高頭窯煤礦多役支架支護(hù)性能分析與評(píng)估

吳士良，李亞春，陳永強(qiáng)，李 亮

(1.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京100083)

工作面的合理支護(hù)是安全高效生產(chǎn)的首要任務(wù)[1-2]。液壓支架是煤礦開采中極為重要的設(shè)備[3-8]，耗費(fèi)資金占綜采工作面總設(shè)備費(fèi)用的70%以上。液壓支架自出廠投入使用可循環(huán)次數(shù)達(dá)30 000次以上，由于井下工作環(huán)境相對(duì)惡劣[9-11]、支架工操作水平不一和支架維護(hù)不到位等因素會(huì)加速液壓支架的老化，減少可循環(huán)次數(shù)，造成不利影響。昂貴的液壓支架購(gòu)置費(fèi)使得煤炭企業(yè)傾向同一批支架盡量服務(wù)足夠多的工作面，支架性能衰弱后仍然繼續(xù)使用。將服役若干個(gè)工作面性能下降的支架定義為多次服役支架，簡(jiǎn)稱多役支架。若多役支架不能完成控頂任務(wù)，則會(huì)對(duì)安全生產(chǎn)產(chǎn)生極大威脅。

針對(duì)液壓支架與圍巖的支護(hù)能力和控制效果問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量研究, 何富連等[12]建立了支架-圍巖系統(tǒng)失穩(wěn)事故樹，通過(guò)三角模糊函數(shù)求出頂板事件模糊概率，確定了支架與圍巖系統(tǒng)失穩(wěn)的主要因素。王國(guó)法等[13]從圍巖的運(yùn)移規(guī)律出發(fā)，建立支架與圍巖關(guān)系耦合模型，將工作面圍巖與支架作為一個(gè)整體力學(xué)系統(tǒng)考慮，進(jìn)行支架結(jié)構(gòu)和參數(shù)的三維動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了液壓支架結(jié)構(gòu)參數(shù)與特定圍巖條件的最佳匹配。杜毅博等[14-15]基于支架與圍巖剛度耦合、強(qiáng)度耦合和穩(wěn)定性耦合關(guān)系，提出了基于模糊方法的支架適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法，對(duì)特定的液壓支架結(jié)構(gòu)及參數(shù)是否適應(yīng)某一圍巖條件做出評(píng)判。研究主要針對(duì)支架與圍巖系統(tǒng)的影響因素和液壓支架適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法，但鮮有對(duì)多次服役的支架進(jìn)行支護(hù)性能的分析與評(píng)估。在評(píng)價(jià)多次服役液壓支架性能、決定是否更換新支架方面，煤礦多是采用現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)判斷，缺少科學(xué)性。因此，探討科學(xué)的評(píng)估多役支架支護(hù)性能的方法極為重要，關(guān)乎采煤工作面的安全高產(chǎn)高效和經(jīng)濟(jì)效益。

1 工作面情況

現(xiàn)采工作面為103工作面，該工作面煤層埋深200 m，煤厚3.65～5.55 m，平均采高為4 m，硬度系數(shù)f=0.34～0.53，硬度小，傾角小于3°，3-1煤層頂、底板巖石主要為砂質(zhì)泥巖及泥巖，局部為粗砂巖及細(xì)砂巖，表1為103工作面巖層特征表。103工作面液壓支架采用雙柱掩護(hù)式ZY10500/26/55D液壓支架，支架初撐力7 913 kN，工作阻力10 500 kN，該批支架已服務(wù)生產(chǎn)101、102和104工作面，目前服役103工作面開采工作，服役年數(shù)已第5年，計(jì)劃103回采完成后，馬上對(duì)同煤層新開105工作面進(jìn)行開采。在103工作面開采期間，支架故障率提高、立柱更換頻繁、來(lái)壓時(shí)安全閥開啟率高和煤壁片幫較為明顯等不利因素都給安全開采帶來(lái)了隱患，所以急需多役支架支護(hù)性能分析與評(píng)估。

