新疆伊寧礦區(qū)特殊地質條件液壓支架選型研究

劉光木 張京超 續(xù)文峰 任艷芳

（1.新汶礦業(yè)集團 （伊犁）能源開發(fā)有限責任公司，新疆維吾爾自治區(qū)伊寧市，835000；2.天地科技股份有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013）

新汶礦業(yè)集團 （伊犁）能源開發(fā)有限責任公司在新疆伊寧礦區(qū)伊北煤田建設的4＃礦井為該礦區(qū)伊北煤田首個特大型礦井，是國家示范項目 “伊北20億Nm3煤制天然氣”配套工程。伊北煤田具有巨厚Ⅲ級嚴重濕陷性表土層、淺埋深、煤層頂板無關鍵承載層及 “三軟”等復雜地質條件，給建設安全高效礦井造成困難，為實現(xiàn)礦井安全高效開采，滿足煤制天然氣項目穩(wěn)定和連續(xù)供煤的要求，合理的工作面 “三機”配套是安全高效開采的關鍵，支架合理選型則是關鍵中的關鍵。

1 礦井概況

伊犁4＃礦井位于伊寧礦區(qū)伊北煤田，設計生產(chǎn)能力為600萬t／a，采用主、副斜井、立風井開拓。井田主采的煤21-1煤層和煤23-2煤層首采區(qū)煤層厚度變化較大，煤21-1煤層可采厚度為1.35～8.93m，平均為5.3 m，埋深為100～575 m；煤23-2煤層厚度為2.05～11.5m，平均為7.73m，埋深為75～525 m；區(qū)內廣布第四系黃土狀粉土，平均厚為75.34m，塑性指數(shù)為5.0～10，濕陷系數(shù)大于0.003，有濕陷性，屬低、中等壓縮性土。

煤層頂板巖性較復雜，以泥巖和粉砂質泥巖為主，其次為粉細砂巖、炭質泥巖，松散砂礫巖僅局部可見。各煤層頂板厚度變化較大，無厚而堅硬的基本頂存在，局部可見少量炭質泥巖偽頂，采煤層頂板各類巖石發(fā)育水平層理，節(jié)理裂隙不發(fā)育，具厚層-薄層狀結構，層面結合力較差且強度低，平均天然抗壓強度為12.2～16.27MPa，平均飽和抗壓強度為1.81～3.69 MPa，平均抗拉強度為0.87～1.25 MPa，平均天然抗剪強度為2.05～3.53 MPa，軟化系數(shù)為0.02～0.25。各煤層頂板巖石均為抗水、抗風化和抗凍性能弱，易風化崩解離層和軟化軟質巖，易發(fā)生片幫、冒落、井壁坍塌現(xiàn)象，屬工作面頂板來壓比較穩(wěn)定、頂板隨著支護的回收而垮落、易冒落的不穩(wěn)定頂板。

煤層底板以泥質巖類為主，其次為少量炭質泥巖和粉砂巖，平均天然抗壓強度為15.17～17.03 MPa，平均飽和抗壓強度為1.73～3.47 MPa，平均抗拉強度為1.03～1.19 MPa，平均天然抗剪強度為2.38～3.03 MPa，軟化系數(shù)一般為0.02，各煤層底板均屬不穩(wěn)定底板。

2 支架選型基礎研究

2.1 煤層物理力學實驗

煤巖的物理力學性質是采煤方法研究、頂煤冒放性和設備選型的重要依據(jù)。為此，通過對兩個煤層取樣分別測試試樣的單軸抗拉強度、單軸抗壓強度、彈性模量、泊松比、變角剪強度、凝聚力和內摩擦角等物理力學性質，見表1。對煤層物理力學性質進行評價表明，伊犁4＃礦井的主采煤21-1煤層與煤23-2煤層均屬于軟-中硬煤層。

表1 煤層試樣的力學性質測試結果

2.2 煤巖體鉆孔窺視測試

為分析煤21-1煤層和煤23-2煤層頂煤和頂板裂隙發(fā)育狀態(tài)，為煤層開采方法的確定提供理論依據(jù)，對頂煤及頂板進行了鉆孔窺視，窺視結果分析可知，煤層頂板巖層節(jié)理裂隙發(fā)育較少，局部破碎，未發(fā)現(xiàn)大的貫通裂隙，巖層不致密；頂煤較完整，節(jié)理裂隙不發(fā)育，無夾矸。

3 支架選型

3.1 支架設計的基本原則

綜放工作面支架架型是否與工作面煤層地質條件相適應是綜放工作面安全生產(chǎn)的關鍵。根據(jù)綜放工作面礦壓顯現(xiàn)一般規(guī)律及支架與頂煤相互作用關系，伊北煤田主采煤層大采高綜放開采支架選型主要考慮以下幾個因素：一是支架應有良好的通風、行人空間，二是設備投資要盡量節(jié)省，三是要求支架可靠性高，四是支架應具有滿足放煤要求的空間，五是支架能適應伊北煤田特厚煤層放頂煤開采要求，六是支架要適應伊北煤田煤層 “三軟”條件。

