浅谈影响采煤工作面单体液压支柱初撑力的主要因素

姜亚坤　颜超

摘要：从顶板控制的各种要求来看，不论是防压、防漏还是防推，都要求采场支柱具有较高的初撑力。采煤工作面单体液压支柱的初撑力对顶板控制十分重要。文章对采煤工作面初撑力低的原因进行了六个方面的分析，并提出了相应的应对方法和提高初撑力的措施。

关键词：采煤工作面；单体液压支柱；初撑力；影响因素；顶板控制 文献标识码：A

中图分类号：TD355 文章编号：1009-2374（2015）01-0153-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0077

1 初撑力的重要性

从顶板控制的各种要求来看，不论是防压、防漏还是防推，都要求采场支柱具有较高的初撑力。因此在预防顶板事故中，应把初撑力摆在最重要的位置，这是因为支柱工作阻力在相当大程度上取决于支柱初撑力。在支柱密度与支护系统刚度一定的条件下，初撑力大，工作阻力也大。另外，对于松软底板，较大的支柱初撑力能起到对底板的预压实作用，从而使支柱在顶板下沉中能较快地达到恒阻阶段。考虑到提高初撑力可以预防直接顶离层，可以使支柱更快地达到需要的工作阻力，以平衡垮落带岩重，因此应当在工作面支护设计时增加支柱初撑力这个指标，才能更好地控制顶板和预防冒顶

事故。

2 工作面初撑力低的原因分析

2.1 底板松软使支柱钻底

支柱压入底板的主要原因是由于与支柱接触的底板产生的比压超过了底板岩层本身的极限抗压入强度，造成底板破坏、底板的抗压入阻力急剧下降所致。采场中单体支柱钻底量一般主要和下列因素有关：（1）采场顶板压力的大小分布；（2）采场底板的承载能力；（3）支柱的性能与结构（特别是底座面积的大小）；（4）支柱的作用时间。当支柱底座对底板的压力超过底板承受极限比压时，底板岩石即遭到破坏，这时支柱的钻底量迅速变大。支柱钻底量大，必然导致顶板下沉量大，顶板离层加大，并使顶板更加破碎。另外，因为支柱底座对底板比压高时支柱就发生钻底，必然使支柱的初撑力无法提高，支护系统刚度不高，因此使支护系统整体的稳定性也变低。特别是在支柱刚注完液时，因底板还没有压实，支柱钻底速度很快，从而导致初撑力迅速下降，使支柱实际仅获得很低的初撑力。随着支柱初撑力的降低以及底板的进一步压实，支柱的钻底速度将下降。支柱的初撑力下降是具有一定限度的，当支柱的初撑力很低时，底板的变形速度将变慢，阻止初撑力的进一步降低，并且由于顶板的下沉，使支柱能保持一定的初撑力，这样支柱在始终有一定压力的情况下发生缓慢下沉，使支柱保持一定的初撑力。这种情况下，可能使支柱始终无法达到恒阻阶段，并且顶板离层不断加大，工作面更容易发生各种冒顶事故。对底板松软的工作面，限制支柱载荷作用下产生的最大比值以及增强或至少避免减弱底板岩层的抗压入强度，是改善支柱底座比压分布以及防止支柱压入底板的关键。目前我国在底板松软的工作面，主要使用柱鞋控制软底板。此外，也可以通过改善工艺条件来减少支柱钻底。如尽可能不将支柱打在浮煤和碎矸上，有时要刨窝将支柱支在较硬的底板上；合理布置炮眼，控制底排炮眼装药量，采用微差爆破技术等，减少放炮时对底板的震动和破坏；增加支护密度；防止或减少水对底板岩层的侵泡软化作

用等。

2.2 乳化液泵站和工作面距离过大

在采煤过程中，乳化液泵站应放在工作面的前方，并随着工作面的推进而前移。但在某些工作面，往往将工作面置于靠近采区上山的运输平巷内。由于巷道及管路的弯曲，这个数值一般大于工作面走向长度。这样一来，当对工作面支柱进行注液时，必然造成在过长的输液管路上消耗大量泵站压力，使注液枪口处液体流量和压力都变小。另外，由于管路过长，消耗在管路上的压力将变大，当支柱接顶时，注液枪管内的压力非常低，要使支柱压力升高到和泵站压力平衡，需要泵站的压力传递过来，这个过程实际上是压力波的传递过程。同时支柱接顶以后，还存在背顶材料和底板的压缩过程，该过程消耗了一部分传递过来的压力，而压力波要用过长的输液管路传递过来需要一定时间。这两者综合作用，使支柱的增压时间变长。在实际操作中，支护工人往往是在支柱接顶后就立即停止注液，这样就无法使支柱达到足够的初撑力，特别是当升柱需用很长时间的情况下，工人更容易失去在支柱接顶后继续注液升压的

