田莊煤礦炮采工作面液壓支架適應(yīng)性研究

解鵬雁,董宗斌

(潞安環(huán)保能源開(kāi)發(fā)股份有限公司 王莊煤礦,山西 長(zhǎng)治 046204)

炮采工作面采用液壓支架支護(hù)的開(kāi)采方式在我國(guó)比較鮮見(jiàn),但該方式對(duì)改善作業(yè)環(huán)境安全程度、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度等有其積極的意義[1]。臨沂礦業(yè)集團(tuán)田莊煤礦3601炮采工作面正在使用泰安煤機(jī)廠生產(chǎn)的ZZ2400/08/15型液壓支架支護(hù)[2],為檢驗(yàn)該工作面液壓支架是否能很好地滿(mǎn)足支護(hù)要求,特對(duì)支承壓力大小及分布規(guī)律、支架工作狀況等進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究,以評(píng)價(jià)工作面液壓支架的適應(yīng)性[3-5],為頂板控制提供合理指導(dǎo),保證安全生產(chǎn)。

1 工作面地質(zhì)與生產(chǎn)條件概況

3601工作面為二采區(qū)16#煤層南翼第一個(gè)采煤工作面,煤層厚度為1.1 m～1.5 m,平均1.22 m。工作面埋深為203 m～251 m,走向長(zhǎng)度為637 m,傾斜長(zhǎng)度為272 m,構(gòu)造比較簡(jiǎn)單,斷層落差較小,突水系數(shù)均小于正常塊段的臨界突水系數(shù),因此,可安全回采。工作面采用走向長(zhǎng)壁采煤法,全部垮落法控制頂板。工作面采用對(duì)拉面布置,炮采工藝,液壓支架支護(hù),上、下面錯(cuò)距為3.6 m～5 m,總計(jì)配置支撐掩護(hù)式液壓支架212架。

2 工作面礦壓觀測(cè)方案

2.1 儀器選擇

液壓支架的工作阻力通過(guò)每根立柱柱腔液體壓力來(lái)反映,通?？赏ㄟ^(guò)監(jiān)測(cè)立柱內(nèi)壓來(lái)計(jì)算其工作阻力。本項(xiàng)目采用青島萬(wàn)豐儀器儀表公司生產(chǎn)的YTL-610SM型圓圖自記儀進(jìn)行液壓支架工作阻力的自動(dòng)和連續(xù)記錄。

2.2 數(shù)據(jù)采集

選擇對(duì)3601工作面下面的下部106#、中部61#及上部21#和20#液壓支架的左前柱和右后柱受力進(jìn)行觀測(cè),見(jiàn)圖1,共計(jì)8個(gè)圓圖壓力自記儀。

監(jiān)測(cè)期間,只需每天換一次記錄紙,并在記錄紙上標(biāo)明架號(hào)、液壓支架的前后柱、換紙日期。在換記錄紙的同時(shí),測(cè)量液壓支架的活柱長(zhǎng)度[6]。

圖1 工作面礦壓觀測(cè)測(cè)區(qū)布置Fig.1 Layout of pressure observation areas of the working face

2.3 日常數(shù)據(jù)整理與分析

圓圖自記儀記錄的P-t曲線(xiàn)內(nèi)容很豐富,但直接看記錄曲線(xiàn)很不直觀,分析支架阻力變化規(guī)律必須對(duì)其加以整理和計(jì)算。一般需根據(jù)記錄曲線(xiàn)及時(shí)整理以下內(nèi)容[7]:

1)按監(jiān)測(cè)循環(huán)計(jì)算支架的初撐力P0、循環(huán)末阻力Pm和時(shí)間加權(quán)平均阻力Pt。

循環(huán)末阻力Pm指循環(huán)末支架移架前的工作阻力,可由下式計(jì)算:

式中:Qmi為實(shí)測(cè)循環(huán)末油缸內(nèi)工作壓力,MPa;D為立柱油缸內(nèi)徑,mm;z為支架立柱數(shù)目。

時(shí)間加權(quán)平均工作阻力Pt指一個(gè)采煤循環(huán)內(nèi)以時(shí)間為加權(quán)計(jì)算的平均工作阻力,可按下式近似求得:

式中:ti為時(shí)間,min;Pi為支架阻力,kN。

2)統(tǒng)計(jì)支架的工作特性曲線(xiàn)。統(tǒng)計(jì)不同時(shí)期(如周期來(lái)壓或非周期來(lái)壓時(shí))各循環(huán)阻力——時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)中各類(lèi)型的百分比,可以分析頂板壓力的大小和支架對(duì)頂板的適應(yīng)性。

