準(zhǔn)格爾煤田特厚煤層放頂煤支架適應(yīng)性分析及展望

任國(guó)軍，張廣寧，胡寶敏

（1.鄂爾多斯市國(guó)源礦業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；2.中國(guó)大唐集團(tuán)煤業(yè)有限責(zé)任公司，北京 100053）

0 引言

20世紀(jì)70年代末期，我國(guó)開始采用大采高開采技術(shù)。20世紀(jì)90年代初期，先后在開灤、西山、銅川等礦區(qū)采用大采高開采方法［1-2］，但采高未超過(guò)5m。隨著礦井高產(chǎn)高效技術(shù)研究的深入，底層采高從4m提高到5.1m得到了實(shí)驗(yàn)性突破。2018年6月份大唐國(guó)源煤礦設(shè)計(jì)采用5.1m大采高綜放工作面進(jìn)入工業(yè)性實(shí)驗(yàn)階段，取得成功，標(biāo)志著我國(guó)放頂煤開采技術(shù)的新突破。

放頂煤液壓支架是綜放工作面的主要設(shè)備之一，主要作用是支護(hù)采場(chǎng)頂板，保證作業(yè)人員安全。目前準(zhǔn)格爾煤田綜放工作面液壓支架最大工作阻力21000kN,最小的工作阻力12000kN，個(gè)別綜放工作面采用兩柱式放頂煤液壓支架，多數(shù)采用四柱式放頂煤液壓支架。目前準(zhǔn)格爾煤田特厚煤層綜放工作面兩柱式放頂煤液壓支架來(lái)壓期間出現(xiàn)平衡油缸抽芯、"高射炮"等現(xiàn)象，四柱式放煤液壓支架來(lái)壓期間出現(xiàn)后柱工作阻力為零、拔后柱等現(xiàn)象，總體上存在對(duì)準(zhǔn)格爾煤田特厚煤層綜放工作面支架選型存在認(rèn)識(shí)不全面的問(wèn)題，本文以準(zhǔn)格爾煤田特厚煤層綜采工作面實(shí)踐生產(chǎn)為研究對(duì)象，進(jìn)一步分析生產(chǎn)中兩柱和四柱式液壓支架的適應(yīng)性，進(jìn)而確定準(zhǔn)格爾煤田特厚煤層放頂煤液壓支架的選型。

1 液壓支架工作阻力確定

目前，工作面支架工作阻力確定主要有巖層結(jié)構(gòu)法、數(shù)值模擬法、工程類比法、采高倍重系數(shù)法、實(shí)測(cè)估算法等［3-6］。各種計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果具有不唯一性，有的方法計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)差異性較大。

1.1 巖層結(jié)構(gòu)法

工作面支架的載荷由兩部分組成：一是直接頂?shù)妮d荷，二是基本頂通過(guò)直接頂作用于支架的載荷，一般以直接頂載荷的倍數(shù)來(lái)估算基本頂?shù)妮d荷。強(qiáng)度計(jì)算公式為：

式中：q為工作面支架所需支護(hù)強(qiáng)度，kN/m2；Kd為基本頂失穩(wěn)時(shí)的動(dòng)載系數(shù)，根據(jù)鄰近綜放工作面礦壓觀測(cè)結(jié)果，取1.5；qm為冒落帶巖層自重應(yīng)力，kN/m2；qd為支架上方頂煤自重應(yīng)力，kN/m2；

其中：qm＝γ 巖×h＝24×56=1344kN/m2；

式中：γ巖為頂板巖石容重，取24kN/m3；h為冒落帶巖石厚度，取最大垮落高度56m；

6號(hào)煤層頂板粗砂巖抗壓強(qiáng)度平均值22.8MPa，屬中等較穩(wěn)定巖層。采空區(qū)冒落帶高度計(jì)算按公式：

式中：M為煤厚，取最大厚度28m；Md為頂煤厚度，采厚最大28m,機(jī)采5.1m,頂煤最大厚度22.9m；K為垮落碎脹系數(shù)，取1.5。

則：q＝1.5×（1344＋325.18）=2503.8kN/m2

所需支架工作阻力

式中：P為支架工作阻力（kN）；Q為工作面支架所需支護(hù)強(qiáng)度，kN/m2；Lk 為梁端距，0.619m；Ld為頂梁長(zhǎng)度，5.14m（由選用的配套支架參數(shù)確定）；B為支架支護(hù)寬度，2.05m。

則：P＝2503.8×（0.619+5.14）×2.05=29559.7kN。

1.2 按實(shí)測(cè)工作面來(lái)壓期間最大壓強(qiáng)，估算支架工作阻力

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)壓力統(tǒng)計(jì)，其最大值為49.5 MPa，其工作阻力F理論值為：

式中：2為立柱數(shù)量;P為支架工作阻力，取49.5 MPa;S為立柱受力面積，立柱缸徑為500mm。ZFY18000/28/53D綜放支架的額定工作阻力為18000kN，從安全的角度出發(fā)，工作面支架的工作阻力應(yīng)該有15%～20%的富裕，即支架阻力應(yīng)為22343kN～23315kN，但支架實(shí)際額定工作阻力偏低，不能滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)基本頂來(lái)壓的不均衡性，直接影響到支架對(duì)頂煤及上覆巖層的控制效果。

1.3 工程類比法

鄰近的黃玉川煤礦采用放頂煤開采6煤，目前采用ZF21000/25/45D四柱支撐掩護(hù)式低位放頂煤支架，工作阻力為21000 kN，日最大工作阻力數(shù)據(jù)見(jiàn)表 1。