目前我國放頂煤液壓支架發(fā)展已經(jīng)有20多年的歷史，四柱支撐掩護式低位放頂煤支架已成為目前的主導架型，技術較成熟。但是隨著我國放頂煤技術不斷發(fā)展，四柱放頂煤支架結構復雜、體積較大、前后立柱受力不均衡，工作阻力不能充分發(fā)揮，與電液控制系統(tǒng)配套性差等缺陷普遍顯現(xiàn)出來。結合國內外一次采全高煤層綜采支架向兩柱掩護式電液控制液壓支架發(fā)展趨勢，決定選擇兩柱掩護式放頂煤液壓支架。兩柱掩護式放頂煤液壓支架能有效地提高頂梁前端對頂板的支護能力，改善支架對頂煤的支護效果，便于采用電液控制。

3.2 液壓支架支護強度計算

從國內進行綜采放頂煤開采以來，支架工作阻力的確定一直是綜放工作面設備選型中最關鍵的問題之一，從巖重法過渡到目前的計算頂煤體受力確定支架載荷的理論方法，此外還基于大量的綜放開采礦壓實測提出的統(tǒng)計類比法。根據(jù)伊北煤田煤層賦存條件，支架支護強度的確定主要有3種方法。

3.2.1 統(tǒng)計類比法

結合礦井主采特厚煤層首采區(qū)埋藏較淺和地表覆蓋松散層厚度較大等典型特點，通過與我國西部典型淺埋深大采高綜放工作面液壓支架支護強度的調查得出，該條件下支架支護強度普遍大于1 MPa，多數(shù)大采高綜放工作面的液壓支護強度在1.1～1.3 MPa之間。結合煤層賦存條件，確定伊北煤田主采煤層綜放工作面液壓支架支護強度在1.1～1.3 MPa之間。

3.2.2 數(shù)值模擬方法

針對煤層的賦存條件，通過構建數(shù)值模擬模型，分別模擬了支護強度在0.2 MPa、0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、1.2 MPa 和1.4 MPa下，支架上方頂煤不同位置處的下沉位移曲線如圖1所示。

圖1 工作面支護強度與頂板下沉位移關系圖

由圖1可知，隨著支架支護強度的增大而下沉位移減小，而當支架支護強度大于1.2 MPa時，支架支護強度的增大對控制頂煤下沉作用逐漸減弱，并逐漸趨于穩(wěn)定，此時頂煤下沉位移也已經(jīng)達到一個較小值。因此支架支護強度為1.0～1.2 MPa是支架支護強度對頂煤下沉影響的一個臨界值。

3.2.3 經(jīng)驗計算支護強度法

式中：P——工作面合理的支護強度，MPa；

k——支架上方頂板跨落系數(shù)，取8；

h——工作面最大割煤高度，取4.0m；

r——巖石容重，取2.6t／m3；

g——重力加速度，取9.8m／s2。

綜合分析，在考慮一定的安全系數(shù)基礎上，伊北煤田主采煤層綜放工作面液壓支架的合理支護強度應不小于1.2 MPa。

3.3 支架選型分析

實踐表明，綜放開采技術的進步與支架架型的發(fā)展密不可分。放頂煤液壓支架架型的每一次重大變革都帶來放頂煤技術的一次重大進步，從高位放頂煤支架到中位放頂煤支架再到四柱低位放頂煤支架，三代放頂煤液壓支架的研制應用代表了放頂煤技術發(fā)展史上的3個重要階段，正是放頂煤液壓支架架型的創(chuàng)新促進了綜放技術的不斷成熟與發(fā)展。

從國內安全高效綜放工作面設備情況看，四柱放頂煤液壓支架在國內應用范圍極廣，但是四柱支撐掩護式綜放支架存在以下問題：支架前、后立柱受力不均衡，工作阻力利用率低；支架后立柱拉壞現(xiàn)象嚴重，支架結構件易于損壞；對端面頂煤的控制能力差，造成工作面端面冒頂現(xiàn)象比較嚴重；在頂板外載荷合力作用點變化時，支架的自我調節(jié)能力差，造成支架工作狀況及頂板狀態(tài)變差；支架的結構和控制系統(tǒng)復雜、體積龐大、重量大、主要構件強度低、移架速度慢，與電液控制系統(tǒng)配套適用性差。

