综放工作面周期来压期间液压支架压死现象分析

刘宏学，息金波

（冀中能源张矿集团，内蒙古 鄂尔多斯 014300）

综放工作面周期来压期间液压支架压死现象分析

刘宏学，息金波

（冀中能源张矿集团，内蒙古 鄂尔多斯 014300）

对宣东煤矿综放工作面回采时周期来压使液压支架压死及柱窝开裂的现象进行了研究。经过理论计算和现场试验发现，通过提高支架的工作阻力、改进采煤工艺方法可以防止液压支架再次出现事故，为综采放顶煤提供了新经验。

综放工作面；周期来压；液压支架

宣东煤矿含煤地层为石炭系上统太原组。可采煤层为4号和6号煤层，4号煤层零星可采，6号煤层为主采煤层，煤层的埋深230m，该组地层平均厚度为68.66m，煤层总厚度平均为7.43m。6号煤层位于太原组下部，结构极复杂，含夹矸4层，煤层顶板岩性为砂质泥岩及炭质泥岩，底板岩性为泥岩、砂质泥岩、夹矸岩性砂质泥岩及炭质泥岩。按顶底板稳定类型确定为较稳定煤层。首采面属于北部采区第一个综放工作面，走向长1980 m，工作面长度185m。回采工艺为一采一放，采高3.0m，放顶煤厚度为3～4m，采放比1：1.4。初期回采过程中在周期来压时，有时会出现压死支架及柱窝开裂的现象。为解决这一问题，对液压支架的受力、周期来压等积累经验。

1 综放面支架及支架被压死情况简介

工作面使用ZFG8000/22/35H型放顶煤液压端头支架和ZFS7200/22/35型放顶煤液压中间支架，支架的工作阻力7200kN。从2007年7月20日推进到9月10日期间，共推进200m，日推进度5.3 m，周期来压10次，其中20～29号支架2次出现不同程度的压死现象，50～60号支架柱窝开裂。9月9日综放工作面推进到936m时周期来压，支架出现大面积压死现象，93～96号、84～87号、72～69号、46～58号支架出现煤壁切落现象。一架后柱窝焊缝全部开裂，柱窝上移，柱窝本体没有出现碎裂现象。当采取了相应措施后，支架离开压力区向前推移。

2 放顶煤开采的矿压显现规律分析

本工作面煤层结构为复合煤层，夹矸为2～8层，厚度0.2～2.6m，夹矸多为泥岩，煤层最小厚度4.2m，最大厚度12.4m，平均厚度7.8m。根据矿压规律可知，煤层直接顶为不稳定类型，属于1类；经观测周期来压步距为18.5m，初次来压步距为32～37 m左右，老顶矿压显现为Ⅱ级。该顶板为1类Ⅱ级顶板。鉴于宣东矿区的煤层地质条件，结合采用的综采放顶煤开采技术，支架的受力状态与单一煤层和分层开采将有很大区别。因此，综采支架的工作阻力的确定与单一煤层和分层开采也不相同。单一煤层开采时，支架上方的直接顶是岩层，它与支架接触的刚度大，因此支架一般都要受到老顶周期性垮落时的动压影响。当老顶断裂时，支架及煤壁有可能作为支点而承受较大的压力。放顶煤开采，特别是低位放煤采用支撑掩护式放顶煤支架，支架上方的顶煤成为事实上的直接顶。通过它一方面要传递岩石直接顶和老顶的压力，同时它又被当作资源进行回收，在工作面后方的采空区不会形成较高的垫层。在直接顶初次放顶和老顶的初次来压和周期来压时，所形成的支承压力有利于顶煤的破碎，而破碎的顶煤向采空区一侧垮落和并被回收，支承压力得到释放。因此，由于顶煤的缓冲和支承压力的释放，老顶断裂时短暂的支承压力，并不对支架构成威胁，而仅仅是引起煤壁和顶煤的失稳。其原因是：在支架——顶煤——直接顶——老顶四者构成的围岩相互作用的力学系统中，顶煤的强度最低。由于采用放顶煤综采，顶煤破坏失稳也是我们所期望的，而在正常工作面的推进过程中，老顶和直接顶的运动对支架受载影响均较小。在支架通过老顶初次来压和周期来压时，由于支架后方采空区的空间较大，顶煤被放出运走，而直接顶的垮落部分有可能对采空区不能形成比较充分地充填，或者说不能形成一个高于支架一定高度的岩石垫层厚度，这样在支架通过断裂线时势必会作为断裂顶板的一个支点，此时的顶板相当于架在支架与采空区后方某一支点的简支板或简支梁。此时放煤，支点也跟随下沉，给支架以较大的载荷。如果支架的阻力不足而支点的下沉量较大，支架就有可能被压死或造成结构损坏。因此，在确定放顶煤支架工作阻力时，这是需要特别考虑的支架受载和矿压显现的现象。从宣东矿的矿压观测看，这种现象是存在的，其矿压显现最明显的特征就是出现支架立柱快速回缩甚至压死的现象，和由于顶板在煤壁前方断裂形成较大的支承压力从而造成煤壁的中部外凸和片帮的现象。长壁开采必将存在初次来压和周期来压，每个煤层、每个工作面不会相同的，地质条件的变化会导致其差异很大。因此，必须认真对待出现的来压现象，充分认识到：由于煤层赋存条件的变化，可能会导致某次的来压（不绝对的是初次来压）剧烈、迅猛。

