浅埋煤层大采高工作面支架适应性研究

许海涛，李少刚

(1.华北科技学院，北京 东燕郊 101601;2.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京 100013;3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013)

该矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市境内，井田位于东胜煤田，其构造形态与区域含煤地层构造形态一致，总体为一向南西倾斜的单斜构造，地层产状平缓，井田内未发现断层，但在个别地段，煤层底板等高线起伏较大，起伏角一般小于2°，区内未发现断裂及紧密褶皱。

07工作面为该矿第七个工作面，布置在矿井一水平2－2煤层中，煤层倾角为0～5°。该煤层结构较简单，含1～2层夹矸，煤层顶板为细粒砂岩及砂质泥岩，底板多为泥岩。

该工作面选用ZY11000/28/63D型支撑掩护式支架，在工作面112架支架中选取6架，分3个测区布置，测区及支架编号分别为:上部测区(37#、46#架)、中部测区(64#、73#架)和下部测区(91#、100#架)。分析工作面的各种矿压显现特征，并参照相关矿压理论，确定工作面周期来压步距和来压强度，掌握工作面推进过程中的支架工作阻力频率、左右柱平衡性及初撑力、末阻力分布特征等。

1 工作阻力频率分布

支架日常工作阻力的大小可以用工作阻力频率分布来表示。工作阻力频率分布图是由支架的工作阻力在不同区间的百分比来确定，具体方法是按照额定工作阻力的20%，划分5个区间，分别统计支架工作阻力在各区间所占的百分比。

理想的支架工作阻力频率分布图应是正态分布。处于低阻力和高阻力所占整个区间很少比例，中间部分所占比例较大。若低阻力所占比例较大，支架对顶板支撑作用不明显，顶板整体下沉，工作面采高降低，容易出现支架被压死现象;若高阻力所占比例较大，说明支架选型不合理，液压支架长期在超负荷状态工作，存在安全隐患。

根据支架阻力连续记录仪记录的数据，绘制出支架工作阻力与支架平均工作阻力频率分布直方图，如图1所示:

图1 各支架工作阻力频率分布直方图

分析图1中的数据发现各支架工作阻力分布具有相同特征，阻力频率差别不大，支架在正常阻力区间所占的比例达到了61.27%，低阻力区和高阻力区的比例分别为33.16%和5.58%，而高于支架额定工作阻力(11000 kN)的比例仅占0.53%，支架日常工作阻力基本呈正态分布，说明支架受力状态较为理想，富余系数较大，能够满足工作面顶板来压时的控顶要求。

2 支架左右柱受力平衡性

222203工作面采用的液压支架额定工作阻力为11000kN，每根立柱的额定工作阻力为5500kN。每个记录仪有两个通道，分别监测支架的左柱(P1)和右柱(P2)，为了充分说明支架立柱受力情况，现对三次观测期间各架左右立柱的平均工作阻力进行了统计分析。

从图2的变化趋势及表1的数据可以看出，222203工作面各支架左、右柱工作阻力基本平衡，可见采场顶板压力合力作用点位于两柱之间，从这一点可说明工作面支架能够适应顶板运动规律，“支架—围岩”关系处于较好的状态。

从各支柱工作阻力与额定工作阻力的比例可以看出，左、右柱的平均工作阻力分别占各自额定工作阻力的51.24%和48.08%，可见支架选型基本合理，富余系数较大，能够满足工作面顶板运动的需要。

多数支架的左柱受力情况普遍略大于右柱，分析原因与工作面倾角有关。个别支架，如46#支架左立柱明显大于右立柱，出现明显的偏载现象，两者的平均工作阻力比值为140.9%，认为有以下几个原因:

(1)立柱管理不力，液压系统中的阀组等部位存在漏液、窜液现象，建议矿方对46#支架右柱进行检修;

(2)支架倾角可能偏大，矿方在后续的开采过程时应到现场观察支架所处位置有无明显倾斜。

图2 各支架左、右柱平均工作阻力分布图

表1 支架左、右柱平均工作阻力统计表

3 支架初撑力与末阻力分析

观测期间各测区支架每日初撑力、末阻力平均值其变化规律曲线见图3。

各支架初撑比(支架实际初撑力与额定工作阻力比值)在0.41～0.44之间，分布较为平均，但支架的初撑力都没有达到预设初撑力的要求，会降低支架的支护效果，存在较大安全隐患。

