億欣煤業(yè)X V23051工作面液壓支架適應(yīng)性分析

安浩煒

（晉能控股集團(tuán)晉城煤炭事業(yè)部億欣煤業(yè)，山西 沁水 048200）

1 工程概況

億欣煤業(yè)X V23051工作面主采15號(hào)煤層，平均埋深360 m，平均厚度為3.08 m，煤層平均傾角為5°，屬近水平煤層。煤層頂?shù)装鍘r層見表1，直接頂巖層主要為K2石灰?guī)r，平均厚度為7.80 m，老頂巖層煮為砂質(zhì)泥巖，平均厚度1.70 m，直接底主要為炭質(zhì)泥巖，平均厚度2.10 m，老底主要為泥巖，平均厚度10.51 m，煤層綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 煤層綜合柱狀圖

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2 采場上覆巖層結(jié)構(gòu)分析

當(dāng)中厚煤層開采后，采場上覆巖層破斷、變形、垮落并充填采空區(qū)[1]，當(dāng)垮落矸石充滿采空區(qū)并對上覆巖層起到有效的支撐作用時(shí)，上覆基本頂破斷巖層將處于平衡狀態(tài)，并起到承載上覆荷載的作用，使得下方采場處于卸壓區(qū)域，如圖2（a）、（b）所示。

圖2 采場上覆巖層破斷結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

如圖2（b）所示，將巖塊B及巖塊C的長度都近似記為l，可得：

由上式可知，采場上覆關(guān)鍵巖塊所受剪切力QB和水平力T對其能否維持穩(wěn)定影響很大，而剪切力QB與回轉(zhuǎn)角α成反比關(guān)系，與h/l成正比關(guān)系，而水平T與之相反，T與回轉(zhuǎn)角α成正比關(guān)系，而與h/l成反比關(guān)系。

垮落充填采空區(qū)的矸石所處的巖層就稱之為垮落帶，采場垮落帶高度與工作面回采高度及上覆巖層碎脹系數(shù)有關(guān)。億欣煤業(yè)X V23051工作面上覆巖層依次為k2石灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖和中砂巖，垮落帶高度計(jì)算公式如下：

式中：Hm為垮落帶高度，m；M為回采高度，取3.0 m；KA為頂板巖層平均碎脹系數(shù)，取1.4。

由式（1）可得垮落帶高度Hm=7.5 m，由工作面鉆孔資料可知，上方k2石灰?guī)r平均厚度約為7.65 m，當(dāng)工作面回采后，全部垮落基本可以保證充滿采空區(qū)。

3 支架適應(yīng)性分析

億欣煤業(yè)X V23051工作面布置有143臺(tái)液壓支架，工作面共布置15個(gè)監(jiān)測站，用于檢測液壓支架工作阻力及活柱下縮量，每隔10架安裝1臺(tái)壓力監(jiān)測儀，為分析方便，將15個(gè)監(jiān)測站劃分為3組，以靠近軌道巷的5個(gè)監(jiān)測站為上部測站，工作面中部5個(gè)監(jiān)測站為中部測站，靠近回風(fēng)巷的5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)為下部測站。

3.1 液壓支架工作阻力現(xiàn)場監(jiān)測

X V23051工作面液壓支架工作面現(xiàn)場監(jiān)測曲線如圖3所示。

如圖3所示，通過對比可知中部測站來壓強(qiáng)度大于上部和下部測站。工作面液壓支架的額定初撐力為31.5 MPa（即液壓支架油缸支架為230 mm，初撐力為2 400 kN）。在工作面推進(jìn)初期，液壓支架工作阻力變化不大，當(dāng)工作面推進(jìn)29.1m左右，老頂初次來壓，表明在老頂來壓前，采場基本頂巖層并未破斷，頂板巖層對液壓支架工作阻力影響較小。之后，周期來壓期間，液壓支架工作阻力急劇增大，個(gè)別液壓支架超過其額定工作阻力40.9 MPa（即液壓支架油缸支架為230 mm，工作阻力為3 400 kN）。現(xiàn)場觀測也發(fā)現(xiàn)，工作面中部部分液壓支架出現(xiàn)了安全閥開啟的現(xiàn)象，由此可見，X V23051工作面上覆巖層的破斷過程遵循“O-X”破斷規(guī)律。

