郭莊煤業(yè)井下液壓支架在復(fù)雜地質(zhì)條件下的穩(wěn)定性分析

張建明

（山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046100）

郭莊煤業(yè)3312綜采面位于三采區(qū)東南底部，東為實(shí)煤體，西為3313老空區(qū)，南為實(shí)煤體，北臨三采區(qū)皮帶巷。該煤層賦存于二疊系山西組地層中下部，為陸相湖泊沉積。結(jié)合3181號(hào)鉆孔及三順槽煤層結(jié)構(gòu)情況，煤層厚度穩(wěn)定，其煤層平均厚度約為6.14m，煤層傾角為東西+10°～+16°。其煤層地質(zhì)情況如表1所示。

在實(shí)際綜采作業(yè)過(guò)程中，因地質(zhì)條件復(fù)雜，液壓支架在支護(hù)過(guò)程中存在著支護(hù)不穩(wěn)的現(xiàn)象，給煤礦井下綜采作業(yè)造成了較大的隱患。因此公司成立專門技術(shù)攻關(guān)小組，對(duì)郭莊煤業(yè)井下液壓支架在復(fù)雜地質(zhì)條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，提升綜采作業(yè)的安全性。

表1 郭莊煤業(yè)3312綜采面地質(zhì)情況匯總

1 液壓支架復(fù)雜地形條件下的承載穩(wěn)定性

為了對(duì)綜采面工作時(shí)各液壓支架的承載特性進(jìn)行分析，項(xiàng)目組在井下液壓支架上設(shè)置了壓力傳感器，對(duì)各液壓支架立柱的受力情況進(jìn)行不間斷的監(jiān)測(cè)。在監(jiān)測(cè)期內(nèi)該綜采面上的初次來(lái)壓步距約為36.3m，其平均周期來(lái)壓步距約為12.2m。在綜采作業(yè)期間各液壓支架的平均工作阻力統(tǒng)計(jì)如圖1所示。為了便于分析，本文在支護(hù)液壓支架組的前端、中部及后部選擇了編號(hào)分別為35、65、75、85、95、105、115、125的液壓支架為分析基準(zhǔn)，用于分析在綜采作業(yè)期間作用在液壓支架上的載荷的分布情況。

圖1 綜采期間各液壓支架工作阻力分布情況

由監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，在綜采作業(yè)期間各液壓支架的工作阻力分布情況呈正態(tài)分布趨勢(shì)，工作阻力分布合理，各支架的阻力多數(shù)分布在1900～8700kN之間，僅編號(hào)為75的液壓支架在工作時(shí)的最大受力達(dá)到了12743kN。通過(guò)對(duì)綜采作業(yè)期間的礦壓監(jiān)測(cè)情況分析，該處支架受力突然增加的原因在于巷道頂板處于來(lái)壓周期內(nèi)，導(dǎo)致出現(xiàn)了來(lái)壓沖擊。

2 液壓支架動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性影響因素

液壓支架在煤礦井下支護(hù)過(guò)程中的穩(wěn)定性主要包括支護(hù)時(shí)的縱向穩(wěn)定性和橫向的穩(wěn)定性。其縱向穩(wěn)定性主要受液壓支架的支護(hù)載荷變化影響，特別是當(dāng)井下在放煤過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致液壓支架的支護(hù)載荷在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生明顯的變化，此時(shí)最易產(chǎn)生液壓支架的縱向失穩(wěn)，因此要特別對(duì)放煤工藝進(jìn)行研究，避免液壓支架的載荷在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生大的波動(dòng)。液壓支架的橫向穩(wěn)定性主要和液壓支架兩側(cè)的立柱的受力情況有關(guān)，當(dāng)液壓支架兩側(cè)立柱受力差異較大時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生液壓支架的橫向失穩(wěn)。

3 郭莊煤業(yè)的應(yīng)用情況

通過(guò)對(duì)郭莊煤業(yè)井下液壓支架在綜采過(guò)程中的受力分析及液壓支架失穩(wěn)影響因素的分析，結(jié)合郭莊煤業(yè)井下實(shí)際情況，提出了以下提高液壓支架支護(hù)穩(wěn)定性的優(yōu)化方案。

