新疆伊宁矿区特殊地质条件液压支架选型研究

2014-04-20刘光木张京超续文峰任艳芳

中国煤炭 2014年2期

刘光木张京超续文峰任艳芳

（1.新汶矿业集团（伊犁）能源开发有限责任公司，新疆维吾尔自治区伊宁市，835000；2.天地科技股份有限公司，北京市朝阳区，100013）

新汶矿业集团（伊犁）能源开发有限责任公司在新疆伊宁矿区伊北煤田建设的4＃矿井为该矿区伊北煤田首个特大型矿井，是国家示范项目 “伊北20亿Nm3煤制天然气”配套工程。伊北煤田具有巨厚Ⅲ级严重湿陷性表土层、浅埋深、煤层顶板无关键承载层及 “三软”等复杂地质条件，给建设安全高效矿井造成困难，为实现矿井安全高效开采，满足煤制天然气项目稳定和连续供煤的要求，合理的工作面 “三机”配套是安全高效开采的关键，支架合理选型则是关键中的关键。

1 矿井概况

伊犁4＃矿井位于伊宁矿区伊北煤田，设计生产能力为600万t／a，采用主、副斜井、立风井开拓。井田主采的煤21-1煤层和煤23-2煤层首采区煤层厚度变化较大，煤21-1煤层可采厚度为1.35～8.93m，平均为5.3 m，埋深为100～575 m；煤23-2煤层厚度为2.05～11.5m，平均为7.73m，埋深为75～525 m；区内广布第四系黄土状粉土，平均厚为75.34m，塑性指数为5.0～10，湿陷系数大于0.003，有湿陷性，属低、中等压缩性土。

煤层顶板岩性较复杂，以泥岩和粉砂质泥岩为主，其次为粉细砂岩、炭质泥岩，松散砂砾岩仅局部可见。各煤层顶板厚度变化较大，无厚而坚硬的基本顶存在，局部可见少量炭质泥岩伪顶，采煤层顶板各类岩石发育水平层理，节理裂隙不发育，具厚层-薄层状结构，层面结合力较差且强度低，平均天然抗压强度为12.2～16.27MPa，平均饱和抗压强度为1.81～3.69 MPa，平均抗拉强度为0.87～1.25 MPa，平均天然抗剪强度为2.05～3.53 MPa，软化系数为0.02～0.25。各煤层顶板岩石均为抗水、抗风化和抗冻性能弱，易风化崩解离层和软化软质岩，易发生片帮、冒落、井壁坍塌现象，属工作面顶板来压比较稳定、顶板随着支护的回收而垮落、易冒落的不稳定顶板。

煤层底板以泥质岩类为主，其次为少量炭质泥岩和粉砂岩，平均天然抗压强度为15.17～17.03 MPa，平均饱和抗压强度为1.73～3.47 MPa，平均抗拉强度为1.03～1.19 MPa，平均天然抗剪强度为2.38～3.03 MPa，软化系数一般为0.02，各煤层底板均属不稳定底板。

2 支架选型基础研究

2.1 煤层物理力学实验

煤岩的物理力学性质是采煤方法研究、顶煤冒放性和设备选型的重要依据。为此，通过对两个煤层取样分别测试试样的单轴抗拉强度、单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、变角剪强度、凝聚力和内摩擦角等物理力学性质，见表1。对煤层物理力学性质进行评价表明，伊犁4＃矿井的主采煤21-1煤层与煤23-2煤层均属于软-中硬煤层。

表1 煤层试样的力学性质测试结果

2.2 煤岩体钻孔窥视测试

为分析煤21-1煤层和煤23-2煤层顶煤和顶板裂隙发育状态，为煤层开采方法的确定提供理论依据，对顶煤及顶板进行了钻孔窥视，窥视结果分析可知，煤层顶板岩层节理裂隙发育较少，局部破碎，未发现大的贯通裂隙，岩层不致密；顶煤较完整，节理裂隙不发育，无夹矸。

3 支架选型

3.1 支架设计的基本原则

综放工作面支架架型是否与工作面煤层地质条件相适应是综放工作面安全生产的关键。根据综放工作面矿压显现一般规律及支架与顶煤相互作用关系，伊北煤田主采煤层大采高综放开采支架选型主要考虑以下几个因素：一是支架应有良好的通风、行人空间，二是设备投资要尽量节省，三是要求支架可靠性高，四是支架应具有满足放煤要求的空间，五是支架能适应伊北煤田特厚煤层放顶煤开采要求，六是支架要适应伊北煤田煤层 “三软”条件。

目前我国放顶煤液压支架发展已经有20多年的历史，四柱支撑掩护式低位放顶煤支架已成为目前的主导架型，技术较成熟。但是随着我国放顶煤技术不断发展，四柱放顶煤支架结构复杂、体积较大、前后立柱受力不均衡，工作阻力不能充分发挥，与电液控制系统配套性差等缺陷普遍显现出来。结合国内外一次采全高煤层综采支架向两柱掩护式电液控制液压支架发展趋势，决定选择两柱掩护式放顶煤液压支架。两柱掩护式放顶煤液压支架能有效地提高顶梁前端对顶板的支护能力，改善支架对顶煤的支护效果，便于采用电液控制。

3.2 液压支架支护强度计算

从国内进行综采放顶煤开采以来，支架工作阻力的确定一直是综放工作面设备选型中最关键的问题之一，从岩重法过渡到目前的计算顶煤体受力确定支架载荷的理论方法，此外还基于大量的综放开采矿压实测提出的统计类比法。根据伊北煤田煤层赋存条件，支架支护强度的确定主要有3种方法。

