大的支架，在頂板承受較大載荷時會使安全閥較早打開，增加了安全閥的開啟頻率，導致了支架整體剛度的下降，不利于支架對頂板的控制作用。

圖3 恒阻階段支架活柱下縮量隨時間變化情況

2.3 直接頂強度對支架初撐控頂效果的影響

上一節已經分析了不同頂板壓力情況下支架初撐的控頂效果，查閱相關資料可知，直接頂的巖性和厚度也對支架初撐控頂效果影響顯著，由于在實際的地質條件下，煤層的直接頂并不是穩定不變的單一巖體，而是隨著開采工作面的推進發生一定程度的改變[3]。本章根據1201工作面建立模型，查閱相關地質資料可知，所采2號煤層結構較簡單，其老頂為粗砂巖，局部發育砂質泥巖、粉砂巖的直接頂，均厚3.8m。因此，本節主要研究直接頂為粗砂巖、砂質泥巖、粉砂巖三種巖性的情況，通過支架初撐力與活柱下縮量的關系對支架的初撐控頂效果進行分析。

圖4 直接頂巖性變化對合理初撐支護強度的影響

查閱相關資料可知，不同巖性的直接頂強度不同，強度大小的順序為：粗砂巖＞粉砂巖＞砂質泥巖[4]。由圖4（a）可以看出，非來壓期間，砂質泥巖的合理初撐支護強度為≥807.3kPa，粉砂巖的合理初撐支護強度為≥813.5kPa，粗砂巖的合理初撐支護強度為≥831.1kPa。支架的合理初撐強度隨著直接頂強度的增加變化較小，不過直接頂巖性的增加，會使支架后方產生一定長度的懸梁，所以隨著懸梁長度的增加，支架的初撐強度也會增大。因此，為保證不同直接頂在非來壓期間的支架初撐控頂效果，支架的合理初撐支護強度應該≥831.1kPa。

由圖4（b）可以看出，來壓期間，砂質泥巖的合理初撐支護強度為≥542kPa，粉砂巖的合理初撐支護強度為≥512.4kPa，粗砂巖的合理初撐支護強度為≥502.8kPa。因為直接頂受到的荷載加大，從而支架受力增加。為了使支架更好的為增阻階段工作，隨著直接頂強度的增大，支架的合理初撐強度將減小。因此，為保證不同直接頂在來壓期間的支架初撐控頂效果，支架的合理初撐支護強度應該≥542kPa。

3 礦壓實測數據分析

上一節通過數值模擬，研究了支架剛度和直接頂強度對支架初撐控頂效果的影響。為了對1201工作面支架初撐力進行監測，在工作面布置五個測區，每個監測區域提取一個支架的初撐力進行分析[5]，分別為11#支架、33#支架、55#支架、77#支架、99#支架，支架初撐力的觀測方案如圖5所示。因工作面泵站最大工作壓力為31.5MPa，所以將初撐力頻率分布為6個范圍，支架初撐力在15d內的頻率分布見表1。

圖5 1204工作面觀測方案

表1 支架初撐力頻率分布表

由表1可知，初撐力的分布并不均勻，主要分布在20～30MPa區間，其中20MPa以上區間占到總數的50%以上。由此看出，在煤層回采過程中，支架的初撐力在20MPa以下區間分布較少，多集中在20MPa以上區間。而支架的額定初撐力為31.5MPa，實際的支架初撐力只有10%左右達到了額定初撐力，因此，大部分支架升柱初撐操作還要由工人手動控制支架完成。

4 結論

1）通過六組不同支架剛度下的數值模擬得出，非來壓期間增大支架初撐力，可以縮短支架與頂板形成平衡狀態的時間，提高頂板穩定性；來壓期間增大支架初撐力，支架工作液回流致使安全閥頻繁開啟，支架的整體剛度將有所降低，不利于支架對頂板的控制。

2）通過對三組不同巖性直接頂的數值模擬得出，非來壓期間，當工作面直接頂由強度較小的砂質泥巖頂板向強度較大的粗砂巖頂板過渡時，支架的合理初撐支護強度應增大約20 kPa；來壓期間，當工作面直接頂由砂質泥巖頂板向粗砂巖頂板過渡時，支架的合理初撐支護強度應減小40kPa左右。

3）通過對礦壓實測分析得出，1201工作面回采期間支架初撐力雖然在各個區間都有分布，但主要集中在20MPa以上區間。并且工作面自動化程度較低，未達到額定初撐力的支架仍需要人工操作。