3 支架工作阻力的合理性分析

如何评价液压支架的工作阻力的合理性，关键是“使用的评价标准”，通过实际观测支架工作阻力进行分析，是比较客观和适用的。液压支架工作特性曲线图，见图1。

图1中，采煤一个循环时间为T=t0+t1+t2+t3，其中t2是支柱安全阀开启时间，通常用支柱安全阀开启率μ=t2/T循环来评价标支架工作阻力的合理性。一般来讲μ值不应大于30%。支柱安全阀开启率μ值过大，说明支架的工作阻力偏小，支柱的安全阀长期处在开启状态是不合适的，既不利于控制顶板，也不利于支架结构件的保护。宣东综放工作面在一般情况下，安全阀开启在正常值范围内，当周期来压时有部分支架安全阀开启μ值超过了30%。

图1 液压支架工作特性曲线图

从上述分析可得出初步结论：正常开采过程中，矿压显现不很明显，该支架工作阻力为7200kN，支护强度为0.96～1.02Mpa，工作阻力是合理的；当初次压或周期来压矿压显现明显时，7200kN工作阻力显得不足。适当提高工作阻力是有利的。但是周期来压时，采取一定的技术措施也可避免支架造成损坏，7200kN的工作阻力也是可行的。

4 解决方案和经验总结

一要适当提高支架的工作阻力，由7200kN提高到7600kN，即安全阀的屈服压力由36.7MPa提高到38.7MPa。主要结构件的安全系数仍可保持在1.2以上。该项工作可以在安全阀调试阶段进行。二要加强工作面的现场管理。在“三平两直两畅通”的管理基础上，严格控制支架的采高，在3 m到3.3 m之间，防止由于采高过低，在矿压显现强烈时安全阀卸载立柱下缩的时间过短，小于支架一个步距的推移时间而被压死立柱，造成支架的严重损坏。三要保证泵站的压力足够（不小于30MPa），把初撑力打足，防止顶煤及直接顶的离层，这对顶板的控制是有利的。四要加强和完善已进行的矿压观测，充分利用液压支柱压力观测数据进行来压预测预报工作，可以做到提前3～5个循环，预报出工作面具体来压部位（工作面上部、中部、下部），为采取有效措施提供可靠依据。五要支架通过老顶断裂线时，要解决由于载荷过大而损坏支架的问题，采取改进采煤工艺方法是行之有效的措施。当支架通过老顶断裂线时，要不放煤或少放煤，加快推进速度，以防止老顶垮落形成对支架的冲击损坏。判断顶板断裂线的位置，主要依据矿压观测和经验。一般情况下，在接近老顶断裂时，矿压显现比较剧烈。此时支架阻力明显增大，顶煤比较破碎且放煤容易，煤壁片帮、外凸等。当支架通过断裂线后，这些矿压显现情况会明显减轻或消失。（6）以上分析和采取的措施，经过努力，确保了支架在井下综放工作的正常使用，可节约资金53.647万元，回采煤炭246.86万t，也没有出现支架被压死和柱窝开裂等情况。

〔1〕姜福兴,王同旭，等.矿山压力与岩层控制[M].北京:煤炭工业出版社,2004.

〔2〕佟向阳，赵西祥.液压支架支撑效果与顶板管理[J].矿山压力与顶板管理，1994（2）:33-35.

〔3〕任保明，耿献文.唐阳煤矿综放支架选型与应用[J].矿山机械,2005（8）:11-12.

Abstract:We studied the hydraulic support pushing down and socket fracture during cyclic weighting in the fully-mechanized caving face of Xuandong mine.After the theoretical calculation and field tests,the study shows that hydraulic support accidents can be prevented by increasing the support working resistances and improving the mining techniques.

Keywords:fully-mechanized caving face;cyclic weighting;hydraulic support

编辑：刘新光

Analysis on Hydraulic Support Pushing Down of Fully-mechanized Caving Face during the Cyclic Weighting

LIU Hong-xue,XI Jin-bo
（Zhangkuang group,Jizhong energy group Co.,Ltd,Erdos City Inner Mongolia 014300,China）

TD322

A

1672-5050（2010）04-0045-03

2009-11-20

刘宏学（1970—），男，山东济南人，大学本科，工程师，从事煤矿采掘技术工作。