表1 103工作面巖層特征Tab. 1 Roof characteristics of j506 borehole in 103 working face

2 高頭窯煤礦多役支架支護(hù)阻力性能分析及評(píng)估

2.1 礦壓大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方案

2.1.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

對(duì)高頭窯煤礦103綜采工作面進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)，主要包括：支架工作阻力、支架左右立柱活柱縮量、安全閥開啟、煤壁片幫等礦壓監(jiān)測(cè)。

2.1.2 測(cè)線布置

工作面支架存在大批漏液不保壓等現(xiàn)象，在煤礦技術(shù)人員的指導(dǎo)下，本著盡量滿足標(biāo)準(zhǔn)化礦壓區(qū)域監(jiān)測(cè)的要求，選擇49#、61#、62#、64#、67#、68#、84#、85#、86#、88#、89#、90#、91#、108#、110#、111#、118#、120#和129#支架作為工作阻力和活柱縮量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共19個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖1。

圖1 103工作面支架工作阻力與活柱縮量監(jiān)測(cè)布置圖Fig. 1 Support working resistance and movable column shrinkage monitoring layout in 103 working face

2.2 支架實(shí)際額定工作阻力的分析

2.2.1 支架安全閥開啟壓力分析

統(tǒng)計(jì)了2018年3月22日— 4月13日推進(jìn)186 m，約233個(gè)割煤循環(huán)，19個(gè)支架實(shí)時(shí)工作阻力，發(fā)現(xiàn)工作面頂板來(lái)壓運(yùn)動(dòng)明顯，多數(shù)支架工作阻力表現(xiàn)出明顯的周期性變化，但部分支架工作阻力持續(xù)較低。通過(guò)上位機(jī)頂板壓力的實(shí)時(shí)曲線，重新確定安全閥實(shí)際開啟壓力，如圖2。雖安全閥開啟，但整架實(shí)際最大工作阻力與額定工作阻力相差甚遠(yuǎn)，具體表現(xiàn)為：

1) 部分立柱不保壓，支架工作阻力持續(xù)較低，如圖3(a)、圖3(b)所示。

2) 部分支架整架工作阻力較低，最大工作阻力遠(yuǎn)小于額定工作阻力，如圖3(c)所示。

3) 部分支架載荷不均，左右立柱工作阻力差距明顯，偏載嚴(yán)重，如圖3(d)所示。

圖2 64#支架實(shí)時(shí)壓力歷史曲線Fig. 2 Real-time pressure history curve of 64# support

4) 如圖2所示，64#支架左柱表現(xiàn)明顯的升壓，壓力達(dá)到40 MPa左右，且實(shí)時(shí)支架壓力波動(dòng)，表現(xiàn)出泄液的跡象，即安全閥開啟；但右柱壓力最大值僅增大到32 MPa左右，且壓力在32 MPa左右波動(dòng)，通過(guò)支架工作阻力曲線研究發(fā)現(xiàn)64#支架右柱壓力最大升高到32 MPa左右，可確定64#支架右柱的安全閥實(shí)際開啟壓力為32 MPa。

為此對(duì)所監(jiān)測(cè)的19臺(tái)支架工作阻力進(jìn)行了分析統(tǒng)計(jì)，通過(guò)支架工作阻力曲線變化趨勢(shì)及相應(yīng)的頂板運(yùn)動(dòng)情況，確定監(jiān)測(cè)的支架實(shí)際安全閥開啟壓力及工作狀況，見表2。

表2 支架實(shí)際安全閥開啟壓力統(tǒng)計(jì)Tab. 2 Statistics of actual safety valve opening pressure of support

