復(fù)合頂板煤層工作面液壓支架選型及礦壓觀測(cè)

溫憲軍

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)大通煤業(yè)有限公司，山西 高平 048403）

引言

近年來，由于對(duì)煤炭資源的廣泛開采應(yīng)用，頂?shù)装鍘r層穩(wěn)定、開采容易的煤層大部分已開采殆盡，對(duì)于復(fù)雜頂板下煤層的開采越來越頻繁，基于復(fù)合頂板下煤層工作面液壓支架的選型設(shè)計(jì)，對(duì)于煤層頂?shù)装宓挠行е渭熬鹿ぷ魅藛T的安全生產(chǎn)作業(yè)極為關(guān)鍵。對(duì)液壓支架的合理選型，可提高支架的利用性能，提高綜采工作面開采工作的安全性，也能有效提高煤礦企業(yè)設(shè)備選用的經(jīng)濟(jì)效益。

1 4103工作面概況

山西某煤礦開采3、5、8號(hào)煤層，其中3號(hào)煤層與5號(hào)煤層間距40 m，開采4號(hào)煤層4103工作面走向260 m、斜長(zhǎng)2 100 m，煤層平均厚度2.8 m，含有厚度為0.2 m的碳質(zhì)泥巖夾矸結(jié)構(gòu)，煤層平均埋深350 m，傾角2°～8°。工作面頂板為復(fù)合型頂板，頂板壓力較大，現(xiàn)對(duì)復(fù)合頂板煤層工作面液壓支架進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，通過頂板壓力對(duì)液壓支架的工作阻力、支架的適用性進(jìn)行研究。

其中頂?shù)装鍘r性為：老頂厚度12～18 m，平均厚度15 m，為石英砂巖；直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度1.6～9.4 m，平均厚度3.8 m；偽頂為碳質(zhì)泥巖，厚度在0.3 m左右，隨工作面推進(jìn)落下；底板也為灰色砂質(zhì)泥巖，較為破碎。具體頂?shù)装鍘r性情況見表1。

2 支架選型設(shè)計(jì)

2.1 工作阻力選型設(shè)計(jì)

4號(hào)煤層4103綜采工作面采用走向長(zhǎng)壁采煤法、一次采全厚開采工藝對(duì)煤層進(jìn)行開采，循環(huán)進(jìn)尺0.6 m，液壓支架選型擬為ZY2800/13/28型，超前支護(hù)設(shè)計(jì)為DZ-2.8型與鉸接頂梁配合支護(hù)。按綜采工作面液壓支架的工作阻力設(shè)計(jì)，即承受載荷在8倍采高加煤層質(zhì)量來進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，4號(hào)煤層設(shè)計(jì)工作面長(zhǎng)度260 m，采高2.8 m，巖石容重按2.5 kN/m3進(jìn)行計(jì)算，頂板壓力及頂煤壓力計(jì)算公式為：頂板壓力Q1=8×巖石容重×4號(hào)煤層厚度×綜采面斜長(zhǎng)×液壓支架最大控頂距=（8×2.8×2.5×260×6.32）=92 019.2 kN；煤層壓力Q2=4號(hào)煤層最大厚度×煤體容重×綜采面斜長(zhǎng)×液壓支架最大控頂距=（5.2×1.42×260×6.32）=12 133.4 kN；液壓支架承受總壓力Q=Q1+Q2=92 019.2+12 133.4=104 152.6 kN。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性特征

通過在工作面安裝100架ZY2800/13/28型的液壓支架，其總體工作阻力為F=100×2 800=280 000 kN，通過比較F＞Q，說明所選液壓支架的工作阻力可滿足設(shè)計(jì)需要。液壓支架具體參數(shù)見表2。

表2 ZY2800/13/28型液壓支架參數(shù)

2.2 支撐掩護(hù)式液壓支架選型設(shè)計(jì)

基于頂?shù)装鍘r性復(fù)雜，且偽頂為碳質(zhì)泥巖，巖性致密易于破碎，隨綜采工作面推進(jìn)冒落，直接頂為砂質(zhì)泥巖，巖性水平層理發(fā)育較為明顯，在工作面推進(jìn)過程中極易出現(xiàn)頂板冒落現(xiàn)象，因此對(duì)液壓支架的選型設(shè)計(jì)要考慮到支架的掩護(hù)式設(shè)計(jì)，因此選取支撐掩護(hù)式液壓支架對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)選型，保障井下工作人員的安全工作?；谠擁?shù)装鍘r性破碎的現(xiàn)狀，結(jié)合該礦生產(chǎn)過程中采空區(qū)頂板垮落情況為：后半部頂板產(chǎn)生裂隙較多，頂板巖體的變形量較大，易于出現(xiàn)垮落；前部及中部的巖體整體較為穩(wěn)定，垮落情況較少，巖體出現(xiàn)裂隙的情況較少[1]。因此液壓支架選取過程中要考慮到掩護(hù)設(shè)計(jì)，確保井下工作人員在作業(yè)過程中避免因頂板巖體垮落或矸石掉落造成人員傷亡。因此ZY2800/13/28型液壓支架為支撐掩護(hù)式液壓支架，具有對(duì)破碎頂板及穩(wěn)定情況不高的頂板進(jìn)行掩護(hù)支撐的效果。

