采煤工作面單體液壓支柱阻力的探討

韓廣友

采煤工作面單體液壓支柱阻力的探討

韓廣友

(龍煤股份有限公司七臺河分公司安全監(jiān)察部，黑龍江 七臺河 154600)

通過對不同采場、不同支護(hù)形式、不同采煤開采方法的礦壓觀測，根據(jù)回采工藝不同環(huán)節(jié)狀況下的頂板下沉速度、下沉量和動壓影響范圍的分析，討論了在頂?shù)装宀煌瑥?qiáng)度情況下，單體支柱阻力變化規(guī)律，以合理確定支柱阻力和支護(hù)密度，防止支柱鉆底的出現(xiàn)。

單體液壓支柱;支柱阻力;分析

龍煤股份有限公司七臺河分公司在單體液壓支柱工作面質(zhì)量檢查中，增加了對工作面支柱阻力的測定，要求支柱初撐力不低于9 t，否則認(rèn)為支柱不合格。由于加強(qiáng)了對單體液壓支柱工作面支柱阻力的檢測，使支柱初撐力普遍提高。隨著支柱阻力的提高，通過加強(qiáng)對頂板的控制，從而減少了頂板下沉量，大大改善了頂板條件。

1 采場礦壓觀測結(jié)果

近年來，該公司通過對全部陷落采煤方法中不同支護(hù)形式的10個采區(qū)進(jìn)行觀測。主要觀測了工作面頂板下沉、支柱載荷、活柱縮量及頂板動態(tài) (即下沉速度)等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了頂板分類。觀測中所得的不同支護(hù)形式的礦壓數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同支護(hù)形式的礦壓數(shù)據(jù)

1.1 頂板動態(tài)數(shù)據(jù)

放炮后頂板穩(wěn)定時間：30 min。

新建礦直屬五井采煤工作面。

1)在無工序非動壓影響下，頂板下沉速度小于0.07 mm/min。

2)放炮落煤動壓影響。

放炮期間頂板下沉速度：0.21 mm/min

放炮時刻頂板下沉速度：0.26 mm/min

放炮間隔頂板下沉速度：0.21 mm/min

放炮動壓影響強(qiáng)度比平時增大3倍;

放炮影響范圍：35 m

1.2 回柱放頂動壓影響(見表2)

表2 回柱放頂動壓影響

回柱后頂板穩(wěn)定時間：30～45 min

回柱期間頂板下沉速度：0.22 mm/min

回柱放頂動壓影響強(qiáng)度比平時增大3倍。

1)桃山煤礦機(jī)采面。

a)在無工序非動壓影響下頂板下沉速度為0.103 mm/min。

b)機(jī)組割煤動壓影響。

連續(xù)割煤對靠近煤壁的第一排支柱的頂板動態(tài)影響最大，頂板最大下沉速度平均為1.05 mm/min，平均為0.35 mm/min：對第二、三排支柱影響次之，頂板最大下沉速度平均分別為0.89 mm/min和0.58 mm/min;全工作面頂板下沉速度最大平均為0.98 mm/min;全部平均 0.33 mm/min。

割煤間隔時刻的頂板下沉速度均小于連續(xù)割煤時的頂板下沉速度(平均值降低約50%)，而大于無工序時的頂板下沉速度 (平均值約增大1.5倍)。間隔時刻頂板下沉速度最大平均為0.36 mm/min，全部平均為 0.15 mm/min。

連續(xù)割煤動壓影響強(qiáng)度為平時的3倍，割煤間隔時刻動壓影響強(qiáng)度為1.5倍。

機(jī)組割煤對各排支柱頂板動壓影響范圍不等?？拷罕?，頂板動壓影響范圍略大，靠剎幫排，頂板動壓影響范圍略小，平均來看，機(jī)組割煤時，前方影響范圍為12 m，后方為16 m。

c)回柱放頂?shù)膭訅河绊憽?/p>

回柱放頂對第四控頂排的頂板動態(tài)影響最大。第二、三排次之，第一排最小。實測第三排頂板最大下沉速度平均為2.17 mm/min，全部平均為0.72mm/min?；刂陂g頂板全部最大下沉速度平均為1.95 mm/min，平均為 0.60 mm/min。