圖3 液壓支架工作阻力監(jiān)測曲線

3.2 工作面液壓支架偏載分析

通過對比分析工作面液壓支架立柱工作阻力及護(hù)板壓力可知液壓支架的偏載情況，現(xiàn)場監(jiān)測曲線如圖4所示。

圖4 工作面液壓支架立柱工作阻力與護(hù)板壓力

如圖4所示，中部測站的部分液壓支架存在偏載現(xiàn)象，究其原因，一般有以下2點(diǎn)：一是在液壓支架升架注液時(shí)，前后柱注液量不一致，導(dǎo)致液壓支架前后柱初撐力有一點(diǎn)差值；二是在工作面回采過程中，在頂板巖層壓力作用下，導(dǎo)致部分液壓支架出現(xiàn)漏液現(xiàn)象[2-4]。如果液壓支架長期存在偏載情況，很容易造成支架損壞。因此，在液壓支架注液過程中，一定要保證前后柱注液量基本一致，并防止在工作面回采過程中出現(xiàn)液壓支架漏液現(xiàn)象。

3.3 工作面液壓支架工作阻力適時(shí)監(jiān)測

工作面上、中、下監(jiān)測站中，各選取1個(gè)典型的液壓支架，分別為11、71、121號(hào)液壓支架，3架液壓支架工作阻力適時(shí)監(jiān)測曲線如圖5所示。工作面液壓支架初撐力及工作阻力頻率分布如圖6所示。

圖5 工作面液壓支架工作阻力適時(shí)監(jiān)測曲線

如圖5所示，當(dāng)液壓支架在注液達(dá)到初撐力后，在工作面推進(jìn)過程中，液壓支架壓力基本呈現(xiàn)穩(wěn)步增加的趨勢，表明液壓支架在回采過程中運(yùn)行平穩(wěn)。

如圖6所示，約34%的液壓支架工作阻力超過31.5 MPa，其中11%的液壓支架達(dá)到其額定工作阻力40.9 MPa，工作面回采過程中，大部分液壓支架的工作阻力小于額定初撐力，在頂板來壓期間，液壓支架的工作阻力基本都能達(dá)到額定工作阻力。

圖6 液壓支架頻率分布圖

3.4 基本頂來壓步距

工作面回采過程中，液壓支架支護(hù)強(qiáng)度監(jiān)測曲線如圖7所示。

圖7 工作面液壓支架支護(hù)強(qiáng)度監(jiān)測曲線

如圖7所示，當(dāng)工作面推進(jìn)到13.7 m時(shí)，液壓支架強(qiáng)度第1次達(dá)到峰值，此時(shí)直接頂巖層初次垮落。當(dāng)推進(jìn)到29.1 m時(shí)，液壓支架強(qiáng)度第2次達(dá)到峰值，且液壓支架強(qiáng)度大于直接頂巖層垮落時(shí)支架強(qiáng)度，此時(shí)基本頂巖層發(fā)生斷裂。此后，液壓支架支護(hù)強(qiáng)度隨著基本頂破斷巖層破斷、變形呈周期性變化，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，工作面來壓步距及強(qiáng)度見表2，液壓支架動(dòng)載系數(shù)見表3。

由表3可知，X V23051工作面在來壓期間，液壓支架的動(dòng)載系數(shù)最大為1.48，最小為1.17，周期來壓明顯，但來壓強(qiáng)度并不劇烈，表明X V23051工作面頂板管理難度不大。

表3 液壓支架動(dòng)載系數(shù)

3.5 液壓支架合理的工作阻力

液壓支架的合理工作阻力計(jì)算公式如下：

式中：Pm為液壓支架的最大平均工作阻力，35.02 MPa；σm為液壓支架最大平均工作阻力的標(biāo)準(zhǔn)均方差，1.18 MPa；K為置信度系數(shù)，取1.3。

由上式可得X V23051工作面液壓支架合理的工作阻力P為36.55 MPa，綜合考慮液壓支架保證10%的富裕系數(shù)，最終液壓支架的額定工作阻力應(yīng)為40.2 MPa。實(shí)際所選液壓支架型號(hào)為Z Y-3400/14/32，額定工作阻力為40.90 MPa，初撐力為31.50 MPa，可以滿足工作面的安全生產(chǎn)需求。

4 結(jié)論

1）通過計(jì)算分析可知X V23051工作面回采后，頂板巖層垮落高度約為7.5 m。

2）現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果顯示，工作面液壓支架所受荷載呈現(xiàn)中間大兩端小的特點(diǎn)，工作面中部部分液壓支架有偏載現(xiàn)象。總體而言，工作面液壓支架運(yùn)行平穩(wěn)，基本可以達(dá)到額定工作阻力，支架動(dòng)載系數(shù)為1.17～1.48，頂板管理難度不大。

3）計(jì)算得到液壓支架合理額定工作阻力為40.2 MPa，實(shí)際使用的液壓支架型號(hào)為Z Y-3400/14/32，額定工作阻力為40.90 MPa，初撐力為31.50 MPa，可以滿足現(xiàn)場的安全生產(chǎn)需求。