2.3 ZY2800/13/28型液壓支架的工作特點(diǎn)

對(duì)選用的ZY2800/13/28型液壓支架工作性能進(jìn)行分析，該支撐掩護(hù)式液壓支架結(jié)構(gòu)由頂梁、掩護(hù)梁、支護(hù)及底座四大部分構(gòu)成，底座與頂梁之間由支柱及后部的前后連桿進(jìn)行鉸接，通過推移千斤頂與刮板輸送機(jī)進(jìn)行采煤工序推移，實(shí)現(xiàn)移架推溜的行走效果。具體液壓支架構(gòu)造如圖1所示，其工作特點(diǎn)如下：

1）支架的支撐力大，具有2 800 kN工作阻力設(shè)計(jì)，頂梁的承受壓力效果好；

2）具備掩護(hù)梁設(shè)計(jì)，能夠?qū)敯迕奥淝闆r進(jìn)行有效隔離，將井下工作人員的作業(yè)區(qū)域與采空區(qū)、頂板隔離開來，防止頂板冒落及矸石掉落對(duì)工作人員造成傷害；

3）支架的穩(wěn)定性好，留設(shè)工人的作業(yè)區(qū)域較大，方便行人及工作面正常通風(fēng)。

4）液壓支架構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用過程中操作難度較低，對(duì)于升架降架調(diào)節(jié)也很方便，便于井下工作人員上手操作[2]。

圖1 ZY2800/13/28型液壓支架結(jié)構(gòu)示意圖

3 礦壓監(jiān)測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

對(duì)4103綜采工作面利用KJ216礦壓動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行來壓情況監(jiān)測(cè)，在綜采面全長(zhǎng)260 m的距離上設(shè)計(jì)安裝120個(gè)ZY2800/13/28型液壓支架支護(hù)頂板，每隔3 m安裝一套，依次對(duì)液壓支架進(jìn)行編號(hào)設(shè)計(jì)，監(jiān)測(cè)方案為每段支架安設(shè)一臺(tái)礦壓監(jiān)測(cè)分機(jī)，每段支架組數(shù)為30組，分別在區(qū)段平巷兩端各設(shè)一臺(tái)礦壓監(jiān)測(cè)分機(jī)，在距離工作面1/2距離處設(shè)計(jì)一臺(tái)，在頂板易冒落區(qū)域增設(shè)一臺(tái)。

通過對(duì)礦壓監(jiān)測(cè)分機(jī)上的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集輸送，將匯總后的數(shù)據(jù)傳至井上微機(jī)，由控制室對(duì)液壓支架的初撐力及工作阻力進(jìn)行分析處理。礦壓監(jiān)測(cè)分機(jī)的具體布設(shè)如圖2所示。通過控制室收集到的礦壓分機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)每日礦壓情況如工作阻力、初撐力等進(jìn)行分析監(jiān)測(cè)。

圖2 礦壓監(jiān)測(cè)分機(jī)布設(shè)方案

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

通過KJ216礦壓動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)井下礦壓情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并進(jìn)行曲線圖繪制，如圖3所示，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)情況及礦井地質(zhì)條件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖3 礦壓監(jiān)測(cè)分機(jī)采集工作面壓力示意圖

圖3為某月6號(hào)以來對(duì)綜采面液壓支架的工作面工作阻力曲線圖，由圖3可以看出，在14號(hào)該液壓支架的工作阻力達(dá)到了最大值，約為34 MPa為支架的后部壓力；對(duì)于液壓支架的前部壓力，其最大值發(fā)生在17號(hào)，最大值越為28 MPa；液壓支架的中部壓力較小，最大值出現(xiàn)在12號(hào)，峰值為26 MPa左右。由此可以看出，對(duì)于液壓支架的工作阻力呈現(xiàn)中間部位高、兩頭較低的效果，也就是說在頂板來壓過程中壓力將會(huì)由中部向周圍進(jìn)行擴(kuò)散，但最大壓力值也在ZY2800/13/28支撐掩護(hù)式液壓支架的承受范圍之內(nèi)。在監(jiān)測(cè)過程中復(fù)合頂板于13號(hào)開始出現(xiàn)頂板的垮落現(xiàn)象，30～75號(hào)液壓支架最先出現(xiàn)；15號(hào)后其余液壓支架陸續(xù)開始垮落，18號(hào)后前30架液壓支架頂板垮落。其中中部的初次來壓步距在20～30 m之間，后部在35～40 m之間，18號(hào)后頂板的初次來壓結(jié)束[3]。

3.3 礦壓呈現(xiàn)規(guī)律

4103綜采工作面開采過程中具有以下特點(diǎn)：工作面的初次來壓步距總體集中在20～40 m的范圍之內(nèi)，總體的工作阻力在15～25 MPa范圍內(nèi)，呈現(xiàn)出中間部分較高、兩頭較低的趨勢(shì)。通過對(duì)比ZY2800/13/28型液壓支架的工作阻力可以看出，在液壓支架的承受范圍之內(nèi)，滿足開采需要。

4 結(jié)語

根據(jù)復(fù)合頂板煤層工作面復(fù)雜的頂?shù)装宓V壓顯現(xiàn)規(guī)律及4103綜采工作面易破碎的頂?shù)装鍘r性，從液壓支架工作阻力及支撐掩護(hù)設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行選型，確定應(yīng)用ZY2800/13/28型的支撐掩護(hù)式液壓支架對(duì)4103綜采工作面頂板進(jìn)行支護(hù)，并對(duì)該工作面的礦山壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由監(jiān)測(cè)結(jié)果看出，液壓支架的初撐力及工作阻力完全符合實(shí)際工作面生產(chǎn)設(shè)計(jì)要求，可以確保工作面的安全生產(chǎn)。