鄰近煤層并行開(kāi)采液壓支架適應(yīng)性研究

高 宏

(同煤集團(tuán)煤峪口礦)

鄰近煤層并行開(kāi)采液壓支架適應(yīng)性研究

高 宏

(同煤集團(tuán)煤峪口礦)

為了探究1105工作面所采用的ZY4000/18/41型支架的適應(yīng)性問(wèn)題，在工作面設(shè)置3個(gè)測(cè)站，采用KJ216/KJ653型煤礦液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)定液壓支架工作阻力，通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的整理，分析了初撐力情況、支架的阻力特征、末阻力分布特點(diǎn)。結(jié)果表明，由于泵壓初撐力達(dá)標(biāo)率不高，后期支架以一次增阻為主，末阻力非常接近額定阻力，支架多為被動(dòng)承載，維護(hù)成本大?；夭蛇^(guò)程中，應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)1005工作面和1105工作面前后錯(cuò)距以防止1105工作面煤壁偏幫及支架受壓。

鄰近煤層 并行開(kāi)采 液壓支架 工作阻力

并行開(kāi)采期間，如果上層和下層工作面錯(cuò)距過(guò)小，上煤層頂板傾斜下沉角則較大，下煤層工作面煤壁及支架將會(huì)承擔(dān)較大覆巖重量，下層工作面煤壁片幫率高，支架受壓嚴(yán)重。上下層工作面合理錯(cuò)距的選擇是防范下層煤支架被壓死甚至折斷的關(guān)鍵[1]。某礦主采10#、11#煤，相距2.3 m，并行開(kāi)采，回采過(guò)程中位于底部的1105工作面支架安全閥開(kāi)啟率大，煤壁片幫率高，有壓架危險(xiǎn)。所以，上下鄰近10#、11#煤合理錯(cuò)距之內(nèi)并行開(kāi)采時(shí)液壓支架是否滿足要求格外重要。

1 工作面概況

主采11#煤1105工作面走向長(zhǎng)1 500 m，傾向長(zhǎng)120 m，11#煤上方的10#煤1005工作面走向長(zhǎng)1 400 m，傾向長(zhǎng)130 m。主采11#煤1105工作面滯后回采，1005工作面超前1105工作面回采走向距離為20 m，兩端回采線與停采線錯(cuò)距為11 m。頂?shù)装鍘r層分布情況見(jiàn)表1，所用ZY4000/18/41型支架參數(shù)見(jiàn)表2。工作面具體布置見(jiàn)圖1。

表1 ZY4000/18/41型支架參數(shù)

表2 工作面頂?shù)装鍘r層分布

圖1 兩工作面布置示意

2 觀測(cè)布置

在工作面建立3個(gè)測(cè)站,采用KJ216/KJ653型煤礦液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)定工作阻力，支架推進(jìn)過(guò)程中，支架工作阻力值每5 min被連續(xù)自動(dòng)記錄在監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)。7#、8#、9#架為1#測(cè)站，38#、39#、40#架為2#測(cè)站，70#、71#、72#架為3#測(cè)站(圖2)。各個(gè)測(cè)站在支架前后立柱布置壓力和傾角傳感器，記錄支架柱工作壓力。斷電情況下能保持2 h正常監(jiān)測(cè)，整個(gè)礦壓監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)共40 d[2]。

圖2 測(cè)站布置示意

3 支架的適應(yīng)性分析

3.1 支架監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

為了更為直觀地分析工作面支架的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，將KJ216/KJ653型煤礦液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)按照0～10 MPa、10～20 MPa、20～25 MPa、25～30 MPa、30～35MPa、35～40 MPa、大于40 MPa整理繪制成圖。

3.2 支架工作阻力分布情況

液壓支架工作阻力是指液壓支架承壓時(shí)所受的末阻力。支架的初撐力是指在泵站工作壓力作用下，支架全部立柱升起，頂梁與頂板接緊時(shí)支架對(duì)頂板的支撐力。

