復(fù)雜條件綜放開采液壓支架初撐力分析及控制對策

劉海平　孟國勝

(1.大同煤礦集團有限責(zé)任公司；2.大同煤礦集團有限責(zé)任公司塔山煤礦)

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復(fù)雜條件綜放開采液壓支架初撐力分析及控制對策

劉海平1孟國勝2

(1.大同煤礦集團有限責(zé)任公司；2.大同煤礦集團有限責(zé)任公司塔山煤礦)

摘要為了有效解決塔山礦8216綜放面受斷層構(gòu)造嚴(yán)重影響且復(fù)雜條件下的液壓支架初撐力不足問題，提升頂板管理水平，利用實測統(tǒng)計分析法總結(jié)得出初撐力基本變化規(guī)律：發(fā)揮程度不理想，合格率中部>頭部>尾部，整體數(shù)值前柱大于后柱，后柱初撐力發(fā)揮程度不足50%；分析得出，推進慢、斷層構(gòu)造影響頂煤酥軟超前冒落、工作面平整度差調(diào)整困難、推移拉條易變形及人為操作因素是導(dǎo)致初撐力不足的原因，結(jié)合實際提出加快推進速度以減少頂煤等壓時間、破碎區(qū)注粘結(jié)材料、工作面調(diào)斜、提升操作水平、合理均勻放煤及改造支架拉條7條控制對策，采取對策后，提高了8216綜放面初撐力合格率，大大提升頂板管理水平，為同類復(fù)雜條件下支架初撐力管理提供寶貴經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞復(fù)雜條件大采高綜放面液壓支架初撐力

塔山煤礦是同煤集團的龍頭礦井，采用先進的大采高綜放技術(shù)開采特厚煤層，是現(xiàn)代煤礦的典范。8216工作面是塔山井田二盤區(qū)的一個綜放面，由于受口泉大斷裂影響，工作面處于斷層構(gòu)造帶，地質(zhì)條件、頂板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開采過程中發(fā)現(xiàn)8216面存在液壓支架初撐力不足問題，有必要分析原因，提出有效的控制對策，避免頂板事故發(fā)生。

18216工作面概況

8216工作面位于塔山井田二盤區(qū)中部，傾向長230.5 m，2216巷走向長1 891.5 m,5216巷走向長1 913.2 m。工作面開采C3-5#煤層，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚8.55～24.20 m，平均為13.14 m，煤層中含2～12層夾矸，平均厚1.66 m，夾矸單層厚度為0.05～0.82 m，煤層穩(wěn)定。

工作面采用綜采放頂煤一次采全高采煤法，ZF15000/27.5/42型低位放頂煤支架。采高為3.7 m，放煤高度為9.44 m，采放比為1∶2.55。循環(huán)進度為0.8 m，一刀一放，采用自然跨落法管理頂板。工作面回采受斷層影響較大，地層屬東南高、北西低的單斜構(gòu)造，兩順槽巷在掘進過程中共揭露了正斷層69條。2216巷748 m處、5216巷782 m處揭露火成巖墻，寬2.1～5.5 m。經(jīng)探查工作面存在4個受斷層影響的巖石區(qū)域，合計面積為13 981 m2。

8216工作面開采主要面臨頂煤破碎嚴(yán)重、煤壁片幫嚴(yán)重及斷層影響嚴(yán)重等問題。工作面切眼有臺階，頭比尾高，落差為13 m，4#～40#基本平整，40#～70#低凹，70#～100#突凸出，100#～134#緩坡。

2初撐力實測分析

利用已配置的液壓支架工作阻力人工觀察監(jiān)控系統(tǒng)進行初撐力實測[3]，通過對ZBD-60型光控數(shù)字綜采支架測壓表觀測，得出初撐力變化情況，按平均5架一個測點測量，134個支架設(shè)27個點，由于實際測量過程中部分支架上方頂煤破碎、漏煤嚴(yán)重不能硬升支架，所以根據(jù)實際選取5#、10#、13#、17#、19#、23#、25#、30#、33#、43#、47#、53#、57#、60#、65#、70#、76#、82#、88#、93#、98#、103#、109#、113#、119#、123#、129#共27個點觀測，按照升架初始，升架后2，10，20，30 min5個不同時間測5組數(shù)據(jù)，讀數(shù)大于規(guī)程規(guī)定的25 MPa代表合格，對觀測的數(shù)據(jù)進行比對,得出初撐力的增減變化情況，同時利用卷尺對支架立柱伸縮桿高度進行觀測，以8月21日數(shù)據(jù)(表1)為例進行分析說明。

