極近距離煤層破碎頂板工作面支架選型及應(yīng)用

段思宇

(鄂爾多斯市能源局，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

液壓支架作為一種依靠底板、支撐頂板，防護(hù)煤壁、為采場(chǎng)提供作業(yè)空間的結(jié)構(gòu)物，對(duì)煤炭開(kāi)采具有十分重要的作用。它不僅要適應(yīng)煤層頂?shù)装鍡l件，為井下作業(yè)人員提供安全的作業(yè)空間，還要為工作面開(kāi)采、運(yùn)輸設(shè)備提供動(dòng)力支撐，決定著工作面主要開(kāi)采、運(yùn)輸設(shè)備的合理工作進(jìn)度。作為綜合機(jī)械化開(kāi)采的主要技術(shù)裝備，液壓支架一次性投資占綜采裝備總資金的70%以上[1-5]，因此在設(shè)備選型過(guò)程中，設(shè)計(jì)出能夠適應(yīng)特定地質(zhì)條件的液壓支架是實(shí)現(xiàn)工作面安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵[6-9]。

1 工作面概況

東瑞煤礦所采的3號(hào)煤層位于山西組中部，煤層厚度1.2～2.4m，平均厚度2.1m，上距2號(hào)煤層2.5～14.6m，平均距離7.2m，目前上覆2號(hào)煤層已被開(kāi)采，由于煤層相距近，3號(hào)煤層在采空區(qū)下開(kāi)采過(guò)程中頂板異常破碎，極易發(fā)生冒頂和煤壁片幫。為了適應(yīng)極近距離重復(fù)采動(dòng)破碎頂板的復(fù)雜采礦條件，設(shè)計(jì)出新的掩護(hù)式液壓支架，有效控制了安全隱患的發(fā)生。

2 工作面支架選型

2.1 支護(hù)強(qiáng)度分析

考慮上覆2號(hào)煤層已開(kāi)采完畢，3號(hào)煤層回采時(shí)采煤工作面會(huì)布置于2號(hào)煤層采空區(qū)下方，因此回采期間會(huì)受到重復(fù)采動(dòng)的影響，2號(hào)煤層垮落后的上覆巖層會(huì)再一次發(fā)生破斷、運(yùn)移而對(duì)3號(hào)煤層工作面產(chǎn)生一定影響[10，11]，在重復(fù)采動(dòng)影響下支架受3號(hào)煤層上覆巖層及2號(hào)煤層上覆垮落巖層的共同作用，基于此，建立了支架力學(xué)結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1 支架力學(xué)結(jié)構(gòu)圖

支架支護(hù)強(qiáng)度q按式(1)計(jì)算：

式中，h1為3號(hào)煤層直接頂厚度，取7.2m；γ1為3號(hào)煤層直接容重，取26kN/m3；M為2號(hào)煤層平均開(kāi)采厚度，1.8m；K為2號(hào)煤層上覆巖層碎脹系數(shù)，取1.25；γ2為2號(hào)煤層頂板垮落覆巖容重，取25kN/m3；K1為3號(hào)煤層工作面回采期間采動(dòng)影響系數(shù)，根據(jù)實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)取1.6。

將各參數(shù)代入式(1)計(jì)算得q=587.25kPa。

2.2 支架設(shè)計(jì)及技術(shù)特征

在上述分析的基礎(chǔ)上，使用基于Visual Basic程序開(kāi)發(fā)的可視化設(shè)計(jì)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)所確定的液壓支架支護(hù)參數(shù)，創(chuàng)建相應(yīng)的交互界面，實(shí)現(xiàn)支架的相關(guān)計(jì)算操作。通過(guò)對(duì)比分析一定參數(shù)下程序輸出的支架整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖、升降過(guò)程的動(dòng)畫(huà)以及四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)，最終確定適合3號(hào)煤層破碎頂板開(kāi)采支架為ZY5000/12/26D型兩柱掩護(hù)式液壓支架，其主要參數(shù)如下：支架型式為兩柱掩護(hù)式；支架高度為1.2～2.6m；工作阻力為5000kN(p=43.3MPa)；初撐力為3637kN(31.5MPa)；立柱內(nèi)徑為250mm；支護(hù)強(qiáng)度大于0.6MPa；支架中心距為1500mm；支架控制方式采用電液控制；支架重量約15t。

