ZY8000-26/56D液壓支架淺埋大采高工作面適用性研究

李佳杰

（陽煤集團壽陽開元礦業(yè)有限責任公司， 山西 壽陽 045400）

引言

要實現(xiàn)采場頂板有效控制，關(guān)鍵在于工作面支架—圍巖協(xié)同關(guān)系的建立[1]。淺埋煤層條件下的大采高工作面控制效果、液壓支架的合理工作阻力與覆巖運移規(guī)律和采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律是否協(xié)調(diào)，對工作面的頂板控制及回采效率存在極大的影響[2]。

我國眾多學者在此研究領(lǐng)域作出了大量突出貢獻，比如：宋選民、顧鐵鳳等[3]通過對上灣煤礦的試驗及觀測研究，發(fā)現(xiàn)大采高超長工作面來壓步距減小，周期來壓顯現(xiàn)強度趨于緩和等淺埋大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律；范志忠、任勇等[4]通過研究發(fā)現(xiàn)淺埋大采高綜放開采煤柱，受采動影響，應(yīng)力呈不對稱馬鞍形分布，位于采空區(qū)側(cè)的應(yīng)力集中系數(shù)偏大；張宏偉、周坤友[5]等通過對淺埋大采高工作面礦壓分布規(guī)律研究，確定了大采高液壓支架的合理選型。

綜合前人研究，基于懸臂梁理論模型，對某礦大采高工作面的液壓支架進行選型，通過理論分析與計算支架的安全工作阻力范圍，并通過現(xiàn)場實測驗證支架的適用性。

1 工程背景

山西省某煤礦年設(shè)計生產(chǎn)能力為300 Mt/a，目前主采10號煤層，作為該煤層的首采工作面，平均埋深140 m，基載比小，屬于淺埋煤層條件。工作面長200 m，推進長度800 m，煤層平均厚度（含夾矸）為4.2 m。煤層構(gòu)造簡單，內(nèi)含兩層0.3～0.5 m的泥巖夾矸。煤層直接頂由均厚8.5 m的泥巖、砂質(zhì)泥巖組成，煤層老頂由均厚19.8 m的細砂巖、粗砂巖和粉砂巖共同組成。煤層底板由均厚10.7 m的泥巖構(gòu)成。根據(jù)煤礦現(xiàn)有采煤機及配套設(shè)備，工作面采用一次采全厚采煤工藝，采高4.2 m。按照工程對比法，根據(jù)相鄰礦井已有工作面液壓支架參數(shù)，初步?jīng)Q定采用ZY8000-26/56D型四柱支撐掩護式液壓支架，支架主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 ZY8000/26/56D型液壓支架技術(shù)參數(shù)

2 工作面覆巖力學參數(shù)的計算

為校核淺埋大采高液壓支架參數(shù)合理與否，應(yīng)對采場頂板的覆巖結(jié)構(gòu)及工作面來壓步距進行計算[6]。

2.1 覆巖結(jié)構(gòu)參數(shù)

1）直接頂位于煤層上方，煤炭采出后形成采空區(qū)，由于自身巖重和上覆原巖應(yīng)力的作用，由多層不穩(wěn)定巖層組成的直接頂跨落充填空區(qū)，直接頂總厚度為∑Mz，可由式（1）確定：

式中：h為采高，5.0 m；Sz為老頂自由活動量，Sz=（0.1～0.3）h；Ka為直接頂巖石碎脹性系數(shù)，取 1.60。代入相關(guān)參數(shù)計算得，直接頂總厚度為7.0～7.5 m，由工作面地質(zhì)資料可知，工作面直接頂由泥巖和泥質(zhì)砂巖組成，巖層平均厚度為8.5 m。

2）基本頂總厚度∑Mj可根據(jù)基本周期來壓規(guī)律確定，以式（2）表達：

式中：Lmin為工作面支架最小控頂距離，7.05 m；Qt為為頂板周期來壓，取1.0 MPa；F為支架所受直接頂壓力，經(jīng)測量為0.8 MPa；γj為基本頂巖層巖石容重，取24 kN/m3；c為基本頂來壓步距，取12 m。代入相關(guān)參數(shù)，計算得基本頂總厚度∑Mj為10.4 m，由工作面地質(zhì)資料可知，工作面基本頂由細砂巖和粗砂巖組成，巖層厚度為10.4 m。

由上述計算結(jié)果可知，液壓支架上覆載荷由0.5m的余煤、直接頂?shù)淖灾睾突卷斪灾禺a(chǎn)生的力矩效果三部分構(gòu)成。在載荷的作用下，液壓支架響應(yīng)力學作用，作出反饋動作，從而形成圍巖—支架的相互作用，見圖1。

圖1 圍巖—支架協(xié)同作用力學模型

2.2 工作面礦壓規(guī)律

1）計算工作面初次來壓步距L1時，當圍巖體尚未受到采掘擾動破壞，假設(shè)工作面上覆基本頂為固定梁結(jié)構(gòu)，則工作面初次來壓步距以式（3）表達：

