大采高综采工作面液压支架适应性分析

2015-03-08吴士良杨成坤王世众

现代矿业 2015年4期

关键词：初撑力顶梁适应性

吴士良杨成坤王世众

(山东科技大学矿业与安全工程学院)

大采高综采工作面液压支架适应性分析

吴士良杨成坤王世众

(山东科技大学矿业与安全工程学院)

察哈素煤矿31301工作面为首采面，缺乏煤层矿压资料，在支架选型过程中基本采用经验法，为验证31301工作面支架适应性，同时为后续同煤层开采工作面支架选型提供可靠依据，根据31301大采高综采工作面开采条件，在工作面选取的支架安装矿用数字压力计，连续记录工作面开采过程中液压支架的初撑力和工作阻力，同时使用坡度仪测量支架仰俯角;通过实测数据分析液压支架的初撑力和循环末阻力大小的分布频率以及支架工作特性，并采用采高容重法、实测统计法和传递岩梁理论计算工作面支架合理工作阻力，最终结合理论分析得出工作面液压支架支护参数合理，具有良好的适应性。

大采高液压支架工作阻力适应性

综采工作面液压支架支护参数是否合理直接影响顶板的控制效果，其适应性和可靠性是决定工作面能否实现安全高效生产的关键因素之一[1-3]。

察哈素煤矿31301工作面是该矿首采工作面，位于31采区西部。工作面煤层厚5.03～6.7 m，平均厚6.015 m，工作面长300 m，推进长度2 503 m，设计采高5.6 m，平均埋深为420 m。选用ZY12000/28/63D型掩护式液压支架，其主要技术参数见表1。

表1 支架主要技术参数

1 工作面矿压监测

为监测支架受力及顶板来压情况，在工作面上、中、下建立3个测站，每个测站包括 2条测线，具体位置分别为44#、45#架；86#、87#架；130#、131#架。在6个支架上分别安装尤洛卡KBJ-60III-1型矿用数字压力计，连续观测工作面推进0～1 209 m过程中支架的初撑力、工作阻力。

1.1 支架初撑力

作为支架重要性能参数之一的初撑力，其主要作用是减缓顶板的自然下沉，增加顶板的稳定性，使支架尽快在恒阻状态下工作，在一定程度上决定着支架的运行工况，而且初撑力的大小直接影响到工作面顶板安全性[4-5]。统计分析得到的31301工作面支架初撑力分布见图1。

图1 支架初撑力分布

由图1可知，支架初撑力主要分布在4 001～ 6 333 kN ，占统计循环数的48%，为额定初撑力的50.5%～80%，没有出现大于支架额定初撑力的情况，根据工作面作业规程的要求，支架初撑力应该达到额定初撑力的80%，即6 333 kN，根据统计结果合格率仅为15%。工作面支架初撑力平均值为 4 407 kN，仅为额定初撑力的55.7%，工作面支架初撑力整体偏低。

1.2 支架循环末阻力

统计分析得到的31301工作面支架循环末阻力频率分布见图2。

由图2可知，工作面支架循环末阻力主要分布在6 001～10 000 kN，占统计循环数的57%，占支架额定工作阻力的50%～83%，大于支架额定工作阻力的占2%。工作面支架循环末阻力平均值为7 759 kN，占额定工作阻力的64.7%。

图2 支架循环末阻力分布

2 工作面支架工作特性

工作面良好的液压支架位态表现出支架的适应性情况，而支架位态对于顶板稳定性的影响受顶梁的仰俯角影响。现场实测31301工作面上、中、下部的支架顶梁的仰俯角见表2。

表2 支架顶梁仰俯角实测值

注：仰俯角为相对于顶板的夹角; 仰角为正，俯角为负。

根据统计结果可知，顶梁的仰俯范围在-9°～8°，平均为2°，这样即使工作面在遇到断层和采高变化较大时，支架仍保持良好的位态，可见顶梁基本处于水平状态，与顶板的接触良好，有利于发挥立柱的支撑作用。

3 工作面支架合理工作阻力计算

3.1 采高容重法

我国一般采用相当于4～8倍采高岩体的质量对支架载荷进行估算，公式如下：

P=(4～8)mγ，

(1)

式中，P为支架支护强度，MPa；m为平均采高，4.6 m；γ为顶板岩石容重，26 kN/m3。

计算得出P=0.478 4～0.956 8 MPa。

3.2 实测统计法

31301工作面直接顶厚3.9 m，平均采高为4.6 m，老顶初次来压步距实测平均值为44.3 m，根据煤炭部于1996年颁发的《缓斜煤层工作顶板分类》方案，31301工作面老顶属于Ⅱ级顶板(0.3

依据原煤炭部制定的国家煤炭行业标准的综采工作面支护强度计算公式，Ⅰ～Ⅲ级老顶的额定支护强度下限按下式计算：

P=72.3m+4.5Lp+78.9Bc-10.24N-62.1 ，

(2)

式中,P为支架支护强度，kPa；m为工作面采高，4.6 m；Lp为老顶周期来压步距，17.1 m；Bc为控顶高度，4.6 m；N为直接顶厚度与采高之比，0.85。

计算得出P=0.702 MPa。

3.3 传递岩梁理论

根据宋振骐院士提出的传递岩梁理论，为保证支架不被压死，支架应该能够承担基本顶的部分作用力和全部直接顶的作用力，支架支护强度计算公式如下[6]：

(3)

式中,P为支架支护强度，MPa；A为直接顶作用强度，0.24 MPa；mE为基本顶厚度，23.2 m；γE为基本顶容重，22.2 kN/m3；c0为基本顶来压步距，44.3 m；KT为岩重分配系数，2.5；LK为控顶距，5.54 m。

计算得出P=1.06 MPa。

根据上述3种计算方法得到31301工作面支架合理支护强度应为0.702～1.06 MPa，支架实际平均支护强度为1.29 MPa，能够满足大采高工作面顶板控制的要求。

4 工作面支架适应性分析

工作面支架适应性主要体现在工作面支架围岩关系，以确保对顶板的维护和控制[7]。31301工作面支架初撑力绝大部分小于额定初撑力的80%( 6 333 kN)，初撑力平均值仅为额定初撑力的55.7%(4 407 kN)，工作面支架初撑力整体偏低，其主要原因是支架工升架时不按作业规程操作，致使注液时间较短，支架达不到规定的初撑力，与支架本身的结构参数无关。工作面支架循环末阻力平均值为7 759 kN，其中大于支架额定工作阻力的比例仅为2%，说明支架额定工作阻力有较大富裕，造成工作面压架事故的可能性很小。支架顶梁的仰俯角为-9°～8°(平均为2°)，说明支架能够保持良好的位态，确保了工作面良好的支架围岩关系。从对顶板的控制效果看，支架能及时有效地防止端面顶煤与顶板的冒落[8]，经过计算，工作面支架合理支护强度应为0.702～1.06 MPa，支架实际支护强度为1.29 MPa，能够满足大采高工作面顶板控制的要求。综上分析可知，ZY12000/28/63D型掩护式支架在31301大采高综采工作面具有良好的适应性。