綜采放頂煤液壓支架動(dòng)態(tài)承載特性及適應(yīng)性研究

吳文曉

（晉能控股集團(tuán)朔州煤電公司，山西 朔州 038300）

綜采高放開采具有提高破煤作用的圍巖壓力、增大通風(fēng)斷面、增大支架后方的冒落空間、優(yōu)化采放比[1-2]等優(yōu)點(diǎn)。在工作面支護(hù)等方面，采高的增加會(huì)對(duì)開采造成不利影響，如果支架穩(wěn)定性變差，就會(huì)發(fā)生煤肋坍落、頂板塌落等事故，進(jìn)而惡化支架與圍巖的關(guān)系。在放頂煤工作面，由于頂煤活動(dòng)支架荷載處于動(dòng)態(tài)變化中，很容易造成支架失穩(wěn)、煤體滑移和頂板垮落[3-5]。實(shí)踐表明，即使支護(hù)阻力達(dá)到13 000 kN，在頂煤開采時(shí)較大的放頂煤工作面仍會(huì)發(fā)生支架破裂和煤滑現(xiàn)象。為了解決這一問題，將高回采放頂煤液壓支架的研究與開發(fā)列為了重點(diǎn)科技技術(shù)，大阻力支架ZF15000液壓支架已在煤礦成功研制并試驗(yàn)。本文分析了綜采放頂煤開采中支架的動(dòng)態(tài)承載特性及適應(yīng)性，為綜采放頂煤開采的安全有效生產(chǎn)和快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1 高放頂煤開采設(shè)備

采煤工作面設(shè)備是年產(chǎn)百萬噸頂煤高回采工作面一級(jí)設(shè)備。3~5號(hào)煤層平均厚度為14.81 m，傾角為1°~3°，堅(jiān)固性系數(shù)f為2.7~3.7，節(jié)理垂直開采。直接頂包括巖漿巖、炭質(zhì)泥巖、頁巖硅化物，為交替產(chǎn)狀；主要頂板為粉砂巖、細(xì)砂巖和含礫粗砂巖；直接底板為優(yōu)質(zhì)泥巖。大回采長(zhǎng)壁放頂煤工作面為順走向背采工作面。

在綜采放頂煤開采過程中，考慮到液壓支架在實(shí)踐中經(jīng)常遭受沖擊載荷的情況，液壓支架ZF15000通過采取增加安全閥的流量、緩沖柱內(nèi)液體體積、減少抗壓剛度支柱的影響和使用雙伸縮支柱等旁路安全閥措施，提高支柱阻力的影響，以確保生產(chǎn)效率和開采安全性。

2 大開采條件下動(dòng)態(tài)承載特性分析

圖1為大采高放頂煤液壓支架ZF15000的位移動(dòng)態(tài)承載特性圖。從圖1可以看出，在工作面中段支護(hù)工作阻力循環(huán)過程中，液壓支架支護(hù)阻力變化不明顯，支護(hù)具有可靠性。

圖1 工作面中段支護(hù)工作阻力循環(huán)圖

液壓支架工作面支架循環(huán)端工作阻力如下頁圖2所示。由圖2和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可知，主頂板首次垮落和周期垮落的影響范圍較寬，覆蓋整個(gè)工作面。主頂板首次垮塌距離為144.5 m，動(dòng)荷載系數(shù)為1.56，平均周期崩落距離為54.94 m，動(dòng)荷載系數(shù)為1.52，具體動(dòng)荷載系數(shù)如下頁表1所示。正常工作時(shí)的平均支護(hù)阻力為9073.06 kN。支架的動(dòng)載系數(shù)較大，但影響不明顯，支架具有較強(qiáng)的抗沖擊能力。當(dāng)阻力超過額定阻力時(shí)，安全閥能夠及時(shí)開啟，液壓支架具有較高的穩(wěn)定性。

表1 加權(quán)主頂板動(dòng)態(tài)系數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖2 工作面壓力分布

3 大采高放頂煤支護(hù)的適應(yīng)性研究

3.1 支撐阻力的頻率分布研究

液壓支架的合理阻力應(yīng)呈正弦波形式分布。將支撐阻力除以間隔寬度1 000 kN，統(tǒng)計(jì)每個(gè)間隔周期內(nèi)支撐工作阻力的百分比。下頁圖3為各斷面平均百分比直方圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，液壓支架阻力分布較為合理。支架阻力整體呈正弦波形式，主要分布在9 000~13 000 kN之間。

圖3 支架工作阻力分布

綜上所述，大采高放頂煤液壓支架運(yùn)行合理、效率高，對(duì)頂板適應(yīng)性好。

3.2 初始承載力研究

液壓支架ZF15000的初始支護(hù)能力為12778 kN?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的初始承載力統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2、表3所示。由表2、表3可知，初始平均承載力為7 883.17 kN；超過5 000 kN的定載率接近90%；整定荷載呈線性分布，初始承載力較高，但仍未滿足要求。主要原因如下：

表2 支架平均初始工作阻力 kN

表3 支架平均初始工作阻力具體統(tǒng)計(jì) %

1）壓力泵供壓時(shí)夠時(shí)不夠，管路壓力泵損失過大。

2）工人移動(dòng)支架后，提升支架的時(shí)間較短；柱頂未完工；與屋頂接觸不足。

3）屋頂支架阻力變化，在慢慢接觸后，由初始支持和提升時(shí)間提交函數(shù)P=A+B ln t，得出支架并未達(dá)到額定的初始支撐能力，但為了提高工作效率，工人停止了吊裝支架。

3.3 礦柱應(yīng)力研究

支架循環(huán)端阻力如表4所示。

從表4可以看出，前柱阻力略大于后柱阻力。后礦柱平均循環(huán)端阻力占其額定阻力的63.88%，前礦柱平均循環(huán)端阻力占其額定阻力的74.78%，表明該礦柱處于良好的賦權(quán)狀態(tài)。

表4 統(tǒng)計(jì)前后支柱平均循環(huán)端阻力

4 結(jié)論

1）液壓支架ZF15000抗沖擊能力強(qiáng)、穩(wěn)定性和可靠性高。該安全閥能隨著井下壓力的變化，在阻力超過額定阻力時(shí)及時(shí)開啟。

2）液壓支架阻力呈正弦波形式，主要分布在9 000~13 000 kN之間。液壓支架ZF15000運(yùn)行合理、效率高，對(duì)頂板適應(yīng)性好。

3）整定負(fù)荷分布呈P=A+BX的線性分布。大于5 000 kN的定載速率接近90%。

4）受力平衡的支柱狀態(tài)良好。