三軟煤層大采高工作面液壓支架適應(yīng)性分析

鄒衛(wèi)忠

(山西煤炭運銷集團 宏安煤業(yè)有限公司,太原 030303)

三軟煤層大采高工作面相比于普通工作面,其頂?shù)装鍙姸群兔后w強度較低,在開采過程中易出現(xiàn)頂板失穩(wěn)、煤壁片幫、支護(hù)體系失效等現(xiàn)象,尤其是隨著采高的增加,受礦壓和開采擾動更明顯。支架作為采場的主要支護(hù)設(shè)備,是否滿足采場支護(hù)要求是確保煤炭安全回采的關(guān)鍵,盡管在開采前已經(jīng)從理論上對支架適應(yīng)性進(jìn)行了計算和分析,但在開采實踐中卻經(jīng)常會遇到支架支護(hù)不良現(xiàn)象,導(dǎo)致安全事故的發(fā)生[1]。梨園礦21010工作面是礦井開采的首個綜采工作面,開采煤層為山西組二1煤層,煤層均厚3.6 m,屬于典型的三軟厚煤層工作面,根據(jù)理論分析和借鑒相鄰礦井經(jīng)驗,選用ZY4000-17/37型液壓支架進(jìn)行采場支護(hù)。為了更好地掌握該型支架現(xiàn)場支護(hù)效果,對ZY400-17/37型液壓支架在三軟煤層大采高工作面的適應(yīng)性進(jìn)行研究,以期為后續(xù)工作面開采提供設(shè)備選型經(jīng)驗。

1 工程概況

21010工作面位于礦井東一采區(qū)南部,工作面東部和南部為原地方私營小窯開采形成的采空區(qū),西部為3條下山巷道,北部為正在掘進(jìn)施工的21020工作面回風(fēng)巷。工作面所采煤層為山西組二1煤層,煤層埋深580 m～620 m,平均595 m,煤層厚3.2 m～3.8 m,平均3.5 m,煤層傾角0°～12°,平均7.6°,煤層堅固性系數(shù)約0.18,煤體質(zhì)軟易碎。工作面設(shè)計走向長度和傾斜長度分別為962 m和120 m;偽頂為均厚0.15 m的炭質(zhì)泥巖;直接頂為深灰色泥巖,節(jié)理裂隙發(fā)育;基本頂為灰黑色粉砂巖,偶見白云母片;直接底為灰色泥巖-砂質(zhì)泥巖,遇水膨脹;基本頂為灰白色粗粒砂巖,致密堅硬。工作面采用“一進(jìn)一回”式通風(fēng)方式,兩巷采用U36型鋼棚支護(hù),采場共布置ZY400-17/37型支架80臺。

2 支架選型理論計算

為了掌握21010工作面采場頂板支護(hù)所需阻力情況,采用類比法和頂板來壓時頂板載荷法來對采場所需阻力進(jìn)行理論計算[2]。

2.1 類比法

采用工作面頂板延米阻力計算采場所需支護(hù)阻力,經(jīng)驗公式:

Rh=(410M+49Lf+460R-1660)×L.

(1)

式中:Rh為工作面采場頂板延米支護(hù)所需阻力,kN/架;Lf為工作面初次來壓步距,根據(jù)相鄰礦井開采經(jīng)驗,取18.5 m;R為支架最大控頂距,取4.3 m;M為工作面采高,取3.6 m;L為支架中心距,取1.5 m。

將上述各參數(shù)帶入公式(1),計算可得Rh=3 990 kN/架<4 000 kN/架。

2.2 頂板來壓時頂板載荷法

根據(jù)工作面巖性分析每臺支架在頂板來壓時的頂板載荷值來估算采場所需支護(hù)阻力,經(jīng)驗公式:

Q=KMFγ×9.8 .

