榆樹田特厚煤層綜放液壓支架承載特征與適應性研究

曹衛軍

（徐州礦務集團有限公司新疆夏闊坦礦業公司，新疆 庫車 842000）

綜采工作面液壓支架如果承載能力不夠、對頂板適應性差，將對整個工作面的安全、生產、效益都帶來極大影響，不僅產量低，投入大，而且經常因為片幫冒頂等造成人身事故。榆樹田煤礦位于新疆庫車縣以北阿格鄉夏闊坦村附近，110501工作面是礦井首采工作面，所采煤層厚度大而且相對比較堅硬，埋藏深度較淺。由于新礦井剛開始生產，現有綜采設備可靠性低，特別是液壓支架對頂板支護的適應性還沒有完全科學掌握和驗證，給現場安全生產管理帶來不確定因素。因為煤層覆存比較穩定，地質條件比較簡單，所以支架的適應性重點考慮承載能力。通過支架支護強度計算分析，現場實測分析支架加權阻力（時間加權阻力）分布特征、工作阻力頻率分布特征等方法，從不同角度分析研究榆樹田煤礦11采區地質條件下，特厚煤層綜采工作面液壓支架承載特征與適應性問題，進一步分析評價、驗證現有支架的安全性、可靠性、經濟性，確認支架的支撐力適應頂板載荷的要求，為安全高效生產提供實踐保障，具有一定的理論價值和現實意義。

1 工作面地質概況

110501工作面為榆樹田煤礦首采工作面，所采為侏羅系下統塔里奇克組下5號煤層。煤層平均厚度9.50m，煤層平均傾角12.5°，煤層結構整體較簡單，全區可采，屬特厚穩定緩傾斜煤層，煤層比較堅硬。工作面走向長度1580m，傾斜長170m，安裝型號為ZF9000/20/32的支撐掩護式液壓支架共113架，支架主要技術參數見表1。工作面采用走向長壁后退式綜合機械化放頂煤一次采全高開采方法，沿下5煤底板回采，采高3m，放頂煤厚度5.5～7m，采放比平均1:2。工作面移架為依次順序追機移架，最大控頂距5.94m，最小控頂距5.19m，放頂步距0.75m，老塘采用全部垮落法管理頂板。該工作面地面平均標高+1762.5m，井下工作面平均標高+1467m，平均埋深-295.5m。工作面頂板總厚度為20m左右，以粉砂巖和細砂巖為主，頂板屬于半堅硬頂板，巖體相對較完整。其中基本頂平均厚度為13.94～16.52m，工作面直接頂以粉砂巖為主，泥質膠結，平均厚度為3.48m～6.06m。工作面頂板上方為下4煤層。

表1 工作面液壓支架主要技術參數

2 工作面液壓支架支護強度計算分析

2.1 巖層結構法

工作面支架工作阻力支撐垮落帶頂板巖層和頂煤的重量，并平衡基本頂失穩時對支架的動載，計算公式為：

式中：

q—工作面支架所需的支護強度，MPa；

Kd—基本頂失穩時的動載系數；

qd—垮落帶巖層自重力，kN/m2；

qm—支架上方頂煤自重力，kN/m2。

根據榆樹田煤礦基本情況，動載系數取1.31，實際計算時取1.8的動載系數；頂煤自重力qm=rm·M，rm為 15kN/m3，M 為頂煤厚度，取5.45m，計算qm為 81.75kN/m2；同理，qd=rd·M1，rd為25kN/m3，M1為24m，計算qd為600kN/m2。

工作面支架所需的支護強度為1227.15kN/m2，即1.2MPa；支架架寬1.5m，最大控頂距4.5m，工作面支架所需最大阻力為8084kN；這個值小于所選支架額定阻力的90%。

2.2 統計類比法

綜放工作面支架支護阻力與煤層強度、采深成正比，與頂煤厚度成反比。在此前提下，根據對我國多個綜放面實測支架最大載荷Pmax與煤層硬度普氏系數f、采深H以及頂煤厚度M進行回歸，得到經驗公式為：

榆樹田煤礦110501工作面頂煤單軸抗壓強度為21.35MPa，f值取2.1，埋深300m，經計算得到Pmax為3584kN，取安全系數為1.8，設計支架載荷為6451kN，這個值小于所選支架額定阻力的90%。