3 支架初撐力及工作阻力觀測(cè)結(jié)果分析

3601工作面基本支架型號(hào)為ZZ2400/08/15,為四柱支撐掩護(hù)式支架,單顆立柱的額定初撐力為31.5 MPa,額定工作阻力為600 kN(39.7 MPa)。一般情況下,在工作面正?；夭善陂g要求單顆立柱初撐力達(dá)到額定值的80%,應(yīng)為25.2 MPa。

3.1 初撐力

支架初撐力是采場(chǎng)支護(hù)中的一個(gè)重要參數(shù),其作用有兩個(gè):一是確保支架按設(shè)計(jì)的增阻規(guī)律來(lái)增阻,使支架處于合理的工作狀態(tài),發(fā)揮其最大的支護(hù)效能;二是抑制頂板的早期下沉,最大限度地保持直接頂?shù)耐暾?防止冒頂及頂板離層,有效避免動(dòng)壓沖擊[8]。

3601工作面推進(jìn)過(guò)程中各支架循環(huán)初撐力分布區(qū)間與頻率關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 單顆立柱循環(huán)初撐力分布區(qū)間及頻率關(guān)系Fig.2 Relationship between setting load distribution interval and frequency

由圖2可知,在3601工作面隨工作面推進(jìn)過(guò)程中,各支架單顆立柱的平均初撐力最大為額定初撐力的52.36%,最小僅為額定初撐力的39.68%,均遠(yuǎn)未達(dá)到額定初撐力的80%。

由于經(jīng)費(fèi)和其他方面的原因,學(xué)校組織的社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)多以參觀工廠企業(yè)為主，也有社區(qū)、養(yǎng)老院服務(wù)等。而且這類(lèi)活動(dòng)多由團(tuán)委組織，并沒(méi)有專(zhuān)業(yè)教師地參與和指導(dǎo)。但是要做好大學(xué)生社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)，從項(xiàng)目、基地、內(nèi)容、技術(shù)等方面出發(fā)，都離不開(kāi)專(zhuān)業(yè)老師的指導(dǎo)。缺乏指導(dǎo)的大學(xué)生社會(huì)實(shí)踐多數(shù)流于表面，社會(huì)實(shí)踐報(bào)告多為象征性地做一些簡(jiǎn)單的社會(huì)調(diào)查,缺乏對(duì)實(shí)際問(wèn)題的研究和分析,更沒(méi)有深入探討解決問(wèn)題的方法和措施。

計(jì)算各支架前柱、后柱和整架(四個(gè)支柱)平均初撐力及利用率(平均初撐力與額定初撐力的比值),統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 支架立柱初撐力及利用率Table 1 Setting load and utilization rate of the support columns

從初撐力的平均值可見(jiàn):支架的初撐力遠(yuǎn)小于其額定初撐力的80%。

3.2 循環(huán)末阻力

在正常情況下,循環(huán)末阻力為循環(huán)內(nèi)的最大工作阻力。它是反映礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)弱、評(píng)價(jià)支架額定工作阻力是否滿(mǎn)足支護(hù)要求的重要指標(biāo)[7]。

通過(guò)觀測(cè)可知,4架支架單顆立柱的工作阻力大多在525 kN～570 kN(35 MPa～38 MPa)之間,已相當(dāng)接近其額定工作阻力(見(jiàn)圖3)。

3601工作面支架前柱、后柱和整架平均循環(huán)末阻力及利用率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

圖3 單顆立柱循環(huán)末阻力分布區(qū)間及頻率分布Fig.3 Distribution interval and frequency distribution of end-of-loop resistance of single column

表2 支架循環(huán)末工作阻力及利用率Table 2 End-of-loop working resistance and utilization rate of the support

由表2可知:整體支架循環(huán)末阻力均小于但已接近支架額定工作阻力,工作阻力安全系數(shù)較小。

3.3 時(shí)間加權(quán)工作阻力

由于支架阻力是隨時(shí)間不斷變化的,所以,僅以循環(huán)末阻力還不足以反映支架的全面受力情況。例如,兩個(gè)不同循環(huán)支架立柱的末阻力可能相近或相等,但在循環(huán)內(nèi)其受力卻可能差別很大,兩個(gè)循環(huán)支架的受力不能認(rèn)為是等同的。而用時(shí)間加權(quán)平均工作阻力則可以反映出這一差別[7]。

圖4 單顆立柱時(shí)間加權(quán)工作阻力分布區(qū)間及頻率分布Fig.4 Time-weighed working resistance distribution intervals and frequency distribution of single column

表3為3601工作面支架時(shí)間加權(quán)工作阻力分布及利用率情況。

表3 支架循環(huán)時(shí)間加權(quán)工作阻力及利用率Table 3 Time-weighed working resistance and utilization rate of the supports