式中：hj為基本頂巖層厚度，取10.4 m；σj為基本頂抗拉強度，4 500 kPa；qj為基本頂載荷，254.8 kN/m。代入相關(guān)參數(shù)，計算式（3）得工作面初次來壓步距L1為61.81 m。

2）受采動影響，當基本頂初次垮落后，假設(shè)工作面上覆基本頂為懸臂梁結(jié)構(gòu)，則工作面周期來壓步距Lt以式（4）表達：

代入相關(guān)參數(shù)，計算式（4）的工作面周期來壓步距Lt為 25.23 m。

3 液壓支架適用性的監(jiān)測

為了檢驗ZY8000-26/56D型液壓支架在淺埋大采高工作面的適用效果，對液壓支架的受力進行監(jiān)測。監(jiān)測方案如下：在該礦的首采大采高工作面布置125臺液壓支架，分別在工作面的前中后布置測站，每個測站由4個測點組成，測點分別布置于23號、24號、25號、26號、63號、64號、65號、66號、105號、106號、107號、108號和109號液壓支架，對液壓支架的初撐階段和恒阻階段的受力進行監(jiān)測。監(jiān)測時間為60 d，工作面推進160 m。受篇幅限制，以中部支架的監(jiān)測數(shù)據(jù)為例對工作面礦壓分布規(guī)律展開分析，中部支架礦壓分布規(guī)律見圖2。

圖2 中部支架礦壓分布規(guī)律

由圖2可知，中部四臺支架的工作阻力曲線大致一樣，工作面推進至60 m左右，工作面礦壓規(guī)律表現(xiàn)為初次來壓，此時，液壓支架工作阻力為7428 kN。隨后每隔25 m左右，工作面礦壓規(guī)律表現(xiàn)為周期來壓，液壓支架的最大工作阻力為7 768 kN，是ZY8000-26/56D液壓支架的額定工作阻力的97.1%。說明，支架的性能達到了液壓支架正常工作時對頂板的控制標準。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，工作面各支架的初撐力實測結(jié)果如圖3所示。

圖3 工作面支架初撐力監(jiān)測圖

由圖3可知，現(xiàn)場監(jiān)測的工作面支架的實際初撐力均達不到ZY8000/26/56D液壓支架的額定初撐力，初撐力范圍為 5 400～6 000 kN（90%～100%額定初撐力）的液壓支架有25臺，占20.0%；初撐力范圍為4 800～5 400 kN（80%～90%額定初撐力）的液壓支架有76臺，占60.8%；初撐力范圍為5 400～6 000 kN（70%～80%額定初撐力）的液壓支架有24臺，占19.2%。說明有80.8%的液壓支架初撐力滿足設(shè)計要求，但是仍有少部分液壓支架未達到初撐力設(shè)計要求，容易造成頂板離層破碎，使支撐能力喪失，為避免該類安全隱患的產(chǎn)生，應(yīng)采取升柱過程中對立柱進行一定程度的補液、采用增壓裝置提升初撐力和獨立提供液壓油等措施，以提高液壓支架初撐力。

結(jié)合覆巖結(jié)構(gòu)參數(shù)計算結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：

1）工作面頂板初次來壓步距的計算結(jié)果為61.81m，周期來壓步距的計算結(jié)果為25.23 m，與現(xiàn)場初次來壓和周期來壓步距的監(jiān)測結(jié)果基本吻合；

2）支架的額定工作阻力為8 000 kN，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明大部分液壓支架的工作阻力基本滿足工作面回采中的控制要求；

3）中部支架的所承擔載荷高于機頭和機尾處的液壓支架；

4）在液壓支架的初撐階段，必須采取一定的措施，保證液壓支架提供足夠的初撐力。

4 液壓支架適用性效果

自ZY8000-26/56D型液壓支架在淺埋大采高首采工作面使用以來，該型號液壓支架能較好滿足回采過程中上覆巖層對頂板的力學強度要求，在回采期間的來壓，頂?shù)装逡平枯^??；非回采期間，初次來壓和周期來壓時期，在工作面長度范圍內(nèi)，頂板控制效果良好，頂板破碎度控制在10%以內(nèi)，平均下沉量僅為185 mm，避免了壓架的安全隱患。說明該型號液壓支架對該礦淺埋大采高開采條件適用性較高，有利于安全高產(chǎn)高效礦井的建設(shè)。

5 結(jié)論

1）該礦首采工作面的初次來壓和周期來壓計算結(jié)果分別為61.81 m和25.23 m，與現(xiàn)場實際檢測結(jié)果相符；

2）ZY8000-26/56D型液壓支架經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，支架的工作阻力全部滿足設(shè)計要求，80.8%的液壓支架初撐力滿足設(shè)計要求，在液壓支架的初撐階段，應(yīng)采取一定的措施提高初撐力，保證頂板安全；

3）采用ZY8000-26/56D型液壓支架后，頂板破碎度控制在10%以內(nèi)，平均頂板下沉量185 mm，頂板控制良好。此研究證明了ZY8000-26/56D型液壓支架的適用性較好。