淺埋煤層大采高工作面支架適應(yīng)性研究

許海濤，李少剛

(1.華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 101601;2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京 100013;3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

該礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市境內(nèi)，井田位于東勝煤田，其構(gòu)造形態(tài)與區(qū)域含煤地層構(gòu)造形態(tài)一致，總體為一向南西傾斜的單斜構(gòu)造，地層產(chǎn)狀平緩，井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層，但在個(gè)別地段，煤層底板等高線起伏較大，起伏角一般小于2°，區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷裂及緊密褶皺。

07工作面為該礦第七個(gè)工作面，布置在礦井一水平2－2煤層中，煤層傾角為0～5°。該煤層結(jié)構(gòu)較簡單，含1～2層夾矸，煤層頂板為細(xì)粒砂巖及砂質(zhì)泥巖，底板多為泥巖。

該工作面選用ZY11000/28/63D型支撐掩護(hù)式支架，在工作面112架支架中選取6架，分3個(gè)測區(qū)布置，測區(qū)及支架編號(hào)分別為:上部測區(qū)(37#、46#架)、中部測區(qū)(64#、73#架)和下部測區(qū)(91#、100#架)。分析工作面的各種礦壓顯現(xiàn)特征，并參照相關(guān)礦壓理論，確定工作面周期來壓步距和來壓強(qiáng)度，掌握工作面推進(jìn)過程中的支架工作阻力頻率、左右柱平衡性及初撐力、末阻力分布特征等。

1 工作阻力頻率分布

支架日常工作阻力的大小可以用工作阻力頻率分布來表示。工作阻力頻率分布圖是由支架的工作阻力在不同區(qū)間的百分比來確定，具體方法是按照額定工作阻力的20%，劃分5個(gè)區(qū)間，分別統(tǒng)計(jì)支架工作阻力在各區(qū)間所占的百分比。

理想的支架工作阻力頻率分布圖應(yīng)是正態(tài)分布。處于低阻力和高阻力所占整個(gè)區(qū)間很少比例，中間部分所占比例較大。若低阻力所占比例較大，支架對(duì)頂板支撐作用不明顯，頂板整體下沉，工作面采高降低，容易出現(xiàn)支架被壓死現(xiàn)象;若高阻力所占比例較大，說明支架選型不合理，液壓支架長期在超負(fù)荷狀態(tài)工作，存在安全隱患。

根據(jù)支架阻力連續(xù)記錄儀記錄的數(shù)據(jù)，繪制出支架工作阻力與支架平均工作阻力頻率分布直方圖，如圖1所示:

圖1 各支架工作阻力頻率分布直方圖

分析圖1中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)各支架工作阻力分布具有相同特征，阻力頻率差別不大，支架在正常阻力區(qū)間所占的比例達(dá)到了61.27%，低阻力區(qū)和高阻力區(qū)的比例分別為33.16%和5.58%，而高于支架額定工作阻力(11000 kN)的比例僅占0.53%，支架日常工作阻力基本呈正態(tài)分布，說明支架受力狀態(tài)較為理想，富余系數(shù)較大，能夠滿足工作面頂板來壓時(shí)的控頂要求。

2 支架左右柱受力平衡性

222203工作面采用的液壓支架額定工作阻力為11000kN，每根立柱的額定工作阻力為5500kN。每個(gè)記錄儀有兩個(gè)通道，分別監(jiān)測支架的左柱(P1)和右柱(P2)，為了充分說明支架立柱受力情況，現(xiàn)對(duì)三次觀測期間各架左右立柱的平均工作阻力進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

從圖2的變化趨勢及表1的數(shù)據(jù)可以看出，222203工作面各支架左、右柱工作阻力基本平衡，可見采場頂板壓力合力作用點(diǎn)位于兩柱之間，從這一點(diǎn)可說明工作面支架能夠適應(yīng)頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律，“支架—圍巖”關(guān)系處于較好的狀態(tài)。

從各支柱工作阻力與額定工作阻力的比例可以看出，左、右柱的平均工作阻力分別占各自額定工作阻力的51.24%和48.08%，可見支架選型基本合理，富余系數(shù)較大，能夠滿足工作面頂板運(yùn)動(dòng)的需要。

多數(shù)支架的左柱受力情況普遍略大于右柱，分析原因與工作面傾角有關(guān)。個(gè)別支架，如46#支架左立柱明顯大于右立柱，出現(xiàn)明顯的偏載現(xiàn)象，兩者的平均工作阻力比值為140.9%，認(rèn)為有以下幾個(gè)原因:

(1)立柱管理不力，液壓系統(tǒng)中的閥組等部位存在漏液、竄液現(xiàn)象，建議礦方對(duì)46#支架右柱進(jìn)行檢修;