從前、后柱及整架循環(huán)末阻力發(fā)揮程度來(lái)看,3601工作面支架循環(huán)時(shí)間加權(quán)工作阻力安全系數(shù)很小。

3.4 周期來(lái)壓時(shí)支架工作阻力

表4統(tǒng)計(jì)了工作面老頂7次周期來(lái)壓期間及來(lái)壓前所測(cè)支架的工作阻力數(shù)據(jù)。由表可見(jiàn),周期來(lái)壓時(shí),4架支架的平均工作阻力為2 304.24 kN,達(dá)到額定工作阻力的96.01%,說(shuō)明支架額定工作阻力安全系數(shù)偏小,一旦頂板發(fā)生動(dòng)壓沖擊,支架容易被壓死而發(fā)生頂板事故[9]。

表4周期來(lái)壓期間各支架工作阻力
Table 4 Working resistance of each support during periodic weighting kN

架號(hào)106#61#21#20#平均 老頂周期來(lái)壓1234567平均前1 269.521 523.431 112.34918.891 206.05時(shí)2 351.642 164.232 224.692 345.592 271.84前1 511.341 547.61773.801 112.341 236.27時(shí)2 345.592 212.592 333.502 252.492 286.35前1 571.791 370.48737.531 003.531 170.98時(shí)2 309.922 212.592 333.502 312.342 292.39前1 632.241 051.891 100.25894.711 169.77時(shí)2 324.432 309.322 381.862 393.952 352.85前1 329.971 230.23979.351 100.251 160.10 時(shí)2 279.092 333.502 303.882 212.592 282.12前1 342.071 662.47——1 502.27時(shí)2 309.322 381.86——2 345.59前1 586.30———1 586.30時(shí)2 369.77———2 363.73前1 463.581 397.68940.651 005.941 201.81時(shí)2 324.432 273.052 303.272 303.272 304.24比值1.591.632.452.291.64

4 工作面支架使用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

對(duì)3601工作面近2個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn),該工作面使用ZZ2400/08/15支撐掩護(hù)式液壓支架后,支架前后柱常常不能同時(shí)升起,相當(dāng)一部分支架在升架時(shí)只給后柱供液,個(gè)別支架存在串漏液、安全閥泄露鎖不住立柱下腔液體的現(xiàn)象;支架工在升架時(shí)怕出現(xiàn)明顯錯(cuò)茬,支架未達(dá)到初撐力就停止供液。因此,造成支架初撐力降低。

另外,使用液壓支架后,該工作面采煤工序變得繁瑣,工作空間降低,工人勞動(dòng)環(huán)境變差,造成工作面每日單產(chǎn)降低。

5 支架適應(yīng)性分析

通過(guò)對(duì)3601工作面液壓支架工作阻力的監(jiān)測(cè),計(jì)算其初撐力、循環(huán)末工作阻力和支架時(shí)間加權(quán)工作阻力,可以得到以下結(jié)論:

1)在3601工作面隨工作面推進(jìn)過(guò)程中,支架的平均初撐力遠(yuǎn)小于其額定初撐力的80%,初撐力較低。這使得支架不能發(fā)揮其最大的支護(hù)效能,也不能有效抑制頂板的早期下沉,容易發(fā)生冒頂及頂板巖層離層,從而發(fā)生動(dòng)壓沖擊。

2)支架前柱、后柱、整架的平均循環(huán)末阻力分別占額定工作阻力的89.74%、94.50%、92.12%。工作面老頂周期來(lái)壓時(shí),支架單顆立柱平均工作阻力為2 304.24 kN,達(dá)到額定工作阻力的96.01%,說(shuō)明支架額定工作阻力安全系數(shù)偏小,一旦頂板發(fā)生動(dòng)壓沖擊,支架容易被壓死而發(fā)生頂板事故。

3)支架前柱、后柱、整架的平均循環(huán)時(shí)間加權(quán)工作阻力分別占額定工作阻力的88.67%、93.11%、90.89%,整架最大時(shí)間加權(quán)平均工作阻力平均為2 344.18 kN,占額定工作阻力的97.43%;從整架循環(huán)時(shí)間加權(quán)工作阻力來(lái)看,3601工作面支架工作阻力安全系數(shù)偏小,不能很好地滿(mǎn)足工作面頂板安全支護(hù)的要求。

綜上所述,在3601工作面頂?shù)装宓刭|(zhì)及生產(chǎn)條件下,ZZ2400/08/15型支撐掩護(hù)式液壓支架對(duì)本工作面頂?shù)装逯ёo(hù)的適應(yīng)性較差。