特厚煤層綜采工作面液壓支架工作狀態分析

席小斌 楊亞偉 錢國棟

（國電建投內蒙古能源有限公司察哈素煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017209）

1 概述

液壓支架是綜合機械化采煤工作面的主要設備之一，一次性投資占綜采裝備總資金的70%以上[1]。液壓支架的工作狀態是支架選型的依據，決定了支架能否適應特定煤層和頂底板賦存條件。對于6～20m的厚煤層[2]而言，由于采高的增加，支架工作阻力顯著增大、穩定性降低，液壓支架的工作狀態更為復雜[3]。

國內眾多學者針對特厚煤層開采條件下支架結構的優化設計[4]和適應性分析[5]以及開采工藝等開展了大量研究[6]。針對液壓支架工作狀態的研究是保障綜采工作面安全、高效和連續生產的基礎，目前的研究仍然相對不足。

本研究以察哈素煤礦特厚煤層開采為背景，對綜采工作面支架工作狀態進行分析，為合理的支架選型奠定基礎，為綜采工作面安全高效生產提供工程實踐依據。

2 地質概況

2.1 煤層賦存情況

察哈素煤礦主采煤層厚度為0.3～7.45m，平均厚度4.28m。工作面煤層厚度5.65～6.40m，平均6.03m。煤層埋藏深度338～416m，煤層傾角為1～3°。頂板以上30m至底板以下20m范圍內的巖石以深灰色砂質泥巖、粉砂巖為主，局部為中、細粒砂巖。各主要可采煤層直接頂底板巖石主要為深灰色砂質泥巖、泥巖和粉砂巖。

2.2 頂底板賦存情況

根據前期力學測試可得巖石的平均抗壓強度多數在30MPa左右。煤層頂板巖石強度低，穩固性差，局部裂隙發育，易發生局部冒落現象。

煤層上方偽頂為厚0～0.80m的炭質泥巖、砂質泥巖、泥巖；直接頂為砂質泥巖、中粒砂巖、粗粒砂巖，厚度為1.67～8.30m，平均4.65m；基本頂為細粒砂巖、泥巖、砂質泥巖，厚度10.8～34.65m，平均18.99m；底板為泥巖、砂質泥巖，強度低，分層較多，遇水易泥化、膨脹，平均厚度1.35m。底板泥巖單軸抗壓強度為11.38MPa，泥巖中含有伊利石、高嶺石和伊蒙混層礦物成分，3種礦物成分分別為48%、39%和7%，具有明顯的吸水膨脹性。

3 液壓支架工作狀態分析

3.1 支架工作阻力監測

工作面所用液壓支架為ZY12000/28/63D型掩護式支架，額定工作阻力為12000kN，支護強度為1.29MPa，支架中心距為1750mm，立柱缸徑為400mm，額定初撐力為31.4MPa（7916kN），作業規程規定的初撐力為25.2MPa（6333kN）。為了獲得準確的液壓支架工作狀態，選取31307和31311兩個特厚煤層綜采工作面開展支架支護阻力監測。兩工作面長度分別為228m和290.8m。通過在線監測，可獲得連續生產條件下支架的工作阻力變化情況，以10#支架為例，如圖1所示。

圖1 工作面10#支架工作阻力連續監測

3.2 31307工作面支架工作狀態分析

基于支架工作阻力監測數據，對31307工作面支架支護阻力數據進行統計，選取靠近工作面上下端頭處支架2#和10#，104#和128#，以及工作面中部支架63#和72#，可獲得支架的工作狀態變化情況如圖2所示。

圖2 31307工作面不同區域支架工作阻力狀態分布

由工作面不同位置支架工作阻力分布狀態可知，工作面支架壓力呈現典型的“中間大、兩端小”分布趨勢。工作面兩端頭支架工作阻力多分布在8000kN以下，其中上端頭區域支架工作阻力在8000kN以下所占比重為81.2%，下端頭區域支架工作阻力在8000kN以下所占比重為90%以上。工作面中部支架工作阻力以6000～7000kN為中心呈現較好的正態分布規律。其中，在88#支架處，工作阻力在10000～11000kN頻率最多，達到10.7%，但所有支架工作阻力未出現超過11000kN的情況。

整體來看，31307工作面支架工作阻力相對較低，普遍在額定工作阻力以下，12000kN支架能夠較好適應該工作面支護狀態。

3.3 31311工作面支架工作狀態分析

對31311工作面支架支護阻力匯總分析可得工作面不同位置支架工作阻力狀態如圖3所示。

圖3 工作面不同區域支架工作阻力狀態分布

由31311工作面不同位置支架工作阻力分布狀態可知，與31307工作面類似，工作面兩端頭支架工作阻力多分布在8000kN以下，其中上端頭區域支架工作阻力在8000kN以下所占比重為78%，下端頭區域支架工作阻力在8000kN以下所占比重為72%。工作面中部支架工作阻力偏高，其中在11000kN以上所占比例為在84#支架處達到19.46%。在連續支護過程中，工作面中部支架普遍出現超過12000kN額定支護阻力的情況，導致安全閥開啟，特別是在84#支架處，該種情況所占比例達到1.67%。

因此，當工作面傾向長度由228m擴展至290.8m時，工作面來壓強度明顯增大，雖然正常回采期間，支架支護強度可滿足頂板支護要求，但從工作面中部支架工作阻力分布狀態可知，其支架支護強度富裕系數較小。

4 結論

通過對察哈素煤礦特厚煤層綜采工作面支架工作阻力的連續觀測，在工作面傾斜長度變化條件下，獲得了液壓支架在不同區段工作阻力所占比例。結果顯示工作面支架壓力呈現中部大兩端小的變化趨勢，工作面兩端頭支架工作阻力多在8000kN以下；當工作面長度較小時，支架工作阻力以6000～7000kN為中心呈現正態分布；工作面長度的增加，支架峰值支護阻力普遍接近或超過額定工作阻力，導致安全閥開啟，支架工作阻力富裕系數明顯降低。