工作面覆岩运动规律及液压支架阻力实验研究

姬新文

（山西科兴能源发展有限公司，山西 高平 048400）

引言

综采工作面的支护质量直接决定其生产安全性，对于工作面工作人员和设备的安全性具有重要意义。综采工作面除了采用锚杆+锚索联合支护方式外，液压支架为必不可少的支护设备。在实际生产中，液压支架支护工作阻力确定的合理与否直接决定支护效果。对于浅埋煤层综采工作面而言，尤其其容易受到地表沟谷地形的影响，导致其与煤层较深的工作面而言，液压支架所承受的阻力更大，极易发生液压支架急剧下缩甚至压架的事故[1]。本文将重点开展液压支架阻力实验研究，为提高工作面安全开采的安全性和其他类似工作面的安全生产提供借鉴。

1 南梁煤矿1 号煤层工作面概况

本文以南梁煤矿1 号煤层所属工作面为例开展研究，该工作面煤层的厚度范围为1.4～1.7 m，煤层平均厚度为1.54 m。经探测可知，该工作面煤层可开采的储量可达278 万t，对应的开采系数为0.79。1 号煤层所属工作面的顶底板情况如表1 所示。

表1 1 号煤层所属工作面的顶底板情况

通过对1 号煤层所属工作面的地质资料进行分析可知，可将该工作面覆岩层的地形和地貌为沟谷区和非沟谷区。分析可知，该工作面顶底板的所有岩层中，由于直接底岩层本身的结构强度大且该岩层的厚度最大。因此，确定直接底岩层为该工作面的关键层，经过计算可知，直接底所承受的载荷量为590.28 kPa。当对于非沟谷区域而言，其对应初次来压步距为30.76 m，周期来压步距为12.55 m；对于沟谷区域而言，分为浅沟谷和深沟谷，其中浅沟谷区域对应的来压步距为9.73m，深沟谷区域对应的来压步距为8.76m。

对于液压支架而言，合理确定液压支架的工作阻力是对工作面顶板围岩稳定性及其运行和来压控制的关键。结合上述来压步距的参数值，1 号煤层所属工作面的液压支架的工作阻力同样分为沟谷区域和非沟谷区域。其中，非沟谷区域对应满足生产要求的液压支架的阻力为7 256.96 kN；沟谷区域对应同样分为浅沟谷区域和深沟谷区域，深沟谷区域对应的液压支架阻力为7 459.43 kN，浅沟谷区域对应液压支架的工作阻力为7 208.75 kN[2]。对于深沟谷区域还存在一个特殊情况，即为在实际生产中深沟谷区域容易发生动载，故将其对应的液压支架工作阻力增大为8 551.44 kN。

2 工作面液压支架工作阻力实验研究

上述计算为通过理论计算所得的结论，在实际生产中并不能够完全适用，计算所得液压支架的工作阻力可能大也可能小。因此，本节将通过实验手段得出完全适用实际生产的液压支架工作阻力。

2.1 实验方案设计

2.1.1 实验模型的设计

为保证实验结果的准确性，实验中涉及到的模型材料必须与工作面顶底板的岩层的属性一致；而且实验模型需模拟煤层的埋藏深度[3]。通过钻孔探测可知，1 号煤层主要位于地下平均85 m 的位置，属于浅煤层。结合1 号煤层所属工作面各类型参数，本实验建立1∶100 的实验模型，如下页图1 所示。

如下页图1 所示，实验模型的尺寸为3 000 mm×1 000 mm；根据表1 中各类岩层的属性在下页图1 中的实验模型进行设置，包括岩层的厚度、容重、抗压强度等。具体通过不同比例的沙土反应岩层的实际情况，从而保证本次实验能够充分发挥实际生产工况。

图1 实验模型示意图（单位：m）

2.1.2 模拟方案设计

根据实际生产工况，本次实验的具体模拟方案如下：

第一步：在距离实验模型左侧边界0.1 m 的位置开始掘进，重点对浅沟谷推进过程中液压支架工作阻力的变化进行研究，此项推进工序包括有顺坡—过沟底—逆坡。

第二步：浅沟谷区域开采完成后，对一般地形推进过程中液压支架工作阻力的变化进行研究。

第三步：实验继续进行对深沟谷区域推进过程中液压支架工作阻力的变化进行研究，此项推进工序包括有顺坡—过沟底—逆坡[4]。

在实验每步骤中对液压支架工作的阻力进行监测和记录，而且实验中所布置的地表位移和覆岩位移的监测仪器布置情况如图2 所示。

图2 实验模拟液压支架工作阻力监测系统

2.1.3 模拟液压支架设计

本次实验中所模拟液压支架的基本结构如图3所示。

由图3 可知，模拟液压支架的基本尺寸为：长度为0.2 m，宽度为0.05 m。为保证对液压支架工作阻力的准确监测，需要对模拟实验中的监测传感器进行标定。

图3 模拟液压支架基本结构

2.2 实验结果分析

经过实验模拟对工作面推进过程中一个循环周期内液压支架工作阻力及其分布情况监测并记录，得出如表2 所示的实验结果。

如表2 所示，模拟实验中工作阻力分布最多的工作阻力为7 360 kN＜p＜7 800 kN 之间；液压支架最大工作阻力为8 467 kN。因此，针对1 号煤层所属工作面液压支架工作阻力确定为8 500 kN 能够满足实际生产的需求[5]。

表2 液压支架阻力实验结果

3 结语

综采工作面的支护效果对于保证生产的安全性和生产效率具有重要意义。对于综采工作面而言，除了采用合理的锚杆+锚索联合支护方式外，液压支架为保障工作面安全生产必不可少的支护设备，尤其是对液压支架工作阻力的合理确定。本文针对1 号煤层所属工作面液压支架工作阻力的确定先后通过理论计算和实验模拟方式进行综合确定。通过研究可知，鉴于1 号煤层属于浅煤层，与其相匹配的液压支架工作阻力为8 500 kN 即可对工作面顶板进行有效支护，从而保证工作面安全、高效的生产。