回柱放頂動壓影響強(qiáng)度為6倍。

回柱放頂動壓影響范圍不等，一般靠采空區(qū)控頂排;頂板影響范圍較大;靠煤壁，頂板影響范圍最小?；刂彭斍胺狡骄绊懛秶鸀?～8 m，后方為16～20 m。

2)桃山煤礦高檔面。

在無工序非動壓影響下頂板下沉速度為0.002 mm/min。

機(jī)組割煤動壓影響見表3，表4。機(jī)組通過測點頂板下沉速度平均1.20 mm/min。

回柱放頂動壓影響見表5，表6。第二控頂排回柱期間頂板下沉速度為0.20～0.50 mm/min;第三控頂排為0.95 ～1.80 mmm/min。

表3 機(jī)組割煤動壓影響

表4 機(jī)組割煤動壓影響

表5 回柱放頂動壓影響

表6 回柱放頂動壓影響

1.3 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

中硬以下巖層頂板厚煤層分層開采時，單體支柱工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

1)老頂屬I級頂板，直接頂屬1～2類頂板時，老頂來壓不明顯，頂板易冒落，無懸頂。

2)支柱阻力偏低 (平均不超過10 t/根)，支護(hù)強(qiáng)度較小(一般不超過0.20 MPa)，項板下沉量較大(一般為300～400 mm)。

3)底板為強(qiáng)度較低的煤層時，由于煤的單向抗壓強(qiáng)度不超過15 MPa，而抗壓強(qiáng)度約為單向抗壓強(qiáng)度的50% ～60%，所以當(dāng)支柱載荷大于6～7 t時，支柱可被壓入底板(鉆底)。支柱鉆底是特厚煤層分層開采條件下普遍出現(xiàn)的支護(hù)問題。

2 單體支柱阻力的測定結(jié)果及分析

1)根據(jù)直接頂為中硬以下巖層 (砂質(zhì)頁巖、頁巖或泥巖)、老頂無堅硬層的特厚煤層，在分層開采條件下進(jìn)行的單柱面支柱阻力實測數(shù)據(jù)，可得出如下結(jié)果：

a)幫柱阻力大于第一排支柱阻力。

b)走向各控頂排支柱阻力依次遞增，最大控頂排的支柱阻力最大。

c)泵站壓力低于10 MPa，支柱阻力不會太大。支柱阻力大小主要取決于頂?shù)装迕?、巖的物理力學(xué)性質(zhì)，即在相同的采煤方法和支護(hù)條件下，頂?shù)装迕骸r強(qiáng)度愈大，則支柱阻力愈大。

d)從傾斜方向支柱阻力分布看，在緩傾斜單柱面內(nèi)，下缺口支柱阻力(礦壓顯現(xiàn))最大，中下部次之，上缺口最小。

2)從單柱面支柱阻力測定中看出，支柱阻力的大小及分布，主要取決于頂?shù)装迕?、巖的物理力學(xué)性質(zhì)、支護(hù)方式、支設(shè)質(zhì)量、支柱質(zhì)量、控頂時間，泵站壓力及地質(zhì)開采條件等。在上述條件相近的情況下，各因素對支柱阻力大小及分布的影響如下：

a)當(dāng)頂?shù)装逋暾?，煤巖強(qiáng)度大時，則支柱阻力高(壓力顯現(xiàn)大)，對控制頂板有利。

b)在頂板破碎，處于斷層附近，高頂或空頂處，一般支柱阻力較低，對控制頂板不利，易出現(xiàn)頂板事故。

c)如果泵站站壓力低 (低于10 MPa)，會造成工作面支柱阻力普遍較低。

d)支柱支設(shè)質(zhì)量不好，梁柱位置不當(dāng)，會造成倒懸臂，迎山角不合適(過大或過小)時，會造成動壓支柱歪斜或傾倒，支柱阻力不能發(fā)揮。

e)支柱本身質(zhì)量不合格，三用閥漏液或活柱與柱體滲液，能造成支柱阻力降低，對頂板起不到支撐作用。

f)支柱柱距不等，或頂、底板煤 (巖)體強(qiáng)度不一，可造成支柱承載不均勻，個別支柱阻力過高或過低。支柱阻力過低處，易出現(xiàn)頂板事故。

g)煤層底板軟弱處，支柱阻力降低。

h)工作面生產(chǎn)過程中，因煤壁處頂梁鉸接不上或剎幫頂梁摘不下來，就必須對鄰近支柱進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)常調(diào)柱的工作面，支柱阻力普遍下降，影響頂板管理。