(2)支架傾角可能偏大，礦方在后續(xù)的開采過程時(shí)應(yīng)到現(xiàn)場觀察支架所處位置有無明顯傾斜。

圖2 各支架左、右柱平均工作阻力分布圖

表1 支架左、右柱平均工作阻力統(tǒng)計(jì)表

3 支架初撐力與末阻力分析

觀測期間各測區(qū)支架每日初撐力、末阻力平均值其變化規(guī)律曲線見圖3。

各支架初撐比(支架實(shí)際初撐力與額定工作阻力比值)在0.41～0.44之間，分布較為平均，但支架的初撐力都沒有達(dá)到預(yù)設(shè)初撐力的要求，會(huì)降低支架的支護(hù)效果，存在較大安全隱患。

各支架循環(huán)末阻力與額定工作阻力比值在0.53～0.57之間，說明支架富余系數(shù)較大，能夠適應(yīng)工作面支護(hù)要求。

通過對(duì)比分析三次現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，07工作面在回采期間初撐力嚴(yán)重不足，無法達(dá)到作業(yè)規(guī)程的要求。分析初撐力偏小的原因主要有［3～7］:

1)泵站壓力不夠

目前綜采工作面乳化液泵站，其額定壓力為31.5 MPa。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，為了防止管路破裂，便于工作面支架液壓系統(tǒng)的管理和維護(hù)，綜采隊(duì)調(diào)定泵壓往往小于31.5 MPa，一般在27～30 MPa，即使供液系統(tǒng)的壓力損失為零，液壓支架的初撐力也達(dá)不到設(shè)計(jì)規(guī)定。

2)管路損失大

根據(jù)現(xiàn)場觀測，供液系統(tǒng)的壓力損失主要有兩個(gè)方面:

一是液壓系統(tǒng)普遍存在跑、冒、漏、滴或者串漏液現(xiàn)象，主要是由于工作面支架檢修質(zhì)量差，支架立柱、安全閥維護(hù)不到位，失效數(shù)量多;

二是移動(dòng)式乳化液泵站至工作面的距離約為100m～200 m，供液距離長，沿程壓力損失大，再加上各種閥件和管接頭的局部壓力損失和回液阻力，甚至是系統(tǒng)的泄漏和膠管的彈性變形對(duì)壓力能的吸收等因素影響，即使泵站壓力達(dá)到額定值，到達(dá)支架立柱下腔的液體壓力也不能保證初撐力要求。

3)供液時(shí)間短

為了適應(yīng)高產(chǎn)高效工作面的要求，必須加快支護(hù)速度，這就使得支架的升柱時(shí)間短，升柱工作完成后缺少足夠的時(shí)間來給支護(hù)打壓，尚未達(dá)到初撐力要求就停止供液。

圖3 初期觀測期間各支架初撐力、末阻力變化曲線

4)人為因素

支架工升柱操作存在問題，根據(jù)現(xiàn)場觀察，某些支架工在升柱時(shí)，可能因?yàn)楹笾僮髌y靠近下面，嫌麻煩或者認(rèn)識(shí)不夠，認(rèn)為支架前后立柱相平就可以，往往只操作前柱片閥對(duì)前柱注液，通過前柱帶動(dòng)后柱拉出，從表面看支架前后立柱基本相平，但實(shí)際上后柱基本沒有初撐力，這就嚴(yán)重降低了整架初撐力。

5)由于采煤機(jī)推進(jìn)速度較快，工作面始終是多組支架同時(shí)動(dòng)作，導(dǎo)致主系統(tǒng)壓力短時(shí)間內(nèi)難以達(dá)到泵站壓力。

總體來說，在整個(gè)07工作面回采過程中支架的工作初撐力與末阻力差距較大，尤其是支架初撐力嚴(yán)重不足。因此，礦方應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場管理，在移架過程中，確保初撐力達(dá)到預(yù)設(shè)值。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)支架工作阻力頻率、左右柱平衡及初撐力末阻力的分析，得出以下結(jié)論:

1)觀測期間，各個(gè)支架工作阻力分布具有相同特征，而且阻力頻率差別不大，支架在正常阻力區(qū)間所占的比例較高，而高于支架額定工作阻力的比例很小，支架日常工作阻力基本呈正態(tài)分布，受力狀態(tài)比較理想，能夠基本滿足工作面來壓時(shí)的控頂要求;

2)總體來說多數(shù)支架的左柱受力情況普遍略大于右柱，個(gè)別支架出現(xiàn)明顯的偏載現(xiàn)象，這種現(xiàn)象對(duì)支架整體的支護(hù)性能與使用壽命是不利的;

3)支架初撐比在 0.35～0.52之間，平均0.41(在222203工作面的作業(yè)規(guī)程中，規(guī)定支架的初撐力不小于6030kN(24MPa)，占額定工作阻力的54.82%，即初撐比為0.55)，未達(dá)到作業(yè)規(guī)程要求;末阻力與額定工作阻力之比在0.53～0.85之間，平均0.61，說明支架富余系數(shù)較大，能夠適應(yīng)工作面支護(hù)要求。

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