3.2.1 统计类比法

结合矿井主采特厚煤层首采区埋藏较浅和地表覆盖松散层厚度较大等典型特点，通过与我国西部典型浅埋深大采高综放工作面液压支架支护强度的调查得出，该条件下支架支护强度普遍大于1 MPa，多数大采高综放工作面的液压支护强度在1.1～1.3 MPa之间。结合煤层赋存条件，确定伊北煤田主采煤层综放工作面液压支架支护强度在1.1～1.3 MPa之间。

3.2.2 数值模拟方法

针对煤层的赋存条件，通过构建数值模拟模型，分别模拟了支护强度在0.2 MPa、0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、1.2 MPa 和1.4 MPa下，支架上方顶煤不同位置处的下沉位移曲线如图1所示。

图1 工作面支护强度与顶板下沉位移关系图

由图1可知，随着支架支护强度的增大而下沉位移减小，而当支架支护强度大于1.2 MPa时，支架支护强度的增大对控制顶煤下沉作用逐渐减弱，并逐渐趋于稳定，此时顶煤下沉位移也已经达到一个较小值。因此支架支护强度为1.0～1.2 MPa是支架支护强度对顶煤下沉影响的一个临界值。

3.2.3 经验计算支护强度法

式中：P——工作面合理的支护强度，MPa；

k——支架上方顶板跨落系数，取8；

h——工作面最大割煤高度，取4.0m；

r——岩石容重，取2.6t／m3；

g——重力加速度，取9.8m／s2。

综合分析，在考虑一定的安全系数基础上，伊北煤田主采煤层综放工作面液压支架的合理支护强度应不小于1.2 MPa。

3.3 支架选型分析

实践表明，综放开采技术的进步与支架架型的发展密不可分。放顶煤液压支架架型的每一次重大变革都带来放顶煤技术的一次重大进步，从高位放顶煤支架到中位放顶煤支架再到四柱低位放顶煤支架，三代放顶煤液压支架的研制应用代表了放顶煤技术发展史上的3个重要阶段，正是放顶煤液压支架架型的创新促进了综放技术的不断成熟与发展。

从国内安全高效综放工作面设备情况看，四柱放顶煤液压支架在国内应用范围极广，但是四柱支撑掩护式综放支架存在以下问题：支架前、后立柱受力不均衡，工作阻力利用率低；支架后立柱拉坏现象严重，支架结构件易于损坏；对端面顶煤的控制能力差，造成工作面端面冒顶现象比较严重；在顶板外载荷合力作用点变化时，支架的自我调节能力差，造成支架工作状况及顶板状态变差；支架的结构和控制系统复杂、体积庞大、重量大、主要构件强度低、移架速度慢，与电液控制系统配套适用性差。

鉴于四柱支撑掩护式综放支架存在以上问题，在进一步实测分析和总结现场四柱放顶煤液压支架承载特性的基础上，通过深入分析放顶煤开采时围岩的动态破坏规律和支架围岩关系，国内提出了适合放顶煤开采的新一代液压支架架型——两柱掩护式放顶煤液压支架。两柱掩护式放顶煤支架作为一种新的架型，从支架的结构上来讲较四柱放顶煤支架具有以下优势：

（1）两柱掩护式液压支架顶梁相对较短，支护面积小，相同工作阻力的支架支护强度高。

（2）采用整体顶梁，使结构简单可靠，顶梁前端支撑力大，有利于保持梁端顶板的完整，防止煤壁片帮冒顶，普遍受到世界各国安全高效工作面的青睐。

（3）支架立柱受力均衡，与围岩的相互作用关系更合理，支护能力得到充分发挥，避免了四柱前、后排立柱受力不均衡的现象。

（4）支架少一排立柱，立柱、千斤顶及相应的液压阀门和管路都比四柱式少，液压操作系统也简单，有利于支架的快速动作，特别适合电液控制系统的使用。

（5）平衡千斤顶具有调节支架顶梁合力作用点的功能，能适应顶板的变化，通过参数优化克服了以往平衡千斤顶的局限性，避免了支架出现 “高射炮”现象。

（6）对于四连杆参数和销孔间隙，两柱支架比四柱支架尺寸紧凑，支架的稳定性优于四柱支架。

（7）同等支护强度的两柱掩护式液压支架比四柱支撑掩护式支架重量轻。

作为新一代的综放液压支架架型，两柱掩护式综放支架对于放顶煤技术的进步和发展具有重要的意义，也必将推动放顶煤开采进入一个新的历史发展时期。作为一种新的综放架型，已经在多个矿区进行了应用，表2对各个矿区的应用情况进行了统计。

表2 各矿区两柱掩护式综放支架的使用情况表

从表2可知，近几年两柱掩护式综放支架主要应用于的软煤及裂隙较为发育的中硬煤层，其应用效果良好，对工作面片帮冒顶起到了很好的控制作用，取得了较好的社会效益和经济效益，得到了推广应用。在神东矿区，两柱掩护式综放支架在保德矿8＃软煤层中应用效果较好，在取得高回收率的同时有效地减少了煤壁的片帮冒顶现象。

从两柱掩护式放顶煤液压支架应用实践分析，该架型对于赋存地质条件简单的硬、中硬及软煤层应用都有成功案例，从支架受力角度分析，不存在明显缺陷，只是对于硬煤两柱放顶煤支架的破煤能力相对四柱支架较弱。而对于软煤层而言，两柱掩护式放顶煤液压支架可以采用整体顶梁型式，且支架—围岩作用关系更为合理。此外，两柱掩护式放顶煤液压支架由于其结构型式的有点，更易于采用电液控制系统，有利于实现高产高效。