綜采工作面液壓支架初撐控頂效果影響因素與礦壓特征研究

朱耀成

（陽(yáng)煤集團(tuán)天譽(yù)礦業(yè)投資有限責(zé)任公司，山西 忻州 034015）

1 工程概況

1201工作面位于張家窯南東方向，糜查咀的西部以及染峪近北方向，地面溝谷縱橫，黃土覆蓋，局部有巖石出露。工作面北西部為1202工作面，北東部為2號(hào)煤輔運(yùn)大巷，南東部為1204工作面。采區(qū)地面標(biāo)高為+1040～1150m，工作面標(biāo)高為+1412～1522m，埋深372～423m，工作面走向長(zhǎng)度為785m，傾向長(zhǎng)度為180m。工作面所采2#煤層煤層厚度為4.40～6.25m，平均為 4.65m，傾角為 10°～15°，平均傾角為12°，可采儲(chǔ)量為91.36萬(wàn)t。2號(hào)煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，含夾矸約1層，其老頂為粗砂巖，均厚27.73 m，局部發(fā)育砂質(zhì)泥巖、粉砂巖的直接頂，均厚3.8m。底板為泥巖。工作面采用走向長(zhǎng)壁法綜合機(jī)械化采煤法，設(shè)計(jì)采高為4.65m，循環(huán)進(jìn)度為0.8m，全部垮落法管理頂板，工作面安裝101架ZY8000-26/56型液壓支架，具體液壓支架的參數(shù)見表1。

表1 1201工作面液壓支架參數(shù)表

2 支架初撐力控頂效果影響因素

2.1 數(shù)值模型的建立及模擬過(guò)程

為了研究支架初撐力控頂效果的影響因素，本章采用UDEC軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析。模型根據(jù)該礦1201工作面地質(zhì)情況建立，模型設(shè)置為300m×100m的矩形截面，煤層厚度為4.65m，底板厚度為8.5m，采深為390m，模型上方巖層厚度約為220m，上方巖體的平均容重25kN/m3時(shí)，上部巖層荷載為5.5MPa，模型如圖1所示。

模型建立完后，選取支架初撐力Pc=5、10、15、20、25、30MPa幾種條件下進(jìn)行煤層模擬開采，支架額定工作阻力設(shè)置為P=31.5MPa，開采煤層全高4.65m，工作面控頂距取為4.95m，沿工作面方向每次推進(jìn)5m，累計(jì)推進(jìn)85m，對(duì)煤層開采過(guò)程中的支架下縮量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖1 數(shù)值模擬模型圖

2.2 支架剛度對(duì)支架初撐控頂效果的影響

在工作面與支架型號(hào)確定的情況下，液壓支架剛度主要取決于立柱的密封性。支架在初撐和升壓階段處于密封狀態(tài)，支架剛度不變；當(dāng)頂板壓力過(guò)大時(shí)，出于安全考慮，支架安全閥開啟，此時(shí)立柱處于非密封狀態(tài)，立柱內(nèi)工作液回流，支架剛度小于初撐升壓階段[1]。

2.2.1 非來(lái)壓期間支架初撐控頂效果對(duì)比

取距工作面開切眼20m處（即非來(lái)壓階段），支架在不同初撐力作用下活柱下縮量隨時(shí)間的變化情況如圖2所示。非來(lái)壓期間的頂板并未受到大荷載擾動(dòng)而處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，當(dāng)支架工作于頂板給定變形階段時(shí)，也就是虛線前之前的部分，不同初撐力條件下的活柱下縮量趨勢(shì)幾乎相同[2]；當(dāng)支架已經(jīng)將原本下沉的直接頂抬起時(shí)，也就是虛線前之后的部分，支架與上部頂板形成共同受力整體來(lái)承擔(dān)上部巖體載荷，支架進(jìn)入增阻升壓階段，較大初撐力的活柱下縮量增加幅度較小，也就是說(shuō)較大的初撐力能夠使頂板與支架更快的形成一個(gè)整體，因此在一定范圍內(nèi)增加初撐力，可以縮短支架與頂板形成穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間。

圖2 增阻階段支架活柱下縮量隨時(shí)間變化情況

2.2.2 來(lái)壓期間支架初撐控頂效果對(duì)比

與非來(lái)壓階段不同，來(lái)壓階段支架不僅受到上部巖層載荷作用，還受到頂板在動(dòng)壓擾動(dòng)下的沖擊，此時(shí)支架受力顯著增大。選擇距工作面開切眼65m處（即來(lái)壓階段），支架在不同初撐力作用下活柱下縮量隨時(shí)間變化情況如圖3所示。當(dāng)支架為頂板已形成的定量變形工作時(shí)，也就是虛線之前的增阻部分，不同初撐力條件下的活柱下縮量趨勢(shì)基本相同；但當(dāng)頂板來(lái)壓過(guò)大時(shí)安全閥開啟，立柱內(nèi)工作液回流，導(dǎo)致支架整體剛度下降各初撐力下的支柱下縮量都顯著增加，并且初撐力越大的支架支柱的下縮量也越大。因此，初撐力較大的支架，在頂板承受較大載荷時(shí)會(huì)使安全閥較早打開，增加了安全閥的開啟頻率，導(dǎo)致了支架整體剛度的下降，不利于支架對(duì)頂板的控制作用。