圖3為工作面1#～3#測(cè)站工作阻力分布圖。可知，工作面ZY4000/18/41型支架工作阻力集中分布在35～40 MPa，相對(duì)支架額定工作阻力而言，其所受外來(lái)阻力比較大。2#和3#測(cè)站有將近40%和48%的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明支架工作阻力大于35 MPa，支架工作阻力長(zhǎng)時(shí)間維持在額定阻力下緣；1#和3#測(cè)站部分時(shí)間內(nèi)工作阻力大于40 MPa，接近額定阻力極限狀態(tài)，這對(duì)于支架后期維護(hù)和使用壽命非常不利。

圖3 工作面1#～3#測(cè)站工作阻力分布

1#～3#測(cè)站平均工作阻力統(tǒng)計(jì)分別為31.3，28.5，31.5 MPa，為相對(duì)應(yīng)額定工作阻力76.6%，69.8%，77.1%，工作面整體支架的富裕量不大，長(zhǎng)時(shí)間都處于額定阻力下限運(yùn)行，屬于高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

3.3 支架初撐力及末阻力運(yùn)轉(zhuǎn)特性

支架初撐力分布情況見(jiàn)圖4。設(shè)計(jì)初撐力為31.5 MPa，初撐力規(guī)定值為24 MPa，實(shí)際工作中達(dá)到規(guī)定值的比例分別為42.2%，32.2%，45.9%。初撐力大部分分布在20～30 MPa，分布狀態(tài)呈拋物線。1#、2#、3#測(cè)站平均初撐力依次為21.5，18.5，21.7 MPa，占設(shè)計(jì)初撐力的68.3%，58.7%，68.9%。綜合分析ZY4000/18/41型支架需要加強(qiáng)對(duì)初撐力的管理，泵站加壓要達(dá)標(biāo)。

圖4 1#～3#測(cè)站初撐力分布

圖5為支架末阻力分布。1#、3#測(cè)站支架實(shí)際工作阻力超過(guò)40 MPa的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)達(dá)到46.5%和24.6%，表明實(shí)際生產(chǎn)中支架末阻力偏高，這對(duì)頂板控制非常不利。2#測(cè)站阻力超過(guò)40 MPa的數(shù)據(jù)僅占統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)總量的7.5%，主要是由于2#測(cè)站支架初撐力相對(duì)較小。

圖5 1#～3#測(cè)站末阻力分布

圖6為ZY4000/18/41型支架初撐力和末阻力關(guān)系圖，可以發(fā)現(xiàn)，支架末阻力與初撐力成正比例關(guān)系，末阻力分布集中區(qū)為40 MPa附近。

圖6 1#～3#測(cè)站初撐力和末阻力關(guān)系

實(shí)際工作中支架阻力調(diào)整基本為一次增阻，二次增阻及多次增阻頻率非常小，支架經(jīng)過(guò)泵站加壓達(dá)到初撐力后，阻力一直處于不停增長(zhǎng)的狀態(tài)，直至達(dá)到設(shè)定的安全閥開(kāi)啟值。這種增阻狀態(tài)對(duì)于支架與頂板圍巖的控制非常不利，沒(méi)有很好地發(fā)揮支架的性能[3]。

