工作面覆巖運動規律及液壓支架阻力實驗研究

姬新文

（山西科興能源發展有限公司，山西 高平 048400）

引言

綜采工作面的支護質量直接決定其生產安全性，對于工作面工作人員和設備的安全性具有重要意義。綜采工作面除了采用錨桿+錨索聯合支護方式外，液壓支架為必不可少的支護設備。在實際生產中，液壓支架支護工作阻力確定的合理與否直接決定支護效果。對于淺埋煤層綜采工作面而言，尤其其容易受到地表溝谷地形的影響，導致其與煤層較深的工作面而言，液壓支架所承受的阻力更大，極易發生液壓支架急劇下縮甚至壓架的事故[1]。本文將重點開展液壓支架阻力實驗研究，為提高工作面安全開采的安全性和其他類似工作面的安全生產提供借鑒。

1 南梁煤礦1 號煤層工作面概況

本文以南梁煤礦1 號煤層所屬工作面為例開展研究，該工作面煤層的厚度范圍為1.4～1.7 m，煤層平均厚度為1.54 m。經探測可知，該工作面煤層可開采的儲量可達278 萬t，對應的開采系數為0.79。1 號煤層所屬工作面的頂底板情況如表1 所示。

表1 1 號煤層所屬工作面的頂底板情況

通過對1 號煤層所屬工作面的地質資料進行分析可知，可將該工作面覆巖層的地形和地貌為溝谷區和非溝谷區。分析可知，該工作面頂底板的所有巖層中，由于直接底巖層本身的結構強度大且該巖層的厚度最大。因此，確定直接底巖層為該工作面的關鍵層，經過計算可知，直接底所承受的載荷量為590.28 kPa。當對于非溝谷區域而言，其對應初次來壓步距為30.76 m，周期來壓步距為12.55 m；對于溝谷區域而言，分為淺溝谷和深溝谷，其中淺溝谷區域對應的來壓步距為9.73m，深溝谷區域對應的來壓步距為8.76m。

對于液壓支架而言，合理確定液壓支架的工作阻力是對工作面頂板圍巖穩定性及其運行和來壓控制的關鍵。結合上述來壓步距的參數值，1 號煤層所屬工作面的液壓支架的工作阻力同樣分為溝谷區域和非溝谷區域。其中，非溝谷區域對應滿足生產要求的液壓支架的阻力為7 256.96 kN；溝谷區域對應同樣分為淺溝谷區域和深溝谷區域，深溝谷區域對應的液壓支架阻力為7 459.43 kN，淺溝谷區域對應液壓支架的工作阻力為7 208.75 kN[2]。對于深溝谷區域還存在一個特殊情況，即為在實際生產中深溝谷區域容易發生動載，故將其對應的液壓支架工作阻力增大為8 551.44 kN。

2 工作面液壓支架工作阻力實驗研究

上述計算為通過理論計算所得的結論，在實際生產中并不能夠完全適用，計算所得液壓支架的工作阻力可能大也可能小。因此，本節將通過實驗手段得出完全適用實際生產的液壓支架工作阻力。

2.1 實驗方案設計

2.1.1 實驗模型的設計

為保證實驗結果的準確性，實驗中涉及到的模型材料必須與工作面頂底板的巖層的屬性一致；而且實驗模型需模擬煤層的埋藏深度[3]。通過鉆孔探測可知，1 號煤層主要位于地下平均85 m 的位置，屬于淺煤層。結合1 號煤層所屬工作面各類型參數，本實驗建立1∶100 的實驗模型，如下頁圖1 所示。

如下頁圖1 所示，實驗模型的尺寸為3 000 mm×1 000 mm；根據表1 中各類巖層的屬性在下頁圖1 中的實驗模型進行設置，包括巖層的厚度、容重、抗壓強度等。具體通過不同比例的沙土反應巖層的實際情況，從而保證本次實驗能夠充分發揮實際生產工況。

圖1 實驗模型示意圖（單位：m）

2.1.2 模擬方案設計

根據實際生產工況，本次實驗的具體模擬方案如下：

第一步：在距離實驗模型左側邊界0.1 m 的位置開始掘進，重點對淺溝谷推進過程中液壓支架工作阻力的變化進行研究，此項推進工序包括有順坡—過溝底—逆坡。

第二步：淺溝谷區域開采完成后，對一般地形推進過程中液壓支架工作阻力的變化進行研究。

第三步：實驗繼續進行對深溝谷區域推進過程中液壓支架工作阻力的變化進行研究，此項推進工序包括有順坡—過溝底—逆坡[4]。

在實驗每步驟中對液壓支架工作的阻力進行監測和記錄，而且實驗中所布置的地表位移和覆巖位移的監測儀器布置情況如圖2 所示。

圖2 實驗模擬液壓支架工作阻力監測系統

2.1.3 模擬液壓支架設計

本次實驗中所模擬液壓支架的基本結構如圖3所示。

由圖3 可知，模擬液壓支架的基本尺寸為：長度為0.2 m，寬度為0.05 m。為保證對液壓支架工作阻力的準確監測，需要對模擬實驗中的監測傳感器進行標定。

圖3 模擬液壓支架基本結構

2.2 實驗結果分析

經過實驗模擬對工作面推進過程中一個循環周期內液壓支架工作阻力及其分布情況監測并記錄，得出如表2 所示的實驗結果。

如表2 所示，模擬實驗中工作阻力分布最多的工作阻力為7 360 kN＜p＜7 800 kN 之間；液壓支架最大工作阻力為8 467 kN。因此，針對1 號煤層所屬工作面液壓支架工作阻力確定為8 500 kN 能夠滿足實際生產的需求[5]。

表2 液壓支架阻力實驗結果

3 結語

綜采工作面的支護效果對于保證生產的安全性和生產效率具有重要意義。對于綜采工作面而言，除了采用合理的錨桿+錨索聯合支護方式外，液壓支架為保障工作面安全生產必不可少的支護設備，尤其是對液壓支架工作阻力的合理確定。本文針對1 號煤層所屬工作面液壓支架工作阻力的確定先后通過理論計算和實驗模擬方式進行綜合確定。通過研究可知，鑒于1 號煤層屬于淺煤層，與其相匹配的液壓支架工作阻力為8 500 kN 即可對工作面頂板進行有效支護，從而保證工作面安全、高效的生產。