i)支柱初撐力不均勻，有高有低。

3 確定合理的支柱阻力和支護(hù)密度

為確定合理的支柱阻力和支護(hù)密度，首先必須掌握頂板分類和確定合理的采場壓力。在特厚煤層分層開采，直接頂為中硬以下巖層，老頂無堅硬層，采用單體液壓支柱與鉸接頂梁配套支護(hù)頂板的條件下，一般老頂來壓不明顯。如果老頂屬l級，直接頂為1～2類頂板，則支柱僅承受直接頂冒落巖層的重量。一般情況下，冒落高度約為采高的2～3倍。如按3倍采高計算，假設(shè)采高為2 m，頂板巖層容重為2.5 t/m3，則采場的頂板壓力PT約為0.15 MPa。

若考慮老頂來壓作用，可取冒高為采高的4～5倍，則采場頂板壓力 PT為 0.2 ～0.25 MPa。

由此看出，采場頂板壓力取0.15 MPa(老頂來壓不明顯)或取0.20～0.25 MPa(老頂來壓明顯)是合理的。

如果支護(hù)強(qiáng)度適應(yīng)采場頂板壓力，則認(rèn)為支護(hù)設(shè)計是合理的。

目前，在單柱面內(nèi)為適應(yīng)網(wǎng)下多分層開采的頂板管理和頂梁規(guī)格，一般支柱排距取0.8～1.0 m。柱距0.5 ～0.6 m，支護(hù)密度約為2.0 根/m，故合理的支柱阻力為：

或

或

綜上分析，得出如下規(guī)律：

在支護(hù)密度不低于2根/m2的條件下，老頂來壓不明顯，直接頂冒高為采高3倍以時.工作面支柱平均阻力不低于7.5 t/根;老頂來壓明顯，直接頂冒高為采高的3～4倍時，工作面支柱平均阻力不低于10 t/根;老頂來壓明顯，直接頂冒高為采高的4～5倍時，工作面支柱平均阻力不低于13 t/根。

4 關(guān)于支柱鉆底問題

特厚煤層分層開采的單體支柱工作面，頂板管理的最大難題是支柱鉆底問題。當(dāng)單體液壓支柱的底面積S=78.5 cm2，煤層底板的單向抗壓強(qiáng)度為8～15 MPa，煤體的底板壓強(qiáng)為4～8 MPa時，則煤體不受破壞(即支柱不鉆入底板)的允許支柱載荷為［P柱］=(4 ～8) ×78.5=3.2 ～6.3 t/根。

注液槍給予支柱的初撐力為7.8～11.5 t。因此，支柱在支設(shè)過程中就出現(xiàn)支柱鉆底現(xiàn)象。只有通過支柱鉆底，支柱才能達(dá)到要求的初撐力阻力，即支柱初撐力不低于6 t。

要解決支柱鉆底問題，其有效途徑就是支柱穿底鞋或支柱加托盤。支柱的底面積不低于625 cm2，或者采取加密支柱措施，此時支柱不鉆底的交護(hù)密度為：

或

采取支柱穿鞋還是加大支護(hù)密度，各礦區(qū)可根據(jù)具體情況選擇。該公司通過采取支柱穿鞋，提高支柱阻力，發(fā)揮支柱的支承能力等措施，節(jié)省了人力、物力，充分發(fā)揮支護(hù)設(shè)備效能，節(jié)省了支柱的使用量。

Discussion on the Resistance of Single Hydraulic Prop in Coal Mining Face

Han Guang－you

By the coal mining pressure observation of different stope，different supporting forms and different mining methods，according to the analysis under the different links conditions of mining process such as roof sinking velocity，subsidence，and the influenced range of dynamic pressure，discusses the roof and floor case of different strength，the change rule of the single hydraulic prop resistance，reasonably determines the prop resistance and supporting density and prevent the appearance of the prop going into floor.

Single hydraulic prop;Support resistance;Analysis

TD355+.3

A

1672－0652(2012)02－0018－04

2011－12－23

韓廣友(1965—)，男，吉林大安人，1987年畢業(yè)于撫順煤校，工程師，主要從事煤礦安全技術(shù)管理工作(E －mail)673260999@qq.com