基于開(kāi)采地質(zhì)條件的復(fù)雜性，新型支架具有如下特征：①支架為整體頂梁帶伸縮梁和二級(jí)護(hù)幫板，可對(duì)工作面破碎頂板進(jìn)行及時(shí)支護(hù)，采用新型高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼設(shè)計(jì)，抗彎及抗剪強(qiáng)度高，可有效應(yīng)對(duì)頂板應(yīng)力；②對(duì)支架四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)行曲線(xiàn)進(jìn)行多次優(yōu)化，頂梁與破碎頂板具有良好的接觸效果，支架運(yùn)行姿態(tài)良好，底座結(jié)構(gòu)優(yōu)化后面積增大，具有較小的接地比壓；③采用雙伸縮立柱，對(duì)煤層厚度變化適應(yīng)性強(qiáng)，帶有活動(dòng)側(cè)護(hù)板，有效控制架間漏矸；④初撐力合理時(shí)，支架可給煤壁提供一個(gè)水平應(yīng)力，有效改善工作面上方頂板受力狀態(tài)，減小頂板冒落及煤壁片幫幾率；⑤配備PM32型電液控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)支架就地控制與遠(yuǎn)程控制，電控系統(tǒng)為新型開(kāi)發(fā)，具有壓力檢測(cè)與補(bǔ)償、運(yùn)行姿態(tài)檢測(cè)與報(bào)告、高度及傾角測(cè)量、聲光報(bào)警、環(huán)境監(jiān)測(cè)、自動(dòng)啟停等功能，極大地提高了工作面支架的可靠性、安全性及運(yùn)行效率。

3 支架適應(yīng)性分析

ZY5000/12/26D型兩柱掩護(hù)式支架已用于東瑞煤礦4采區(qū)4303工作面，目前已推進(jìn)300余米。為研究支架的應(yīng)用情況，在該工作面機(jī)頭、機(jī)尾及中部共安裝14臺(tái)支架工作阻力在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀，機(jī)頭機(jī)尾部各安裝4臺(tái)，工作面中部安裝6臺(tái)，觀(guān)測(cè)期間共經(jīng)歷一次初期來(lái)壓及五次周期來(lái)壓。

3.1 支架工作阻力分析

采動(dòng)期間在工作面選取的14個(gè)支架左右立柱平均工作阻力與工作面推進(jìn)距離變化關(guān)系曲線(xiàn)如圖2所示。由圖2可知，支架工作阻力主要集中于20～35MPa之間，來(lái)壓期間支架工作阻力高于35MPa，但未達(dá)到安全閥開(kāi)啟壓力，支護(hù)阻力在正常范圍內(nèi)，支架左右立柱受力偏差較小，在機(jī)頭和機(jī)尾處個(gè)別支架存在左右立柱受力不均現(xiàn)象，但支架整體工作狀態(tài)良好，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中支架工作阻力可滿(mǎn)足頂板支護(hù)要求。

圖2 支架工作阻力與工作面推進(jìn)距離變化關(guān)系曲線(xiàn)