MPa

注：+代表增加，-代表降低。對表1數(shù)據(jù)綜合分析，可得出8216工作面支架初撐力的基本變化規(guī)律：

(1)初始時間下，初撐力合格的有5#、17#、30#、53#、57#、60#、65#、70#、76#、82#、88#、93#、129#共13架，合格比例為48%(13/27)，整體偏低。從工作面整體來看，面長方向初撐力有差異，53#～93#即工作面中部初撐力合格率最高，5#～47#即工作面頭部初撐力合格率不高，98#～129#即初撐力工作面尾部初撐力合格率最低，可以看出初撐力合格率中部>頭部>尾部。整體初撐力分布不均勻，34～0 MPa。

(2)整體合格率前柱大于后柱，23#、33#、47#、98#、109#、119#、123#共7架前柱初撐力合格，后柱不合格。工作面整體支架前柱初撐力合格比例為74%(20/27)，后柱初撐力合格比例為48%(13/27)。從同一支架前后柱初撐力比對可以發(fā)現(xiàn)，只有57#、60#、65#、70#、88#、93#共6架初撐力前柱比后柱低，其余21架初撐力前柱比后柱高，整體初撐力數(shù)值前柱大于后柱。

(3)從不同時間初撐力變化情況來看，變化范圍為-25.9～+5.5 MPa。沒有同一支架初撐力前后柱都增加的情況，都是降低，說明支架處于降阻狀態(tài)。從增加的情況來看，共有5#前、17#前、43#前、53#前、93#前、129#前及98#后7個立柱，增加比例為13%(7/54)，偏低，且以前柱增加為多；從下降的情況來看，共有47個立柱，下降比例為87%，偏大，且整體都是下降，下降范圍為-0.1～-25.9 MPa，10#、93#、109#、113#及123#下降量大，都超過-15 MPa，整體來看，下降以小于3 MPa為多，比例為68%(32/47)。中部53#～93#下降量小，大都小于3 MPa，頭部5#～47#下降明顯，尾部98#～129#最明顯，下降量相對最大，從下降幅度來看，尾部>頭部>中部，后柱大于前柱。

對于通過抽象得到的度量和度量單位，低年級的教學(xué)最好采用對應(yīng)的方法，這不僅僅是因為十進制就是對應(yīng)于人的十指，事實上，通過對應(yīng)認識和理解事物的數(shù)量關(guān)系是最原始的，也最有效的方法，古埃及和古巴比倫最初的數(shù)學(xué)表達都是采用對應(yīng)的方法，可以在一些圖中發(fā)現(xiàn)這個事實[8]．正因為如此，在現(xiàn)代數(shù)學(xué)語言中，對應(yīng)是一個不加定義的原始概念．

(4)從支架立柱伸縮桿高度來看，高度整體變化不大，有7根立柱伸縮桿高度降低0.01 m，占比例為13%(7/54)，且降幅不大。

(5)為判斷相鄰支架間初撐力相互影響情況，升相鄰支架觀測本架初撐力變化并比對，還以27個測點為觀測點，如：升33#讀一組數(shù)據(jù)，之后升34#再讀33#得一組數(shù)據(jù)，得出變化規(guī)律。經(jīng)分析多次觀測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，升鄰架后本架初撐力下降，下降幅度尾部>頭部>中部，后柱大于前柱，中部為0～3 MPa，頭部下降明顯，尾部下降最大，整體后柱下降比前柱明顯。

總體來看，工作面支架初撐力發(fā)揮程度不理想，初撐力合格率中部>頭部>尾部，中部好，尾部差。整體初撐力數(shù)值前柱大于后柱，后柱初撐力發(fā)揮程度不足50%。支架初撐力整體處于降阻狀態(tài)，不能滿足工作面頂板控制要求。