(2)

式中:Q為采場頂板載荷,kN/架;K為巖石厚度系數(shù),一般取5～8,根據(jù)21010工作面情況,取值6;M為工作面最大采高,3.7 m;F為支架頂梁面積,5.35 m2;γ為頂板巖石平均容重,取2.5 t/m3。

將上述參數(shù)代入公式(2),計算可得Q=2 910 kN<4 000 kN。

由上述兩種方法計算21010工作面頂板支護(hù)所需阻力分別為3 990 kN和2 910 kN,均低于ZY4000-17/37型支架額定工作阻力,故理論認(rèn)為該型支架能夠滿足現(xiàn)場支護(hù)需求。

3 支架現(xiàn)場支護(hù)分析

3.1 方案的確定

為了掌握21010工作面支架適應(yīng)性,必須對回采期間支架的支護(hù)狀態(tài)進(jìn)行觀測,具體方案是將工作面等間距劃分3個測區(qū),每個測區(qū)選2臺支架作為觀測對象,在支架上安裝壓力監(jiān)測儀對支架工作阻力實時進(jìn)行記錄。同時,結(jié)合采場現(xiàn)場情況,確定3#、13#、27#、40#、54#、67#和78#支架作為研究對象，所測支架工作阻力特征參數(shù)如表1所示。將壓力監(jiān)測儀所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、匯總和分析,掌握支架的初撐力、最大工作阻力、平均工作阻力等變化情況,并輔以觀測支架活柱下縮量、安全閥開啟情況、煤壁片幫情況等來評判支架適應(yīng)性[3-4]。

表1 21010工作面所測支架工作阻力特征參數(shù)Table 1 Characteristic parameters of working resistance measured in No.21010 working face

3.2 適應(yīng)性分析

由支架工作阻力監(jiān)測儀所記錄的數(shù)據(jù)可知,工作面平均工作阻力2 395 kN,為額定工作阻力(4 000 kN)的59.9%,平均初撐力1 529 kN,為額定初撐力的(3 090 kN)的49.4%。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)還可知道,支架工作阻力主要分布在2 000 kN～3 000 kN范圍內(nèi),約占統(tǒng)計數(shù)的42.3%,分布在1 000 kN～2 000 kN范圍內(nèi),約占25.6%,分布在3 000 kN～4 000 kN范圍內(nèi)約占21.7%,超出4 000 kN的占0.1%,不足1 000 kN的占10.3%。觀測期間對煤壁片幫和支架頂梁端頭頂板冒漏情況進(jìn)行統(tǒng)計分析,顯示煤壁片幫隨工作面推進(jìn)始終伴隨,但在頂板來壓期間顯著加劇,來壓期間煤壁片幫率約為36%,片幫平均規(guī)格4.2 m×0.5 m×0.4 m(長×高×深),端頭頂板冒漏不明顯,遇構(gòu)造帶時偶見冒漏。觀測期間,安全閥開啟現(xiàn)象極少見,非來壓和來壓期間,支架活柱下縮量平均分別為4.5 mm和6.7 mm,整體下縮量不大。由此可知,所測支架整體支護(hù)阻力并不高,支架能夠滿足現(xiàn)場支護(hù)需求,鑒于其初撐力普遍較低,為確保頂板穩(wěn)定和降低煤壁片幫,應(yīng)有意識地提高支架初撐力。

4 結(jié)束語

研究支架適應(yīng)性是確保頂板保持有效支護(hù),工作面安全高效回采的關(guān)鍵。21010工作面屬于典型三軟煤層厚煤層工作面,其頂板條件較差,煤壁更易片幫,故對支架要求較高,通過理論計算和現(xiàn)場應(yīng)用分析,認(rèn)為ZY4000-17/37型支架能夠滿足現(xiàn)場支護(hù)需求,支架選型較為合理,但鑒于支架初撐力普遍較低和工作面片幫嚴(yán)重,頂板處于弱支護(hù)狀態(tài),不利于維護(hù)頂板和煤壁,故應(yīng)有意識地提高支架初撐力,尤其是頂板來壓時,要確保支架工作狀態(tài)良好,才能有效預(yù)防頂板事故的發(fā)生。