表1 黃玉川6煤綜放工作面日最大工作阻力統(tǒng)計(jì)表

從表中看出，工作面有75%的支架日最大工作阻力沒(méi)有超出21000kN，工作面阻力超出21000kN的平均比例僅8.3%，符合正態(tài)分布，考慮到低阻力區(qū)比例較大、前后柱受力不均、支架接頂效果差等因素，從安全的角度出發(fā)，工作面支架的工作阻力應(yīng)該有15%～20%的富裕，即支架阻力應(yīng)為24150kN～25200kN，但支架實(shí)際額定工作阻力偏低，不能滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)基本頂來(lái)壓的不均衡性，直接影響到支架對(duì)頂煤及上覆巖層的控制效果［7-8］。

2 支架選型

2.1 準(zhǔn)格爾煤田兩柱、四柱放頂煤液壓支架應(yīng)用現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)對(duì)準(zhǔn)格爾煤田實(shí)地調(diào)研，準(zhǔn)格爾煤田放頂煤液壓支架目前使用情況見(jiàn)表2：

表2 準(zhǔn)格爾煤田兩柱、四柱放頂煤液壓支架應(yīng)用現(xiàn)狀表

通過(guò)表2分析可知：目前準(zhǔn)格爾煤田多采用四柱支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架，支架工作阻力最大21000kN，但多數(shù)工作面仍然存在支架工作阻力不足的現(xiàn)象；四柱支撐掩護(hù)支架承載能力較強(qiáng)，但存在后柱壓力低于前柱壓力，出現(xiàn)"拔后柱"現(xiàn)象；兩柱式掩護(hù)支架承載能力差，出現(xiàn)"高射炮"、平衡油缸抽芯現(xiàn)象。

2.2 兩柱、四柱放頂煤液壓支架實(shí)際受力分析

分析支架立柱在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的受力可以很好的對(duì)支架適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，綜放工作面在放煤過(guò)程中，支架所受作用力隨著頂煤的垮落放出發(fā)生變化，支架受力不均勻，容易造成結(jié)構(gòu)件變形，分析支架受力是非常有必要的。

表3 兩柱放頂煤液壓支架左、右立柱平均循環(huán)末阻力統(tǒng)計(jì)表

表4 四柱放頂煤液壓支架左、右立柱平均循環(huán)末阻力統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)表3、表4分析可知，兩柱式放頂煤液壓支架立柱受力均衡，左右立柱受力相差最小3%，最大17%，平均3.4%；四柱式放頂煤液壓支架前后立柱相差最小5%，最大113%，平均46%，總體前柱受力大于后柱受力。

2.3 放頂煤液壓支架發(fā)展趨勢(shì)

放頂煤液壓支架是目前綜放工作面的的主要設(shè)備之一，隨著智慧化礦山建設(shè)［9-10］和放頂煤開采煤厚的提高，進(jìn)一步研究放頂煤液壓支架的適應(yīng)性是非常有必要的。

1）自動(dòng)化方面。 隨著國(guó)內(nèi)智慧化礦山的不斷推進(jìn)，井下自動(dòng)化程度不斷提高，工作面逐步向有人值守，無(wú)人作業(yè)方向發(fā)展，兩柱式放頂煤液壓支架是目前唯一可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的支架，而四柱式放頂煤液壓支架很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，因此兩柱式放頂煤液壓支架是目前主要的發(fā)展方向。

2）大采高放頂煤液壓支架。將大采高綜采工藝優(yōu)點(diǎn)與放頂煤工藝的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合形成大采高綜放工藝，使得綜放工作面采高由目前的4m提高至7m，可以一次開采28m厚的煤層，解決《煤礦安全規(guī)程》關(guān)于采放比1：3的要求。同是可提高目前綜放工作面頂煤回收率低的問(wèn)題。

因此，大采高放頂煤液壓支架的研究是今后放頂煤液壓支架的主要研究方向。

3 結(jié) 論

1）準(zhǔn)格爾煤田特厚煤層綜放工作面來(lái)壓強(qiáng)烈，易采用承載范圍較大的四柱式支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架。

2）目前準(zhǔn)格爾煤田特厚煤層綜放工作面液來(lái)壓期間礦壓顯現(xiàn)明顯，通過(guò)多種方法對(duì)準(zhǔn)格爾煤田特厚煤層綜放工作面支架工作阻力進(jìn)行核算，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有支架工作阻力不足，應(yīng)重新核算，提高支護(hù)強(qiáng)度。

3）四柱式放頂煤液壓支架通過(guò)優(yōu)化前后立柱工作阻力，按相應(yīng)比例提高前后柱工作阻力，提高支架支護(hù)強(qiáng)度。

4）兩柱式放頂煤液壓支架平衡油缸調(diào)節(jié)能力有限，來(lái)壓期間承載能力差，通過(guò)增大立柱和平衡油缸工作阻力，提高支架承載能力。

5）兩柱式放頂煤液壓支架，工作面來(lái)壓期間，應(yīng)保證采放平行作業(yè)的同是加快推進(jìn)度，及時(shí)將壓力甩入采空區(qū)。

6）兩柱式放頂煤液壓支架是目前唯一可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的支架，在保證工作面來(lái)壓期間快速推采、采放平行作業(yè)情況下，兩柱式放頂煤液壓支架在自動(dòng)化方向更具有優(yōu)勢(shì)。

7）大采高放頂煤液壓支架可提高目前準(zhǔn)格爾煤田特厚煤層綜放工作面頂煤回收率，今后應(yīng)重點(diǎn)加大對(duì)大采高放頂煤液壓支架的研究及使用。