3支架初撐力不足原因綜合分析

(1)工作面推進慢是造成初撐力整體不足的主要原因。8216工作面半個月累計推進30.5 m，日平均推進2 m，每班一兩刀，最多移架2次，試生產(chǎn)設(shè)備調(diào)試開機率低，支架等壓時間長，頂煤與圍巖的變形及應(yīng)力釋放提前[3]，加大頂煤破碎程度，等壓時間越長頂煤越破碎，支架上方頂煤垮落運移頻繁，支架接頂變化大、不嚴(yán)實、不均勻，推進慢導(dǎo)致支架支撐一直處于爛頂破碎區(qū)，造成惡性循環(huán)，支架接頂狀況差，初撐力發(fā)揮不好。

(2)受斷層構(gòu)造影響，頂煤酥軟頂板破碎、超前冒落是造成支架后柱初撐力小、整架初撐力發(fā)揮不好的直接原因。8216工作面兩順槽巷在掘進過程中共揭露了正斷層69條，面長方向4～8條，工作面處于斷層構(gòu)造帶，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，層理裂隙發(fā)育，頂煤酥碎，頂煤破碎運移范圍大，受采動影響頂煤提前破碎垮落，移架過程中頂煤從支架前、移架空隙及后擺梁擺動空隙提前溜下，升架過程中頂煤從支架間隙溜下，支架頂梁低頭和架前頂煤主動和被動放出，導(dǎo)致支架頂梁接頂點至煤壁距離較大，支架和頂煤接觸狀態(tài)為點和線接觸而非較理想的面接觸[4]，支架接頂不充分、不均勻，破碎嚴(yán)重區(qū)支架難以接頂，初撐力發(fā)揮不好。由于斷層造成頂板不完整，隨采隨跨，懸頂?shù)钠毡榇嬖诩又亓藢ぷ髅嬷Ъ艿膸r重作用，古塘無法形成懸梁，或相對巖梁較小[4]，壓到支架的實際重量小，支架被壓現(xiàn)象不明顯，初撐力難以有效發(fā)揮。頂煤破碎，頂煤斷裂冒落線在四柱支架的前后柱之間，導(dǎo)致后柱工作阻力下降明顯。尾部頂煤破碎嚴(yán)重，導(dǎo)致尾部初撐力嚴(yán)重偏低。頭尾受斷層影響大，導(dǎo)致初撐力發(fā)揮中部>頭部>尾部。

(3)工作面平整度差、調(diào)整困難是初撐力不均勻的重要原因。切眼有臺階，4#～40#基本平整，40#～70#低凹，70#～100#突凸出，100#～134#緩坡，工作面頂?shù)灼秸炔?，調(diào)整困難，支架接頂情況不一，初撐力不均勻，局部初撐力不足。頭尾落差13 m，高差大，尾半部無法見底留底煤，底煤軟，支架頂梁上松散頂煤多，底座下浮煤多，壓力傳遞離散性大，支架不能有效吃力，初撐力發(fā)揮困難。

(4)支架自身缺陷影響工作推進，從而影響初撐力發(fā)揮。8216工作面采用機廠生產(chǎn)的ZF15000/27.5/42型支架，整體性能不好。該套支架抗側(cè)滑性能差，推移拉條易變形，爬坡困難，遇工作面底板不平，特別是低凹段，支架易傾倒，難以正常受壓，支架底座不平易壓拉條，導(dǎo)致推溜困難，清煤及用小油缸推溜時間長，支架等壓長，頂煤破碎溜煤嚴(yán)重，支架接頂不好，初撐力發(fā)揮不好。

(5)人為操作是初撐力發(fā)揮不好的關(guān)鍵原因。支架工業(yè)務(wù)素質(zhì)低，升架多憑感覺操作，支架剛一接頂后即將操作手把回零，支架未經(jīng)預(yù)緊停留階段，達不到額定初撐力。工作面頂煤破碎嚴(yán)重，工人怕溜煤嚴(yán)重漏頂及壓溜，不敢硬升支架，只能將相鄰支架頂梁升平，導(dǎo)致頂梁難以嚴(yán)實接頂。為減小端面距，防止頂煤端面冒落量大，工作面需多段分組作業(yè)二次靠架，多人操作或多架同時操作，使支架立柱供液不均；為防止漏頂，支架推移快，升架及供液時間短，導(dǎo)致初撐力難以達標(biāo)且不均勻。放煤工技術(shù)參次不齊，頂煤破碎放煤難控制，均勻放煤困難，后柱易放空，導(dǎo)致后柱初撐力偏低。

