榆树田特厚煤层综放液压支架承载特征与适应性研究

2019-07-30曹卫军

山东煤炭科技 2019年7期

曹卫军

（徐州矿务集团有限公司新疆夏阔坦矿业公司，新疆库车 842000）

综采工作面液压支架如果承载能力不够、对顶板适应性差，将对整个工作面的安全、生产、效益都带来极大影响，不仅产量低，投入大，而且经常因为片帮冒顶等造成人身事故。榆树田煤矿位于新疆库车县以北阿格乡夏阔坦村附近，110501工作面是矿井首采工作面，所采煤层厚度大而且相对比较坚硬，埋藏深度较浅。由于新矿井刚开始生产，现有综采设备可靠性低，特别是液压支架对顶板支护的适应性还没有完全科学掌握和验证，给现场安全生产管理带来不确定因素。因为煤层覆存比较稳定，地质条件比较简单，所以支架的适应性重点考虑承载能力。通过支架支护强度计算分析，现场实测分析支架加权阻力（时间加权阻力）分布特征、工作阻力频率分布特征等方法，从不同角度分析研究榆树田煤矿11采区地质条件下，特厚煤层综采工作面液压支架承载特征与适应性问题，进一步分析评价、验证现有支架的安全性、可靠性、经济性，确认支架的支撑力适应顶板载荷的要求，为安全高效生产提供实践保障，具有一定的理论价值和现实意义。

1 工作面地质概况

110501工作面为榆树田煤矿首采工作面，所采为侏罗系下统塔里奇克组下5号煤层。煤层平均厚度9.50m，煤层平均倾角12.5°，煤层结构整体较简单，全区可采，属特厚稳定缓倾斜煤层，煤层比较坚硬。工作面走向长度1580m，倾斜长170m，安装型号为ZF9000/20/32的支撑掩护式液压支架共113架，支架主要技术参数见表1。工作面采用走向长壁后退式综合机械化放顶煤一次采全高开采方法，沿下5煤底板回采，采高3m，放顶煤厚度5.5～7m，采放比平均1:2。工作面移架为依次顺序追机移架，最大控顶距5.94m，最小控顶距5.19m，放顶步距0.75m，老塘采用全部垮落法管理顶板。该工作面地面平均标高+1762.5m，井下工作面平均标高+1467m，平均埋深-295.5m。工作面顶板总厚度为20m左右，以粉砂岩和细砂岩为主，顶板属于半坚硬顶板，岩体相对较完整。其中基本顶平均厚度为13.94～16.52m，工作面直接顶以粉砂岩为主，泥质胶结，平均厚度为3.48m～6.06m。工作面顶板上方为下4煤层。

表1 工作面液压支架主要技术参数

2 工作面液压支架支护强度计算分析

2.1 岩层结构法

工作面支架工作阻力支撑垮落带顶板岩层和顶煤的重量，并平衡基本顶失稳时对支架的动载，计算公式为：

式中：

q—工作面支架所需的支护强度，MPa；

Kd—基本顶失稳时的动载系数；

qd—垮落带岩层自重力，kN/m2；

qm—支架上方顶煤自重力，kN/m2。

根据榆树田煤矿基本情况，动载系数取1.31，实际计算时取1.8的动载系数；顶煤自重力qm=rm·M，rm为 15kN/m3，M 为顶煤厚度，取5.45m，计算qm为 81.75kN/m2；同理，qd=rd·M1，rd为25kN/m3，M1为24m，计算qd为600kN/m2。

工作面支架所需的支护强度为1227.15kN/m2，即1.2MPa；支架架宽1.5m，最大控顶距4.5m，工作面支架所需最大阻力为8084kN；这个值小于所选支架额定阻力的90%。

2.2 统计类比法

综放工作面支架支护阻力与煤层强度、采深成正比，与顶煤厚度成反比。在此前提下，根据对我国多个综放面实测支架最大载荷Pmax与煤层硬度普氏系数f、采深H以及顶煤厚度M进行回归，得到经验公式为：

榆树田煤矿110501工作面顶煤单轴抗压强度为21.35MPa，f值取2.1，埋深300m，经计算得到Pmax为3584kN，取安全系数为1.8，设计支架载荷为6451kN，这个值小于所选支架额定阻力的90%。

通过以上计算分析，榆树田煤矿110501工作面的支架承载特性和适应性良好。

3 支架适应性分析

3.1 工作面矿压观测实施方案

110501工作面平均走向长1580m，倾向长170m，110501工作面安装型号为ZF9000/20/32的液压支架共113架。沿工作面倾斜方向安设KJ327型矿山压力在线监测仪，包括1套主站、15套分站，在工作面支架每7～8架安装1个在线监测仪，工作面均匀布置15个测站，分别为1#～15#。

KJ327矿山压力在线监测仪实时对工作面支架的载荷及其工况连续不间断地在线监测，以此确定综采工作面顶板的活动压力变化规律，依据工作面液压支架工作阻力的监测数据结果，结合现场支架的工作状态进行统计分析，进而评价工作面支架选型对顶板条件开采的适应性。在未安设自动检测系统的支架上安装机械式压力表进行监控。为了便于研究，把工作面15个测站划分为上部、中部、下部三组来分析，工作面沿走向推进距离为220m，过程中进行大量的支架来压数据采集统计，在此基础上通过分析支架工作阻力频率分布特征、加权阻力（时间加权阻力）分布特征的方法，从不同角度分析研究工作面液压支架承载特征与适应性。

3.2 支架工作阻力频率分布特征

支架工作阻力的频率分布是根据支架工作期间阻力大小所在范围的百分比来进行计算。在理想状态下，支架阻力频率的分布是符合正态分布的，即两端低阻力和高阻力区域所占比例少，绝大部分分布在中间区域。当低阻力所占比例大时，说明支架的实际使用效率低，支架承载能力富余量大；当高阻力范围占具比例较大时，则表明支架长期处于超负荷工作状态，支架的额定工作阻力小，达不到现场要求的支护能力，将造成安全阀频繁开启，影响支架的使用寿命。首先把工作阻力从0～35MPa之间划分8个范围，经过统计分析得工作面支架工作阻力频率分布统计结果，见表2。根据工作阻力频率统计结果按照工作面上、中、下三个区域作工作面支架工作阻力频率分布图，如图1（a）、（b）、（c）所示。

表2 工作面支架工作阻力频率统计表

由工作面工作阻力频率分布图可以看出：工作面中部压力主要集中在25～35MPa，两端压力主要集中在20～30MPa，分布曲线成近似的正态分布。

3.3 加权阻力变化特征分析

加权阻力（时间加权阻力）采用一个工作面推进循环内支架阻力的平均值，时间加权阻力更能反映循环期间的支架承载情况。依据工作面液压支架的运行状态即工作阻力的监测结果，并对各监测支架的工作阻力均值随工作面推进过程中的变化进行大量统计分析，见表3，由此来研究分析工作面沿走向推进过程中支架载荷变化分布规律，进一步检验支架的承载能力。