圖3 恒阻階段支架活柱下縮量隨時(shí)間變化情況

2.3 直接頂強(qiáng)度對(duì)支架初撐控頂效果的影響

上一節(jié)已經(jīng)分析了不同頂板壓力情況下支架初撐的控頂效果，查閱相關(guān)資料可知，直接頂?shù)膸r性和厚度也對(duì)支架初撐控頂效果影響顯著，由于在實(shí)際的地質(zhì)條件下，煤層的直接頂并不是穩(wěn)定不變的單一巖體，而是隨著開采工作面的推進(jìn)發(fā)生一定程度的改變[3]。本章根據(jù)1201工作面建立模型，查閱相關(guān)地質(zhì)資料可知，所采2號(hào)煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，其老頂為粗砂巖，局部發(fā)育砂質(zhì)泥巖、粉砂巖的直接頂，均厚3.8m。因此，本節(jié)主要研究直接頂為粗砂巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖三種巖性的情況，通過(guò)支架初撐力與活柱下縮量的關(guān)系對(duì)支架的初撐控頂效果進(jìn)行分析。

圖4 直接頂巖性變化對(duì)合理初撐支護(hù)強(qiáng)度的影響

查閱相關(guān)資料可知，不同巖性的直接頂強(qiáng)度不同，強(qiáng)度大小的順序?yàn)椋捍稚皫r＞粉砂巖＞砂質(zhì)泥巖[4]。由圖4（a）可以看出，非來(lái)壓期間，砂質(zhì)泥巖的合理初撐支護(hù)強(qiáng)度為≥807.3kPa，粉砂巖的合理初撐支護(hù)強(qiáng)度為≥813.5kPa，粗砂巖的合理初撐支護(hù)強(qiáng)度為≥831.1kPa。支架的合理初撐強(qiáng)度隨著直接頂強(qiáng)度的增加變化較小，不過(guò)直接頂巖性的增加，會(huì)使支架后方產(chǎn)生一定長(zhǎng)度的懸梁，所以隨著懸梁長(zhǎng)度的增加，支架的初撐強(qiáng)度也會(huì)增大。因此，為保證不同直接頂在非來(lái)壓期間的支架初撐控頂效果，支架的合理初撐支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)該≥831.1kPa。

由圖4（b）可以看出，來(lái)壓期間，砂質(zhì)泥巖的合理初撐支護(hù)強(qiáng)度為≥542kPa，粉砂巖的合理初撐支護(hù)強(qiáng)度為≥512.4kPa，粗砂巖的合理初撐支護(hù)強(qiáng)度為≥502.8kPa。因?yàn)橹苯禹斒艿降暮奢d加大，從而支架受力增加。為了使支架更好的為增阻階段工作，隨著直接頂強(qiáng)度的增大，支架的合理初撐強(qiáng)度將減小。因此，為保證不同直接頂在來(lái)壓期間的支架初撐控頂效果，支架的合理初撐支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)該≥542kPa。

3 礦壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

上一節(jié)通過(guò)數(shù)值模擬，研究了支架剛度和直接頂強(qiáng)度對(duì)支架初撐控頂效果的影響。為了對(duì)1201工作面支架初撐力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在工作面布置五個(gè)測(cè)區(qū)，每個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域提取一個(gè)支架的初撐力進(jìn)行分析[5]，分別為11#支架、33#支架、55#支架、77#支架、99#支架，支架初撐力的觀測(cè)方案如圖5所示。因工作面泵站最大工作壓力為31.5MPa，所以將初撐力頻率分布為6個(gè)范圍，支架初撐力在15d內(nèi)的頻率分布見表1。

圖5 1204工作面觀測(cè)方案

表1 支架初撐力頻率分布表

由表1可知，初撐力的分布并不均勻，主要分布在20～30MPa區(qū)間，其中20MPa以上區(qū)間占到總數(shù)的50%以上。由此看出，在煤層回采過(guò)程中，支架的初撐力在20MPa以下區(qū)間分布較少，多集中在20MPa以上區(qū)間。而支架的額定初撐力為31.5MPa，實(shí)際的支架初撐力只有10%左右達(dá)到了額定初撐力，因此，大部分支架升柱初撐操作還要由工人手動(dòng)控制支架完成。

4 結(jié)論

1）通過(guò)六組不同支架剛度下的數(shù)值模擬得出，非來(lái)壓期間增大支架初撐力，可以縮短支架與頂板形成平衡狀態(tài)的時(shí)間，提高頂板穩(wěn)定性；來(lái)壓期間增大支架初撐力，支架工作液回流致使安全閥頻繁開啟，支架的整體剛度將有所降低，不利于支架對(duì)頂板的控制。

2）通過(guò)對(duì)三組不同巖性直接頂?shù)臄?shù)值模擬得出，非來(lái)壓期間，當(dāng)工作面直接頂由強(qiáng)度較小的砂質(zhì)泥巖頂板向強(qiáng)度較大的粗砂巖頂板過(guò)渡時(shí)，支架的合理初撐支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)增大約20 kPa；來(lái)壓期間，當(dāng)工作面直接頂由砂質(zhì)泥巖頂板向粗砂巖頂板過(guò)渡時(shí)，支架的合理初撐支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)減小40kPa左右。

3）通過(guò)對(duì)礦壓實(shí)測(cè)分析得出，1201工作面回采期間支架初撐力雖然在各個(gè)區(qū)間都有分布，但主要集中在20MPa以上區(qū)間。并且工作面自動(dòng)化程度較低，未達(dá)到額定初撐力的支架仍需要人工操作。