鑒于四柱支撐掩護式綜放支架存在以上問題，在進一步實測分析和總結現(xiàn)場四柱放頂煤液壓支架承載特性的基礎上，通過深入分析放頂煤開采時圍巖的動態(tài)破壞規(guī)律和支架圍巖關系，國內提出了適合放頂煤開采的新一代液壓支架架型——兩柱掩護式放頂煤液壓支架。兩柱掩護式放頂煤支架作為一種新的架型，從支架的結構上來講較四柱放頂煤支架具有以下優(yōu)勢：

（1）兩柱掩護式液壓支架頂梁相對較短，支護面積小，相同工作阻力的支架支護強度高。

（2）采用整體頂梁，使結構簡單可靠，頂梁前端支撐力大，有利于保持梁端頂板的完整，防止煤壁片幫冒頂，普遍受到世界各國安全高效工作面的青睞。

（3）支架立柱受力均衡，與圍巖的相互作用關系更合理，支護能力得到充分發(fā)揮，避免了四柱前、后排立柱受力不均衡的現(xiàn)象。

（4）支架少一排立柱，立柱、千斤頂及相應的液壓閥門和管路都比四柱式少，液壓操作系統(tǒng)也簡單，有利于支架的快速動作，特別適合電液控制系統(tǒng)的使用。

（5）平衡千斤頂具有調節(jié)支架頂梁合力作用點的功能，能適應頂板的變化，通過參數(shù)優(yōu)化克服了以往平衡千斤頂?shù)木窒扌?，避免了支架出現(xiàn) “高射炮”現(xiàn)象。

（6）對于四連桿參數(shù)和銷孔間隙，兩柱支架比四柱支架尺寸緊湊，支架的穩(wěn)定性優(yōu)于四柱支架。

（7）同等支護強度的兩柱掩護式液壓支架比四柱支撐掩護式支架重量輕。

作為新一代的綜放液壓支架架型，兩柱掩護式綜放支架對于放頂煤技術的進步和發(fā)展具有重要的意義，也必將推動放頂煤開采進入一個新的歷史發(fā)展時期。作為一種新的綜放架型，已經(jīng)在多個礦區(qū)進行了應用，表2對各個礦區(qū)的應用情況進行了統(tǒng)計。

表2 各礦區(qū)兩柱掩護式綜放支架的使用情況表

從表2可知，近幾年兩柱掩護式綜放支架主要應用于的軟煤及裂隙較為發(fā)育的中硬煤層，其應用效果良好，對工作面片幫冒頂起到了很好的控制作用，取得了較好的社會效益和經(jīng)濟效益，得到了推廣應用。在神東礦區(qū)，兩柱掩護式綜放支架在保德礦8＃軟煤層中應用效果較好，在取得高回收率的同時有效地減少了煤壁的片幫冒頂現(xiàn)象。

從兩柱掩護式放頂煤液壓支架應用實踐分析，該架型對于賦存地質條件簡單的硬、中硬及軟煤層應用都有成功案例，從支架受力角度分析，不存在明顯缺陷，只是對于硬煤兩柱放頂煤支架的破煤能力相對四柱支架較弱。而對于軟煤層而言，兩柱掩護式放頂煤液壓支架可以采用整體頂梁型式，且支架—圍巖作用關系更為合理。此外，兩柱掩護式放頂煤液壓支架由于其結構型式的有點，更易于采用電液控制系統(tǒng)，有利于實現(xiàn)高產(chǎn)高效。

3.4 支架選型結果

根據(jù)伊北煤田煤層賦存地質條件，結合礦井自動化工作面建設需求，兩柱放頂煤液壓支架的優(yōu)勢較四柱大采高放頂煤液壓支架更容易實現(xiàn)安全和自動化高效生產(chǎn)，設計ZYF13000／24／42、支護強度1.34～1.41 MPa、缸徑采用440 mm 的立柱、安全閥開啟壓力設定為43.2 MPa可以滿足要求。

4 結語

本支架架型是針對伊北煤田煤層賦存地質條件，結合礦井生產(chǎn)能力，在科學實驗、研究分析和廣泛調研的基礎上選擇的，選擇配套大功率采煤機和刮板輸送機能夠達到工作面年產(chǎn)600萬t以上水平，完全可以滿足配套 “伊北20億Nm3煤制天然氣”項目用煤需要，同時也將對整個伊寧礦區(qū)煤炭安全開采產(chǎn)生深遠的影響。

［1］ 李春雨，張海戈，王志勤等.三軟煤層放頂煤的礦壓特點及液壓支架的設計和實踐 ［J］.中國煤炭，1995 （6）

［2］ 韓紀志，張善波，邢士軍.年產(chǎn)600 萬t綜放工作面液壓支架與配套技術研究 ［J］.中國煤炭，2005（10）

［3］ 邢士軍，王建周，趙延兵.大采高綜放液壓支架的研制與應用 ［J］.中國煤炭，2009 （4）