3.4 支架安全閥開(kāi)啟情況

ZY4000/18/41型支架安全閥開(kāi)啟值設(shè)置為40 MPa，工作阻力隨工作面頂板位移的下沉不斷增加，最終安全閥開(kāi)啟達(dá)到支架恒阻承載。在工作面觀測(cè)期間每個(gè)測(cè)站均有安全閥開(kāi)啟漏液的狀況。當(dāng)停采時(shí)或頂板老頂斷裂時(shí)，支架恒阻段持續(xù)時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)。圖7為ZY4000/18/41型支架承載恒阻段比例及安全閥開(kāi)啟率?？芍?，1#測(cè)站7#架的安全閥開(kāi)啟次數(shù)較多，支架阻力恒阻時(shí)期長(zhǎng)，主要因?yàn)?#測(cè)站7#架泵壓初撐力達(dá)標(biāo)率高，支架能夠在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入恒阻時(shí)期。安全閥在頂板來(lái)壓或停采時(shí)，開(kāi)啟率比較高[4]。在采煤過(guò)程中發(fā)現(xiàn)2#測(cè)站39#架安全閥開(kāi)啟值小于額定值，估計(jì)是配件損壞導(dǎo)致油表故障，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可忽略。綜合分析來(lái)看，各測(cè)站支架的恒阻階段比例較高，觀測(cè)期間支架在較長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)處于頂板的被動(dòng)受壓狀態(tài)[5]。

圖7 ZY4000/18/41型支架恒阻段比例及安全閥開(kāi)啟率

3.5 支架錯(cuò)距合理性分析

根據(jù)支架錯(cuò)距計(jì)算公式[2]

(1)

式中，H為煤層間距，取2.3 m；δ為巖石移動(dòng)角，堅(jiān)硬巖石取65°,軟弱巖石取50°；L為安全距離，考慮上層工作面頂板冒落穩(wěn)定及上下煤層工作面推進(jìn)速度不均衡，取20 m；b為上部煤層采煤工作面的最大控頂距，取6.2 m。

計(jì)算得出支架錯(cuò)距Xmin=30 m。

在回采過(guò)程中，由于1005和1105工作面實(shí)際錯(cuò)距只有20 m，使得頂板傾斜下沉角過(guò)大，10#煤層采空區(qū)承擔(dān)的上覆巖層壓力轉(zhuǎn)移到1105工作面煤壁及支架。所以實(shí)際生產(chǎn)中要適當(dāng)延長(zhǎng)1005和1105工作面前后錯(cuò)距，防止1105工作面煤壁偏幫及支架受壓。

4 結(jié) 語(yǔ)

ZY4000/18/41型液壓支架3個(gè)測(cè)站平均工作阻力為相對(duì)應(yīng)額定工作阻力的76.6%、69.8%、77.1%，處于額定阻力下限運(yùn)行，屬高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)；支架平均初撐力占設(shè)計(jì)初撐力的68.3%、58.7%、68.9%，支架大部分為一次增阻，二次增阻及多次增阻頻率非常小，多為被動(dòng)承載，需要加強(qiáng)對(duì)支架初撐力的管理；各測(cè)站支架的恒阻階段比例較高，支架在較長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)處于頂板被動(dòng)受壓狀態(tài)。根據(jù)理論計(jì)算得出最小錯(cuò)距為30 m，實(shí)際回采過(guò)程中，應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)1005和1105工作面前后錯(cuò)距。本文研究結(jié)果對(duì)于相同地質(zhì)條件的類似鄰近煤層開(kāi)采有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 查文華，宋新龍，計(jì) 平.堅(jiān)硬頂板下極近距離煤層聯(lián)合開(kāi)采安全錯(cuò)距確定研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2013，13(5)：187-190.

[2] 張 亮,查文華,宋新龍,等.極近距離煤層聯(lián)合開(kāi)采液壓支架適應(yīng)性分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2014(S2):103-106.

[3] 宋保勝.寶欣煤礦近距離薄煤層聯(lián)合開(kāi)采的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2016.

[4] 張 凱.風(fēng)氧化帶整體注漿加固后覆巖礦壓規(guī)律研究[D].淮南：安徽理工大學(xué),2016.

[5] 楊 敏.極近距離“三軟”厚煤層分層連續(xù)開(kāi)采下綜采工作面礦壓規(guī)律研究[D].淮南：安徽理工大學(xué),2015.

2016-09-26)

高 宏(1983—)，男，工程師，037003 山西省大同市。