（1）液壓支架移架時(shí)間的優(yōu)化。根據(jù)液壓支架在不同階段的工作阻力變化情況，針對(duì)性地對(duì)各階段的移架時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證將液壓支架在綜采初期（推進(jìn)前35m內(nèi)）的單架移架時(shí)間由最初的37s縮短為26.1s，降低移架時(shí)對(duì)臨近液壓支架的影響。在綜采作業(yè)的后期（推進(jìn)到約850m以后），將移架時(shí)間由最初的37s增大到目前的44.3s，避免快速移架導(dǎo)致的頂板礦壓波動(dòng)，使作用在各液壓支架上兩側(cè)立柱上的載荷緩慢變化，防止液壓支架產(chǎn)生橫向失穩(wěn)。

（2）放煤時(shí)間的優(yōu)化。根據(jù)分析，放煤時(shí)會(huì)導(dǎo)致作用在液壓支架上的載荷在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大的變化，極易使液壓支架產(chǎn)生縱向失穩(wěn)，因此根據(jù)實(shí)際驗(yàn)證，提出了一種新的放煤控制方案。由于井下綜采環(huán)境復(fù)雜，所以當(dāng)井下液壓支架后側(cè)放煤量大時(shí)需要增加放煤時(shí)間（約為正常放煤時(shí)間的120%），當(dāng)液壓支架的后側(cè)放煤量少時(shí)則減少放煤時(shí)間（約為正常放煤時(shí)間的90%）。通過(guò)對(duì)放煤時(shí)間的調(diào)整能夠顯著提升液壓支架在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件下的支護(hù)穩(wěn)定性，避免由于載荷變化較大而導(dǎo)致的失穩(wěn)現(xiàn)象。

（3）當(dāng)煤礦井下遇到斷層落差時(shí)的處理。煤礦井下落差過(guò)大會(huì)嚴(yán)重影響液壓支架在支護(hù)過(guò)程中的穩(wěn)定性。根據(jù)在煤礦井下的實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)斷層落差較小時(shí)，會(huì)使綜采面的液壓支架片幫情況突出，因此在該工況下可優(yōu)先選用二柱式液壓支架，降低發(fā)生片幫事故的概率。當(dāng)煤礦井下斷層落差較大時(shí)，優(yōu)先采用四柱式大采高液壓支架，同時(shí)對(duì)液壓支架支護(hù)底座部分設(shè)置擋護(hù)結(jié)構(gòu)，防止出現(xiàn)下滑。當(dāng)井下綜采過(guò)程中出現(xiàn)斷層風(fēng)化區(qū)域時(shí)，需要加強(qiáng)對(duì)風(fēng)化位置的防護(hù)，避免發(fā)生垮塌事故，可采用雙層金屬護(hù)網(wǎng)防護(hù)結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

本文針對(duì)郭莊煤業(yè)井下液壓支架在復(fù)雜地質(zhì)條件下支護(hù)穩(wěn)定性差的缺陷，成立技術(shù)攻關(guān)小組，以ZF7000/20/36型液壓支架為研究對(duì)象，對(duì)其在綜采過(guò)程中的支護(hù)阻力分布情況進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果制定了相應(yīng)的優(yōu)化方案，根據(jù)在郭莊煤業(yè)井下的實(shí)際應(yīng)用表明：

（1）在綜采作業(yè)期間各液壓支架的工作阻力分布情況呈正態(tài)分布趨勢(shì)，僅編號(hào)為75的液壓支架在工作時(shí)的最大受力達(dá)到了12743kN。通過(guò)對(duì)綜采作業(yè)期間的礦壓監(jiān)測(cè)情況分析，該處支架受力突然增加的原因在于巷道頂板處于來(lái)壓周期內(nèi)，導(dǎo)致出現(xiàn)了來(lái)壓沖擊。

（2）將液壓支架在綜采初期的單架移架時(shí)間縮短，在綜采作業(yè)的后期，將移架時(shí)間增大，能夠避免快速移架導(dǎo)致的頂板礦壓波動(dòng)，使作用在各液壓支架上兩側(cè)立柱上的載荷緩慢變化，防止液壓支架產(chǎn)生橫向失穩(wěn)。

（3）當(dāng)井下液壓支架后側(cè)放煤量大時(shí)需要增加放煤時(shí)間，當(dāng)液壓支架的后側(cè)放煤量少時(shí)則減少放煤時(shí)間。通過(guò)對(duì)放煤時(shí)間的調(diào)整能夠顯著提升液壓支架在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件下的支護(hù)穩(wěn)定性，避免由于載荷變化較大而導(dǎo)致的失穩(wěn)現(xiàn)象。