2.2.2 支架實(shí)際額定工作阻力的確定

表2中統(tǒng)計(jì)了監(jiān)測(cè)的支架左右柱安全閥開啟壓力值，通過(guò)安全閥開啟壓力值可反算出每個(gè)支架實(shí)際額定工作阻力Pi， 14個(gè)保壓支架實(shí)際額定工作阻力P′=9 300 kN，較額定工作阻力下降約12%。

按照年份計(jì)算，使用的4年里，每年支架阻力能力損失約3%，則103工作面開采結(jié)束后，支架共計(jì)使用5年，支架工作能力下降約15%。

2.2.3 工作面全部支架實(shí)際額定阻力估算

根據(jù)監(jiān)測(cè)的19臺(tái)支架工作阻力性能可估算整個(gè)工作面174臺(tái)支架工作阻力能力。由表2可知，19臺(tái)支架中仍有5臺(tái)支架(49#、86#、90#、110#和118#)的某一立柱不受載或偶爾受載且受載最大阻力無(wú)規(guī)律。

已知監(jiān)測(cè)的14臺(tái)保壓支架實(shí)際額定工作阻力為P′=9 300 kN。5臺(tái)不保壓支架實(shí)際額定工作阻力的計(jì)算無(wú)法通過(guò)安全閥開啟壓力計(jì)算，只能通過(guò)來(lái)壓時(shí)不保壓支架末阻力均值進(jìn)行估算。可得相關(guān)不保壓支架來(lái)壓期間末阻力均值P5為：

圖3 支架整架與單柱工作阻力循環(huán)曲線圖Fig. 3 Circulation curve of working resistance of support and single column

(1)

式中：P5為5臺(tái)不保壓支架實(shí)際額定工作阻力。計(jì)算得5臺(tái)不保壓支架實(shí)際額定工作阻力為6 734 kN。

5臺(tái)不保壓支架實(shí)際額定工作阻力較設(shè)計(jì)額定工作阻力約下降36%。推廣至所監(jiān)測(cè)的19臺(tái)支架實(shí)際額定工作阻力：

(2)

式中：P19為監(jiān)測(cè)的19臺(tái)支架實(shí)際額定工作阻力；P′為監(jiān)測(cè)中14臺(tái)保壓支架實(shí)際額定工作組力。

可計(jì)算得P19=8 624 kN,即19臺(tái)阻力監(jiān)測(cè)的支架實(shí)際額定工作阻力較設(shè)計(jì)額定工作阻力下降約18%?？紤]到未監(jiān)測(cè)的支架阻力損失率會(huì)更高，103工作面整體支架實(shí)際額定工作阻力P174較額定工作阻力下降幅度至少為18%。

初期挑選監(jiān)測(cè)支架的范圍為49#、61#～68#、84#～91#、108#～120#和129#支架，共計(jì)31臺(tái)支架，在31臺(tái)支架中選出了19臺(tái)監(jiān)測(cè)支架。其中14臺(tái)支架阻力性能相對(duì)較好，占31臺(tái)支架的45.16%，可推廣至整個(gè)工作面阻力性能較好支架占比45.16%，則有：

P174(3)=P′×45.16%+P5×54.84%。

(3)

式中：P174為工作面174臺(tái)支架實(shí)際額定工作阻力?？傻肞174=7 892.8 kN，較額定工作阻力下降24.8%。

進(jìn)而可推斷103工作面整體支架實(shí)際額定工作阻力P174較額定工作阻力下降幅度為18%～24.8%，P174=7 892.8～8 624 kN。

2.3 支架支護(hù)性能評(píng)估

2.3.1 支架工作阻力性能的評(píng)估

支架支護(hù)力與頂板壓力是一對(duì)相互作用力[16]，頂板來(lái)壓期間，若支架工作阻力到達(dá)額定工作阻力，則安全閥會(huì)開啟，具體表現(xiàn)為支架對(duì)頂板讓壓，頂板繼續(xù)回轉(zhuǎn)下沉，若支架工作阻力嚴(yán)重不足，則有可能會(huì)引起壓架事故的發(fā)生。來(lái)壓時(shí)支架均值阻力占比額定工作阻力的大小，可體現(xiàn)支架實(shí)際工作阻力的性能。

