田庄煤矿炮采工作面液压支架适应性研究

解鹏雁,董宗斌

(潞安环保能源开发股份有限公司 王庄煤矿,山西 长治 046204)

炮采工作面采用液压支架支护的开采方式在我国比较鲜见,但该方式对改善作业环境安全程度、降低工人劳动强度等有其积极的意义[1]。临沂矿业集团田庄煤矿3601炮采工作面正在使用泰安煤机厂生产的ZZ2400/08/15型液压支架支护[2],为检验该工作面液压支架是否能很好地满足支护要求,特对支承压力大小及分布规律、支架工作状况等进行了深入系统的研究,以评价工作面液压支架的适应性[3-5],为顶板控制提供合理指导,保证安全生产。

1 工作面地质与生产条件概况

3601工作面为二采区16#煤层南翼第一个采煤工作面,煤层厚度为1.1 m～1.5 m,平均1.22 m。工作面埋深为203 m～251 m,走向长度为637 m,倾斜长度为272 m,构造比较简单,断层落差较小,突水系数均小于正常块段的临界突水系数,因此,可安全回采。工作面采用走向长壁采煤法,全部垮落法控制顶板。工作面采用对拉面布置,炮采工艺,液压支架支护,上、下面错距为3.6 m～5 m,总计配置支撑掩护式液压支架212架。

2 工作面矿压观测方案

2.1 仪器选择

液压支架的工作阻力通过每根立柱柱腔液体压力来反映,通常可通过监测立柱内压来计算其工作阻力。本项目采用青岛万丰仪器仪表公司生产的YTL-610SM型圆图自记仪进行液压支架工作阻力的自动和连续记录。

2.2 数据采集

选择对3601工作面下面的下部106#、中部61#及上部21#和20#液压支架的左前柱和右后柱受力进行观测,见图1,共计8个圆图压力自记仪。

监测期间,只需每天换一次记录纸,并在记录纸上标明架号、液压支架的前后柱、换纸日期。在换记录纸的同时,测量液压支架的活柱长度[6]。

图1 工作面矿压观测测区布置Fig.1 Layout of pressure observation areas of the working face

2.3 日常数据整理与分析

圆图自记仪记录的P-t曲线内容很丰富,但直接看记录曲线很不直观,分析支架阻力变化规律必须对其加以整理和计算。一般需根据记录曲线及时整理以下内容[7]:

1)按监测循环计算支架的初撑力P0、循环末阻力Pm和时间加权平均阻力Pt。

循环末阻力Pm指循环末支架移架前的工作阻力,可由下式计算:

式中:Qmi为实测循环末油缸内工作压力,MPa;D为立柱油缸内径,mm;z为支架立柱数目。

时间加权平均工作阻力Pt指一个采煤循环内以时间为加权计算的平均工作阻力,可按下式近似求得:

式中:ti为时间,min;Pi为支架阻力,kN。

2)统计支架的工作特性曲线。统计不同时期(如周期来压或非周期来压时)各循环阻力——时间关系曲线中各类型的百分比,可以分析顶板压力的大小和支架对顶板的适应性。

3 支架初撑力及工作阻力观测结果分析

3601工作面基本支架型号为ZZ2400/08/15,为四柱支撑掩护式支架,单颗立柱的额定初撑力为31.5 MPa,额定工作阻力为600 kN(39.7 MPa)。一般情况下,在工作面正常回采期间要求单颗立柱初撑力达到额定值的80%,应为25.2 MPa。

3.1 初撑力

支架初撑力是采场支护中的一个重要参数,其作用有两个:一是确保支架按设计的增阻规律来增阻,使支架处于合理的工作状态,发挥其最大的支护效能;二是抑制顶板的早期下沉,最大限度地保持直接顶的完整,防止冒顶及顶板离层,有效避免动压冲击[8]。

3601工作面推进过程中各支架循环初撑力分布区间与频率关系见图2。

图2 单颗立柱循环初撑力分布区间及频率关系Fig.2 Relationship between setting load distribution interval and frequency

由图2可知,在3601工作面随工作面推进过程中,各支架单颗立柱的平均初撑力最大为额定初撑力的52.36%,最小仅为额定初撑力的39.68%,均远未达到额定初撑力的80%。

由于经费和其他方面的原因,学校组织的社会实践活动多以参观工厂企业为主，也有社区、养老院服务等。而且这类活动多由团委组织，并没有专业教师地参与和指导。但是要做好大学生社会实践活动，从项目、基地、内容、技术等方面出发，都离不开专业老师的指导。缺乏指导的大学生社会实践多数流于表面，社会实践报告多为象征性地做一些简单的社会调查,缺乏对实际问题的研究和分析,更没有深入探讨解决问题的方法和措施。