各支架循环末阻力与额定工作阻力比值在0.53～0.57之间，说明支架富余系数较大，能够适应工作面支护要求。

通过对比分析三次现场观测数据，07工作面在回采期间初撑力严重不足，无法达到作业规程的要求。分析初撑力偏小的原因主要有［3～7］:

1)泵站压力不够

目前综采工作面乳化液泵站，其额定压力为31.5 MPa。在实际生产过程中，为了防止管路破裂，便于工作面支架液压系统的管理和维护，综采队调定泵压往往小于31.5 MPa，一般在27～30 MPa，即使供液系统的压力损失为零，液压支架的初撑力也达不到设计规定。

2)管路损失大

根据现场观测，供液系统的压力损失主要有两个方面:

一是液压系统普遍存在跑、冒、漏、滴或者串漏液现象，主要是由于工作面支架检修质量差，支架立柱、安全阀维护不到位，失效数量多;

二是移动式乳化液泵站至工作面的距离约为100m～200 m，供液距离长，沿程压力损失大，再加上各种阀件和管接头的局部压力损失和回液阻力，甚至是系统的泄漏和胶管的弹性变形对压力能的吸收等因素影响，即使泵站压力达到额定值，到达支架立柱下腔的液体压力也不能保证初撑力要求。

3)供液时间短

为了适应高产高效工作面的要求，必须加快支护速度，这就使得支架的升柱时间短，升柱工作完成后缺少足够的时间来给支护打压，尚未达到初撑力要求就停止供液。

图3 初期观测期间各支架初撑力、末阻力变化曲线

4)人为因素

支架工升柱操作存在问题，根据现场观察，某些支架工在升柱时，可能因为后柱操作片阀靠近下面，嫌麻烦或者认识不够，认为支架前后立柱相平就可以，往往只操作前柱片阀对前柱注液，通过前柱带动后柱拉出，从表面看支架前后立柱基本相平，但实际上后柱基本没有初撑力，这就严重降低了整架初撑力。

5)由于采煤机推进速度较快，工作面始终是多组支架同时动作，导致主系统压力短时间内难以达到泵站压力。

总体来说，在整个07工作面回采过程中支架的工作初撑力与末阻力差距较大，尤其是支架初撑力严重不足。因此，矿方应加强现场管理，在移架过程中，确保初撑力达到预设值。

4 结论

本文通过对支架工作阻力频率、左右柱平衡及初撑力末阻力的分析，得出以下结论:

1)观测期间，各个支架工作阻力分布具有相同特征，而且阻力频率差别不大，支架在正常阻力区间所占的比例较高，而高于支架额定工作阻力的比例很小，支架日常工作阻力基本呈正态分布，受力状态比较理想，能够基本满足工作面来压时的控顶要求;

2)总体来说多数支架的左柱受力情况普遍略大于右柱，个别支架出现明显的偏载现象，这种现象对支架整体的支护性能与使用寿命是不利的;

3)支架初撑比在 0.35～0.52之间，平均0.41(在222203工作面的作业规程中，规定支架的初撑力不小于6030kN(24MPa)，占额定工作阻力的54.82%，即初撑比为0.55)，未达到作业规程要求;末阻力与额定工作阻力之比在0.53～0.85之间，平均0.61，说明支架富余系数较大，能够适应工作面支护要求。

［1］ 宋振骐.实用矿山压力控制［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1988.

［2］ 谭云亮.矿山压力与岩层控制［M］.北京:煤炭工业出版社，2007.

［3］ 李志刚.石窑店矿浅埋深工作面矿压规律及支架适应性分析［J］.煤炭工程，2013，(08):91－93.

［4］ 赵国栋.大采高长工作面矿压显现规律及支架适应性研究［J］.煤炭工程，2013，(01):83－85.

［5］ 冯旻，高郁.提高液压支架初撑力的探讨［J］.煤炭技术，2003，(08):110 －111.

［6］ 白勇军.提高综采工作面液压支架初撑力对策研究［J］.煤，2008，(03):34 －36.

［7］ 冯敏.综采工作面液压支架初撑力实测研究［J］.科技创新导报，2013，(03):91.