由表3(表中“—”代表因支架某一立柱不保壓，未能計(jì)算實(shí)際額定工作阻力)可知：由單架、19臺(tái)支架和整個(gè)工作面174臺(tái)支架角度均可知多役支架阻力性能不足或者處于不及格邊緣，該批支架可以繼續(xù)使用，但隨著工作面的不斷推進(jìn)，頻繁升降架和受到來(lái)壓沖擊，會(huì)導(dǎo)致支架性能進(jìn)一步衰退，本就處于危險(xiǎn)邊緣的多役支架阻力性能將再?zèng)]有允許下降的空間，新開105工作面開采條件和開采方式與103工作面相類似，105工作面開采需要更換新支架。

2.3.2 來(lái)壓期間頂板下沉量統(tǒng)計(jì)與評(píng)估

103工作面對(duì)19個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)，共測(cè)量了5次周期來(lái)壓時(shí)的支架單循環(huán)活柱下縮量，測(cè)量頂板下沉均值為283 mm。根據(jù)煤礦安全生產(chǎn)管理規(guī)定和開采經(jīng)驗(yàn)并借助神東礦區(qū)頂板控制標(biāo)準(zhǔn)，103工作面頂板控制標(biāo)準(zhǔn)見表4。

頂板下沉控頂效果等級(jí)為“中”，需要提高控頂?shù)募?jí)別。新開105工作面開采條件和開采方式與103工作面相類似，可知若支架繼續(xù)在105工作面使用，則控頂效果也仍為“中”甚至“差”，有違安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)要求，因此該批支架服役103工作面開采至結(jié)束，同煤層新開105工作面需要更換新支架，以達(dá)到“好”及以上的控頂效果。

2.3.3 煤壁片幫分析及支架阻力評(píng)估

103工作面生產(chǎn)過(guò)程中，統(tǒng)計(jì)到工作面煤壁片幫均值為584.74 mm，最大910 mm。根據(jù)高頭窯煤礦安全生產(chǎn)管理規(guī)定，正常開采階段煤壁片幫值應(yīng)控制在400 mm以內(nèi)，實(shí)測(cè)表明現(xiàn)階段開采中，煤壁片幫值大于管理規(guī)定。

為了保證煤壁的穩(wěn)定，支架工作阻力PZ應(yīng)滿足[17]：

(4)

式中：LP為支架到頂板破斷A點(diǎn)的距離，10.23 m；L基本頂破斷巖塊長(zhǎng)度，14.47 m；q1為基本頂上部巖層載荷，403 kN；h為基本頂破斷巖塊高度，24.55 m；γ為基本頂破斷巖塊容重，25 kN/m3；T為基本頂破斷巖塊的水平力，626.39 kN；φr為破斷巖塊間的摩擦角，15°；LR為煤壁到頂板破斷A點(diǎn)的距離，14.47 m；G為滑體重力，45.10 kN；φc為內(nèi)摩擦角，38°；C為煤層粘聚力0.5 MPa；H2為煤壁破壞高度，2.5 m；α為剪切面與煤壁夾角，30°?？捎?jì)算得PZ≥7 440 kN。

表3 103工作面來(lái)壓時(shí)19臺(tái)支架工作阻力統(tǒng)計(jì)表Tab. 3 Statistical table of working resistance of support in 103 working face under pressure

表4 103工作面頂板控制理論標(biāo)準(zhǔn)Tab. 4 Theoretical standard of 103 Working face roof control

