郭莊煤業井下液壓支架在復雜地質條件下的穩定性分析

張建明

（山西潞安郭莊煤業有限責任公司，山西 長治 046100）

郭莊煤業3312綜采面位于三采區東南底部，東為實煤體，西為3313老空區，南為實煤體，北臨三采區皮帶巷。該煤層賦存于二疊系山西組地層中下部，為陸相湖泊沉積。結合3181號鉆孔及三順槽煤層結構情況，煤層厚度穩定，其煤層平均厚度約為6.14m，煤層傾角為東西+10°～+16°。其煤層地質情況如表1所示。

在實際綜采作業過程中，因地質條件復雜，液壓支架在支護過程中存在著支護不穩的現象，給煤礦井下綜采作業造成了較大的隱患。因此公司成立專門技術攻關小組，對郭莊煤業井下液壓支架在復雜地質條件下的穩定性進行分析，提升綜采作業的安全性。

表1 郭莊煤業3312綜采面地質情況匯總

1 液壓支架復雜地形條件下的承載穩定性

為了對綜采面工作時各液壓支架的承載特性進行分析，項目組在井下液壓支架上設置了壓力傳感器，對各液壓支架立柱的受力情況進行不間斷的監測。在監測期內該綜采面上的初次來壓步距約為36.3m，其平均周期來壓步距約為12.2m。在綜采作業期間各液壓支架的平均工作阻力統計如圖1所示。為了便于分析，本文在支護液壓支架組的前端、中部及后部選擇了編號分別為35、65、75、85、95、105、115、125的液壓支架為分析基準，用于分析在綜采作業期間作用在液壓支架上的載荷的分布情況。

圖1 綜采期間各液壓支架工作阻力分布情況

由監測統計結果可知，在綜采作業期間各液壓支架的工作阻力分布情況呈正態分布趨勢，工作阻力分布合理，各支架的阻力多數分布在1900～8700kN之間，僅編號為75的液壓支架在工作時的最大受力達到了12743kN。通過對綜采作業期間的礦壓監測情況分析，該處支架受力突然增加的原因在于巷道頂板處于來壓周期內，導致出現了來壓沖擊。

2 液壓支架動態穩定性影響因素

液壓支架在煤礦井下支護過程中的穩定性主要包括支護時的縱向穩定性和橫向的穩定性。其縱向穩定性主要受液壓支架的支護載荷變化影響，特別是當井下在放煤過程中會導致液壓支架的支護載荷在短時間內發生明顯的變化，此時最易產生液壓支架的縱向失穩，因此要特別對放煤工藝進行研究，避免液壓支架的載荷在短時間內發生大的波動。液壓支架的橫向穩定性主要和液壓支架兩側的立柱的受力情況有關，當液壓支架兩側立柱受力差異較大時，就會產生液壓支架的橫向失穩。

3 郭莊煤業的應用情況

通過對郭莊煤業井下液壓支架在綜采過程中的受力分析及液壓支架失穩影響因素的分析，結合郭莊煤業井下實際情況，提出了以下提高液壓支架支護穩定性的優化方案。

（1）液壓支架移架時間的優化。根據液壓支架在不同階段的工作阻力變化情況，針對性地對各階段的移架時間進行優化。通過試驗驗證將液壓支架在綜采初期（推進前35m內）的單架移架時間由最初的37s縮短為26.1s，降低移架時對臨近液壓支架的影響。在綜采作業的后期（推進到約850m以后），將移架時間由最初的37s增大到目前的44.3s，避免快速移架導致的頂板礦壓波動，使作用在各液壓支架上兩側立柱上的載荷緩慢變化，防止液壓支架產生橫向失穩。

（2）放煤時間的優化。根據分析，放煤時會導致作用在液壓支架上的載荷在短時間內發生較大的變化，極易使液壓支架產生縱向失穩，因此根據實際驗證，提出了一種新的放煤控制方案。由于井下綜采環境復雜，所以當井下液壓支架后側放煤量大時需要增加放煤時間（約為正常放煤時間的120%），當液壓支架的后側放煤量少時則減少放煤時間（約為正常放煤時間的90%）。通過對放煤時間的調整能夠顯著提升液壓支架在復雜地質環境條件下的支護穩定性，避免由于載荷變化較大而導致的失穩現象。

（3）當煤礦井下遇到斷層落差時的處理。煤礦井下落差過大會嚴重影響液壓支架在支護過程中的穩定性。根據在煤礦井下的實際試驗驗證，當斷層落差較小時，會使綜采面的液壓支架片幫情況突出，因此在該工況下可優先選用二柱式液壓支架，降低發生片幫事故的概率。當煤礦井下斷層落差較大時，優先采用四柱式大采高液壓支架，同時對液壓支架支護底座部分設置擋護結構，防止出現下滑。當井下綜采過程中出現斷層風化區域時，需要加強對風化位置的防護，避免發生垮塌事故，可采用雙層金屬護網防護結構。

4 結論

本文針對郭莊煤業井下液壓支架在復雜地質條件下支護穩定性差的缺陷，成立技術攻關小組，以ZF7000/20/36型液壓支架為研究對象，對其在綜采過程中的支護阻力分布情況進行了實時監測，根據監測結果制定了相應的優化方案，根據在郭莊煤業井下的實際應用表明：

（1）在綜采作業期間各液壓支架的工作阻力分布情況呈正態分布趨勢，僅編號為75的液壓支架在工作時的最大受力達到了12743kN。通過對綜采作業期間的礦壓監測情況分析，該處支架受力突然增加的原因在于巷道頂板處于來壓周期內，導致出現了來壓沖擊。

（2）將液壓支架在綜采初期的單架移架時間縮短，在綜采作業的后期，將移架時間增大，能夠避免快速移架導致的頂板礦壓波動，使作用在各液壓支架上兩側立柱上的載荷緩慢變化，防止液壓支架產生橫向失穩。

（3）當井下液壓支架后側放煤量大時需要增加放煤時間，當液壓支架的后側放煤量少時則減少放煤時間。通過對放煤時間的調整能夠顯著提升液壓支架在復雜地質環境條件下的支護穩定性，避免由于載荷變化較大而導致的失穩現象。