3.2 支架運(yùn)行特征分析

在整個(gè)監(jiān)測(cè)期間對(duì)支架立柱的受力情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)分析可將支架運(yùn)行特性分為恒阻型、一次增阻型、二次增阻型及降阻型四種，如圖3所示。二次增阻特性所占百分比為56.3%，分析可知，由于3號(hào)煤層頂板較破碎，采煤機(jī)割煤后，需要支架及時(shí)帶壓快速移架，移架后支架會(huì)重新承載上覆巖層所傳遞的應(yīng)力，運(yùn)行特征表現(xiàn)為二次增阻；一次增阻型所占百分比為37.0%，符合傳統(tǒng)兩柱掩護(hù)式液壓支架運(yùn)行特性；恒阻型特性所占百分比為5.3%，分析可知，支架所受應(yīng)力基本保持不變，覆巖處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)；極少數(shù)架次屬于降阻型，通過(guò)分析可知，支架后方極少部分直接頂未能急時(shí)冒落，由于煤層較薄，移架后掩護(hù)梁及弓形尾梁上方有時(shí)出現(xiàn)空區(qū)，由于3號(hào)煤層頂板破碎，極少出現(xiàn)頂板完整情況，所以降阻特性極為少見(jiàn)。

通過(guò)綜合分析可知，3號(hào)煤層頂板破碎程度較大，支架在采煤機(jī)割煤后需要快速及時(shí)移架來(lái)有效控制頂板冒落，由上述特性曲線(xiàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，支架可根據(jù)頂板破碎程度不同表現(xiàn)出不同的運(yùn)行特性，一次增阻及二次增阻占絕大多數(shù)，表明所設(shè)計(jì)的支架對(duì)工作面有很好的適應(yīng)性，支架-圍巖耦合效果良好。

3.3 初撐力、煤壁片幫及頂板冒落情況分析

整個(gè)觀(guān)測(cè)期間對(duì)支架初撐力進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，初撐力為2000～3000kN，所占百分比為20.2%；70.2%支架初撐力為3000～4000kN，初撐力處于相對(duì)合理范圍內(nèi)； 7.1%的支架初撐力在1000～2000kN范圍內(nèi)；2.3%支架初撐力高于4000kN。此外，通過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)約15.1%支架初撐力未達(dá)到額定初撐力的60%(2182kN)。

在不同初撐力下煤壁片幫及冒頂情況見(jiàn)表1，由表1可知，煤壁片幫及頂板冒落主要發(fā)生于支架初撐力較小的情況下，初撐力在合理范圍內(nèi)時(shí)片幫和冒頂可得到有效控制。進(jìn)一步分析可知，當(dāng)初撐力較低時(shí)，頂梁與直接頂接觸不好，甚至脫離直接頂，支架與圍巖相互作用效果差，上覆頂板往往會(huì)在工作面煤壁附近切斷，斷裂后巖塊在運(yùn)移過(guò)程中幾乎全部作用于支架上，由于初撐力不足，支架工作狀態(tài)差，極容易發(fā)生頂板冒落及煤壁片幫。在觀(guān)測(cè)后期提高支架初撐力后，煤壁片幫和頂板冒落得到了有效控制，分析可知，提高支架初撐力可將其主動(dòng)力直接作用于上覆頂板，減小頂板離層，有效減小上覆頂板破斷運(yùn)移對(duì)工作面的不利影響，防止頂板冒落；在高初撐力下支架工作狀態(tài)良好，給煤壁提供一個(gè)水平方向的應(yīng)力，有效防護(hù)煤壁片幫。

4 結(jié) 論

1)結(jié)合東瑞煤礦實(shí)際地質(zhì)條件和開(kāi)采技術(shù)條件，確定了支架支護(hù)強(qiáng)度為587.25kPa。

2)采用可視化設(shè)計(jì)程序研發(fā)出了ZY5000/12/26D型兩柱掩護(hù)式液壓支架，并給出了其具體參數(shù)及技術(shù)特征。

3)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明多數(shù)支架在應(yīng)用過(guò)程中初撐力及工作阻力處于合理范圍，通過(guò)提高初撐力后煤壁片幫及頂板冒落得到有效控制，ZY5000/12/26D型兩柱掩護(hù)式支架可滿(mǎn)足3號(hào)煤層及近距離破碎頂板復(fù)雜條件下的支護(hù)要求。

4)實(shí)踐表明，提高支架初撐力可使支架處于良好的工作狀態(tài)，有效控制開(kāi)采過(guò)程中的不利因素，保證工作面安全生產(chǎn)。