耐心。

2.3 工作面多枪同时注液时

在采煤工作面一般为分段作业，当支设支柱时，往往是工作面多枪同时操作，这更不利于增加支柱的初撑力。某个采煤工作面的主输液管内径为16mm，注液枪管内径为10mm，均为内包钢丝带的高压胶管。所有支柱缸体内径为100mm。工作面长度约为100m，共有八杆注液枪。泵站工作压力调定为18MPa。根据观察，在三杆注液枪同时作业时，升柱时间一般超过30s，当仅有一杆注液枪作业时，升柱时间大约需要10～20s的时间，并且明显可看出同时注液的枪数越多，升柱速度就越慢。可见因输液管道过长使输液阻力变大，从而限制了液体流量。在工作面多枪注液过程中，必然遇到这样的情况，即当一个地方正在升柱时，另一个地方的支柱正处在接顶后的增压过程中，这样必然导致正在增压过程中的支柱压力偏低。对于大部分的采煤工作面来说，多枪注液是不可避免的，其结果是造成支柱初撑力偏低，工作面支柱压力不均匀。将泵站放在工作面近前方，并随工作面推进而前移，泵站距工作面的距离越小对提高支柱的初撑力是越有利的，但有时可能因巷道断面小或其他原因而无法使泵站随工作面的推进而前移，这时可考虑将泵站分段前移。

2.4 部分地点支柱高度不够

对于采煤工作面来说，特别是炮采工作面，采高往往是很难控制的，在工作面回采过程中，有些支柱已经升到最高，有些支柱甚至根本不能接顶，在这些情况下，支柱是不可能有足够的初撑力，甚至有的支柱初撑力为零。对于这个问题，唯一的解决办法就是更换支柱，并且是应该在控顶设计阶段就已经选好合适的endprint

支柱。

2.5 输液管道质量差

采煤工作面的输液管质量差，当泵站压力调至规定18MPa时，经常发生爆管事故，因此泵站的压力只能维持在18MPa以下，结果必然是造成支柱的初撑力不够。对于这样的输液管道，必须应予更换，甚至对这样一个在客观上需要较大支柱初撑力的工作面，若换用综采面用的泵站系统，将对工作面支柱初撑力的提高起到较大作用。

2.6 工人操作不符合要求

由以上所述，为了提高初撑力，要求不将支柱支在浮煤碎矸上，在支柱接顶后继续注一段时间液（至少为5s），使支柱能充分增压，尽量放炮时不破坏顶底板，保证将支柱支正等。但是这些要求往往不能很好地得到执行，特别是工人们习惯于在注液时感觉注不动时就停止注液，实际上，这时注液枪仍能缓慢地对支柱供液，是一个升压过程，若这时停止注液，将使支柱的初撑力很低。要解决问题，其方法只能是加大对工人和管理人员的培训力度，完善相应的监督、奖惩制度。

3 提高初撑力的措施

在前面叙述中，已经给出了各情况下的一些解决方法。但问题是没办法在短时间内得到解决，为此，必须有提高支柱初撑力的直接有效的措施。这里我们提出了强制要求工人在支柱支好后对其进行二次打压的措施，该方法能有效解决上述存在的一些问题：（1）由于底板松软，支好支柱以后将会发生支柱钻底，当钻底速度大于顶板下沉速度时，支柱的初撑力在短时间内会减小。对于在支柱对底板比压达到底板的极限比压后比压能继续增大的底板，二次打压能使底板进一步压实，并使支柱的初撑力达到较大的值。但对于另外一些底板，出现第一次破坏后压力下降，继续加压时，比压不上升或上升后峰值不超过第一个峰值，对这样的底板，若二次打压前底板已经破坏，继续二次打压一般只能增加支柱的钻底量，而对提高支柱的初撑力没多大帮助，对这样的底板只能依靠支柱穿鞋来提高支柱的初撑力；（2）由于在二次打压时输液管道的乳化液流量非常小，在管道上引起的压力降也很小，因此注液枪能给予支柱较大的液体压力，这时就不存在因输液管道过长而使支柱的初撑力无法达到要求的问题；（3）二次打压可使因其他各种原因造成支柱初撑力达不到要求的支柱初撑力升高，并使支柱的支撑力均衡。

作者简介：姜亚坤（1980—），男，山东金乡人，济宁市金桥煤矿助理工程师，注册安全工程师，研究方向：煤炭工程；颜超（1979—），男，山东微山人，微山崔庄煤矿有限责任公司助理工程师，注册安全工程师，研究方向：煤炭工程。

（责任编辑：蒋建华）endprint