若保證煤壁不大面積片幫，支架工作阻力應(yīng)大于7 440 kN，但P174的下限值僅高于PZ約400 kN，支架工作阻力已接近危險(xiǎn)邊緣。

3 多役支架性能評(píng)估方法

通過(guò)高頭窯煤礦實(shí)施例，總結(jié)出如下的多役支架性能評(píng)估方法：

1) 進(jìn)行同一支架多工作面性能實(shí)測(cè)和分析評(píng)估。主要包括：支架工作阻力和安全閥開啟等支架的性能進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)和分析，研究其性能的變化情況并進(jìn)行評(píng)估。

①對(duì)測(cè)線進(jìn)行支架工作阻力監(jiān)測(cè)；

②通過(guò)監(jiān)測(cè)情況，篩選出測(cè)線中液壓支架保壓和不保壓的占比情況，并估算出所監(jiān)測(cè)支架的實(shí)際額定工作阻力；

③通過(guò)監(jiān)測(cè)支架的實(shí)際額定工作阻力和占比情況，估算出工作面所有支架的實(shí)際額定工作阻力以及較額定工作阻力下降情況；

④通過(guò)實(shí)際額定工作阻力下降情況，計(jì)算出一年支架性能的下降情況。

2)進(jìn)行同一支架多工作面控頂效果實(shí)測(cè)分析評(píng)估。主要包括：對(duì)多役支架支護(hù)的頂板下沉量、煤壁片幫等支架的控頂效果進(jìn)行實(shí)測(cè)和分析，研究其變化情況，并進(jìn)行評(píng)估。

①對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行周期來(lái)壓時(shí)的支架單循環(huán)活柱下縮量和煤壁片幫的監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)；

②通過(guò)活柱縮量監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，根據(jù)煤礦安全生產(chǎn)管理規(guī)定和開采經(jīng)驗(yàn)并借助神東礦區(qū)頂板控制標(biāo)準(zhǔn)，確定工作面頂板控制效果級(jí)別；

③通過(guò)煤壁片幫監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，根據(jù)該煤礦安全生產(chǎn)管理規(guī)定，與煤壁片幫監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比。為了保證煤壁的穩(wěn)定，確定支架工作阻力應(yīng)滿足的值，并與1)中估算出的實(shí)際額定工作阻力進(jìn)行比較；

④對(duì)比不同服役時(shí)間支架工作阻力特性性能及控頂效果，確定是否繼續(xù)服役。

4 結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和理論分析的方法對(duì)多次服役的支架支護(hù)性能進(jìn)行分析和評(píng)估，主要結(jié)論如下：

1) 對(duì)支架安全閥開啟壓力統(tǒng)計(jì)和分析，計(jì)算出保壓支架實(shí)際額定工作阻力P′=9 300 kN，較設(shè)計(jì)額定工作阻力下降約12%。

2) 通過(guò)來(lái)壓時(shí)不保壓支架末阻力均值進(jìn)行估算不保壓支架實(shí)際額定工作阻力，可得相關(guān)不保壓支架來(lái)壓期間末阻力均值P5=6 734 kN；同時(shí)可計(jì)算出監(jiān)測(cè)的19臺(tái)支架實(shí)際額定工作阻力P19=8 624 kN,較設(shè)計(jì)額定工作阻力下降約18%；未監(jiān)測(cè)的支架阻力損失率會(huì)更高，103工作面整體支架實(shí)際額定工作阻力P174較額定工作阻力下降幅度不小于18%，通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)可計(jì)算出P174=7 892.8 kN，較額定工作阻力下降24.8%。

3) 多役支架阻力性能不足或者處于不及格邊緣；103工作面頂板下沉控頂效果等級(jí)為“中”，需要提高控頂?shù)募?jí)別；通過(guò)阻力性能、控頂效果和煤壁片幫分析和評(píng)估，該批支架不能繼續(xù)使用，105工作面開采需要更換新支架。

4) 通過(guò)高頭窯煤礦實(shí)施例，總結(jié)出一套多役支架性能評(píng)估方法，為其他煤礦在支架支護(hù)性能的評(píng)估提供參考。