通過以上計算分析，榆樹田煤礦110501工作面的支架承載特性和適應性良好。

3 支架適應性分析

3.1 工作面礦壓觀測實施方案

110501工作面平均走向長1580m，傾向長170m，110501工作面安裝型號為ZF9000/20/32的液壓支架共113架。沿工作面傾斜方向安設KJ327型礦山壓力在線監測儀，包括1套主站、15套分站，在工作面支架每7～8架安裝1個在線監測儀，工作面均勻布置15個測站，分別為1#～15#。

KJ327礦山壓力在線監測儀實時對工作面支架的載荷及其工況連續不間斷地在線監測，以此確定綜采工作面頂板的活動壓力變化規律，依據工作面液壓支架工作阻力的監測數據結果，結合現場支架的工作狀態進行統計分析，進而評價工作面支架選型對頂板條件開采的適應性。在未安設自動檢測系統的支架上安裝機械式壓力表進行監控。為了便于研究，把工作面15個測站劃分為上部、中部、下部三組來分析，工作面沿走向推進距離為220m，過程中進行大量的支架來壓數據采集統計，在此基礎上通過分析支架工作阻力頻率分布特征、加權阻力（時間加權阻力）分布特征的方法，從不同角度分析研究工作面液壓支架承載特征與適應性。

3.2 支架工作阻力頻率分布特征

支架工作阻力的頻率分布是根據支架工作期間阻力大小所在范圍的百分比來進行計算。在理想狀態下，支架阻力頻率的分布是符合正態分布的，即兩端低阻力和高阻力區域所占比例少，絕大部分分布在中間區域。當低阻力所占比例大時，說明支架的實際使用效率低，支架承載能力富余量大；當高阻力范圍占具比例較大時，則表明支架長期處于超負荷工作狀態，支架的額定工作阻力小，達不到現場要求的支護能力，將造成安全閥頻繁開啟，影響支架的使用壽命。首先把工作阻力從0～35MPa之間劃分8個范圍，經過統計分析得工作面支架工作阻力頻率分布統計結果，見表2。根據工作阻力頻率統計結果按照工作面上、中、下三個區域作工作面支架工作阻力頻率分布圖，如圖1（a）、（b）、（c）所示。

表2 工作面支架工作阻力頻率統計表

由工作面工作阻力頻率分布圖可以看出：工作面中部壓力主要集中在25～35MPa，兩端壓力主要集中在20～30MPa，分布曲線成近似的正態分布。

3.3 加權阻力變化特征分析

加權阻力（時間加權阻力）采用一個工作面推進循環內支架阻力的平均值，時間加權阻力更能反映循環期間的支架承載情況。依據工作面液壓支架的運行狀態即工作阻力的監測結果，并對各監測支架的工作阻力均值隨工作面推進過程中的變化進行大量統計分析，見表3，由此來研究分析工作面沿走向推進過程中支架載荷變化分布規律，進一步檢驗支架的承載能力。

圖1 工作面支架工作阻力頻率分布圖

表3 支架工作加權阻力統計分析表

通過分析，支架時間加權阻力最大占額定阻力的66.39%，工作面支架的承載特性和適應性表現較好。

在工作面推進過程中對煤壁和外圍巷道進行觀測，沒有出現大面積片幫、“炸幫”、漏（冒）頂等情況，外圍巷道也沒有出現位移、變形、離層等現象，也進一步驗證了支架的承載特性和適應性。

4 結語

（1）通過巖層結構法和統計類比法對工作面液壓支架所需支護強度進行計算分析，得出工作面支架所需最大阻力小于所選支架額定阻力的90%。

（2）在礦山壓力觀測結果的基礎上，通過分析研究支架工作阻力頻率分布特征、加權阻力（時間加權阻力）分布特征，不同角度對110501工作面特厚煤層地質條件下液壓支架工作承載能力與適應性征進行了分析、評價。

（3）由工作面支架工作阻力頻率分布特征看出：工作面中部壓力主要集中在25～35MPa，兩端壓力主要集中在20～30MPa，分布曲線成近似的正態分布。

（4）通過時間加權阻力統計分析，工作面液壓支架加權阻力最大占額定阻力的66.39%，支架的承載特性和適應性表現良好，滿足現場安全生產需要。榆樹田煤礦110501工作面現有支架的承載能力和適應性良好，整體穩定，表現合格。