计算各支架前柱、后柱和整架(四个支柱)平均初撑力及利用率(平均初撑力与额定初撑力的比值),统计结果如表1所示。

表1 支架立柱初撑力及利用率Table 1 Setting load and utilization rate of the support columns

从初撑力的平均值可见:支架的初撑力远小于其额定初撑力的80%。

3.2 循环末阻力

在正常情况下,循环末阻力为循环内的最大工作阻力。它是反映矿压显现强弱、评价支架额定工作阻力是否满足支护要求的重要指标[7]。

通过观测可知,4架支架单颗立柱的工作阻力大多在525 kN～570 kN(35 MPa～38 MPa)之间,已相当接近其额定工作阻力(见图3)。

3601工作面支架前柱、后柱和整架平均循环末阻力及利用率统计结果如表2所示。

图3 单颗立柱循环末阻力分布区间及频率分布Fig.3 Distribution interval and frequency distribution of end-of-loop resistance of single column

表2 支架循环末工作阻力及利用率Table 2 End-of-loop working resistance and utilization rate of the support

由表2可知:整体支架循环末阻力均小于但已接近支架额定工作阻力,工作阻力安全系数较小。

3.3 时间加权工作阻力

由于支架阻力是随时间不断变化的,所以,仅以循环末阻力还不足以反映支架的全面受力情况。例如,两个不同循环支架立柱的末阻力可能相近或相等,但在循环内其受力却可能差别很大,两个循环支架的受力不能认为是等同的。而用时间加权平均工作阻力则可以反映出这一差别[7]。

图4 单颗立柱时间加权工作阻力分布区间及频率分布Fig.4 Time-weighed working resistance distribution intervals and frequency distribution of single column

表3为3601工作面支架时间加权工作阻力分布及利用率情况。

表3 支架循环时间加权工作阻力及利用率Table 3 Time-weighed working resistance and utilization rate of the supports

从前、后柱及整架循环末阻力发挥程度来看,3601工作面支架循环时间加权工作阻力安全系数很小。

3.4 周期来压时支架工作阻力

表4统计了工作面老顶7次周期来压期间及来压前所测支架的工作阻力数据。由表可见,周期来压时,4架支架的平均工作阻力为2 304.24 kN,达到额定工作阻力的96.01%,说明支架额定工作阻力安全系数偏小,一旦顶板发生动压冲击,支架容易被压死而发生顶板事故[9]。

表4周期来压期间各支架工作阻力
Table 4 Working resistance of each support during periodic weighting kN

架号106#61#21#20#平均 老顶周期来压1234567平均前1 269.521 523.431 112.34918.891 206.05时2 351.642 164.232 224.692 345.592 271.84前1 511.341 547.61773.801 112.341 236.27时2 345.592 212.592 333.502 252.492 286.35前1 571.791 370.48737.531 003.531 170.98时2 309.922 212.592 333.502 312.342 292.39前1 632.241 051.891 100.25894.711 169.77时2 324.432 309.322 381.862 393.952 352.85前1 329.971 230.23979.351 100.251 160.10 时2 279.092 333.502 303.882 212.592 282.12前1 342.071 662.47——1 502.27时2 309.322 381.86——2 345.59前1 586.30———1 586.30时2 369.77———2 363.73前1 463.581 397.68940.651 005.941 201.81时2 324.432 273.052 303.272 303.272 304.24比值1.591.632.452.291.64

4 工作面支架使用现场观测

对3601工作面近2个月的现场观测发现,该工作面使用ZZ2400/08/15支撑掩护式液压支架后,支架前后柱常常不能同时升起,相当一部分支架在升架时只给后柱供液,个别支架存在串漏液、安全阀泄露锁不住立柱下腔液体的现象;支架工在升架时怕出现明显错茬,支架未达到初撑力就停止供液。因此,造成支架初撑力降低。

另外,使用液压支架后,该工作面采煤工序变得繁琐,工作空间降低,工人劳动环境变差,造成工作面每日单产降低。

5 支架适应性分析

通过对3601工作面液压支架工作阻力的监测,计算其初撑力、循环末工作阻力和支架时间加权工作阻力,可以得到以下结论:

1)在3601工作面随工作面推进过程中,支架的平均初撑力远小于其额定初撑力的80%,初撑力较低。这使得支架不能发挥其最大的支护效能,也不能有效抑制顶板的早期下沉,容易发生冒顶及顶板岩层离层,从而发生动压冲击。

2)支架前柱、后柱、整架的平均循环末阻力分别占额定工作阻力的89.74%、94.50%、92.12%。工作面老顶周期来压时,支架单颗立柱平均工作阻力为2 304.24 kN,达到额定工作阻力的96.01%,说明支架额定工作阻力安全系数偏小,一旦顶板发生动压冲击,支架容易被压死而发生顶板事故。

3)支架前柱、后柱、整架的平均循环时间加权工作阻力分别占额定工作阻力的88.67%、93.11%、90.89%,整架最大时间加权平均工作阻力平均为2 344.18 kN,占额定工作阻力的97.43%;从整架循环时间加权工作阻力来看,3601工作面支架工作阻力安全系数偏小,不能很好地满足工作面顶板安全支护的要求。

综上所述,在3601工作面顶底板地质及生产条件下,ZZ2400/08/15型支撑掩护式液压支架对本工作面顶底板支护的适应性较差。