(6)該工作面采用4臺BRW400/31.5DT型乳化液泵，經(jīng)每天測量，乳化液濃度平均為4.6%，泵站實測壓力為29.8～30.6 MPa，平均為30.2 MPa，基本不影響初撐力發(fā)揮。

4提升支架初撐力控制對策

(1)加快工作面推進速度。減少頂煤等壓時間，使頂煤與圍巖的變形、應(yīng)力釋放時間滯后；減少頂煤運移及松散破碎，減少端面頂板破壞高度及頂板下沉量；加快推進，快速甩掉爛頂破碎區(qū)，提高煤壁及頂煤穩(wěn)定性，進而提高支架接頂均勻性、嚴(yán)密性。

(2)對于尾部頂煤破碎區(qū)域，可提前注粘結(jié)材料，提高頂煤整體性，采用調(diào)斜方式快速推進頂煤破碎區(qū)域，保證支架接頂嚴(yán)實；減少采煤機的一次進刀量，淺截快跑，提高截割速度，縮短生產(chǎn)循環(huán)時間[3]，減少頂板暴露面積和時間，有效控制端面破碎，使頂板壓力顯現(xiàn)均衡，提高支架接頂效果。

(3)提高操作水平，保證升架時間。加強培訓(xùn)，提高支架工及放煤工技能，正確操作支架。在移架升柱后，不要立即把升柱手把打回零位，保證供液時間，放煤工及推溜工復(fù)升支架，追機移架，加快支護速度，提高初撐力；采用帶壓擦頂移架，操作手把延時回零，發(fā)揮好支架前梁千斤頂，保持支架頂梁處于近水平狀態(tài)，梁端略高于梁尾，防止向煤壁竄矸，提高煤壁及頂板完整性。

(4)加強現(xiàn)場管理，嚴(yán)格驗收考核。加大工作面“三直兩平兩暢通”及初撐力的驗收，細化驗收標(biāo)準(zhǔn)，量化考核內(nèi)容，通過合理控制采高、放煤均勻性及合理調(diào)斜，實現(xiàn)采放高標(biāo)準(zhǔn)融合，提高支架初撐力管理水平。

(5)根據(jù)實際及時調(diào)整放煤工藝，做到合理均勻放煤。頂煤穩(wěn)定時，一采一放，頂板破碎時兩采一放，甚至三采一放，嚴(yán)格執(zhí)行見矸關(guān)窗放煤原則，必須按順序均勻放煤及補放，嚴(yán)禁單點多放、單段過量放煤，控制每刀的放煤量，保證放煤均勻性；采用“采空區(qū)留條形間隔煤垛”技術(shù)，在工作面面長方向頂板壓力重點區(qū)域?qū)嵤┎煽諈^(qū)留煤垛，即割煤1～2刀間隔10個支架不放煤，相鄰10個支架正常放煤，以此提高采空區(qū)充填率，減少頂板下沉量，防止支架后柱放空，提高支架初撐力。

(6)改進設(shè)備配套性能。對支架推移框架及拉條進行改造，滿足工作面推溜及調(diào)整要求。

(7)提高立柱供液壓力，保證供液系統(tǒng)穩(wěn)定[5]。加強檢修力度，減少液壓系統(tǒng)的跑、冒、滴、漏、竄問題；及時更換乳化油、清洗液箱，確保乳化液質(zhì)量；縮小泵站與工作面距離，整理供液管路，保證平直，減少壓力損失；泵站系統(tǒng)可加設(shè)增壓設(shè)備，嘗試推移千斤頂增壓，改良乳化液泵設(shè)計，提高泵站供液能力。

5結(jié)論

通過實測8216工作面支架初撐力，得出復(fù)雜條件下初撐力的5點變化規(guī)律，分析6點初撐力不足原因，結(jié)合實際得出7條有效控制對策。采取有效控制對策后，8216工作面初撐力合格率明顯提高，據(jù)實測統(tǒng)計可達92%，頂板管理水平大大提升，有效遏制了頂板事故發(fā)生。同時，為塔山礦二盤區(qū)斷層影響復(fù)雜條件工作面初撐力及頂板管理提供可借鑒經(jīng)驗。

參考文獻

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(收稿日期2015-11-10)

劉海平(1970—)，男，副總工程師，高級工程師，037003 山西省大同市。