大倾角综采工作面液压支架运行状态分析及保护煤柱参数研究

2022-09-25武永刚

机械管理开发 2022年8期

武永刚

（山西焦煤集团有限责任公司屯兰矿，山西古交 030206）

引言

我国蕴藏煤炭资源的地域分布广泛，煤炭所存储地域的地质条件、煤层条件复杂，为保证各地域煤矿的安全开采，保证煤矿的资源利用率、回采率和服役年限，采用合理、有效的巷道支护方式尤为重要。对于大倾角煤层而言，制约其生产效率的主要因素为对顶板管理不到位。因此，针对大倾角综采工作面掌握矿压显现规律，并根据液压支架的运行状态，合理确定煤层区段保护煤柱的参数对于高效、安全生产具有重要意义[1]。本文将重点对32147 工作面的液压支架运行状态进行分析，并完成保护煤柱参数的优化研究。

1 大倾角煤层工作面采煤方法选择及矿压规律分析

本文将对适用于大倾角煤层采煤方法进行概述，分析大倾角煤层工作面开采时存在的技术难点和可采用的顶板控制技术。结合32147 工作面的实际情况对其矿压显现规律进行分析，为后续液压支架工作状态的分析奠定基础。

1.1 适用大倾角工作面的采煤方法

本文所研究32147 综采工作面煤层的平均倾角为35°，属于大倾角综采工作面；而且该综采工作面地质条件复杂，各阶段断裂构造的差别较明显，顶板管理困难；同时，工作面的褶皱构造的长度也存在明显的差异。上述问题均为大倾角综采工作面开采时的难点。

为保证大倾角综采工作面的安全开采需对顶板进行有效管理，包括在正常时期、特殊时期的管理。其中，特殊时间的顶板管理包括来压及停采前的顶板控制、过断层及顶板破碎带顶板控制、片帮冒顶防治技术（防止片帮冒顶和处理片帮冒顶两项举措）。

结合32147 综采工作面的开采难度和常规的顶板管理控制技术，适用于大倾角综采工作面的开采技术包括有水力采煤方法、斜坡采煤方法、长孔爆破采煤法、伪斜柔性掩护支架采煤方法、急倾斜综合机械化采煤方法和液压支架放顶煤采煤方法[2]。

综合对各种采煤方法对应的煤炭回收率、煤炭回采率、劳动优势以及综采设备的优势，针对32147 综采工作面的实际情况，将采用大倾角综合机械化采煤方法对煤层进行开采。

1.2 大倾角工作面矿压显现规律

针对矿压显现规律的研究，本节通过建立模型对其进行数值模拟研究。首先，需对现场岩层进行采样，对其岩石力学性能进行测试，测试结果如表1 所示。

表1 32147 综采工作面力学性能测试结果

结合上述参数搭建一个长度为100 m、高度为100 m 的数值模拟模型。本文重点研究内容为对液压支架运行状态分析和保护煤柱参数的优化。因此，此处仅列出矿压显现规律的分析结果：

1）由于32147 综采工作面的底板比顶板的力学性能低，当初次来压后，工作面的底板岩层首先出现破坏和底鼓的现象。

2）综采工作面应力集中的位置主要处于煤壁前方8～12 m。

3）32147 综采工作面直接顶的初次垮落步距为19.5 m，周期垮落步距为6.5 m；老顶的初次来压步距为35.6 m，周期来压的步距为14.24 m。

2 大倾角综采工作面液压支架运行状态研究

为充分掌握工作面液压支架的运行状态，本节将通过设计监测方案对液压支架支护阻力频率、整体平均受力情况进行分析。

2.1 监测方案的设计

在工作面上顺槽和下顺槽分别设置4 个监测点，其中，在上顺槽主要对工作面的ZJ3600-11/23 型液压支架进行监测，监测点包括28 号、29 号、30 号和31 号；在下顺槽主要对工作面的ZZ6000 型液压支架进行监测，监测点包括37 号、38 号、39 号和40 号。所选的监测系统为KBJ-2004B 型矿用多功能监测系统，并分别在上顺槽和下顺槽各布置一台[3]。

2.2 运行状态

对上、下顺槽液压支架运行监测结果进行统计，并得出如表2 所示的监测结果。

表2 液压支架初撑力与末阻力监测结果

分析可知：当前工作面所配套液压支架的前柱和后柱的载荷不一致，平均呈现为前柱的工作阻力大于后柱，且前后柱的载荷比范围在2～8.35 之间，波动范围较大；此种情况极易导致单个液压支架由于应力集中的情况而损坏。具体推算至实际生产中，所面临的情况为工作面顶板直接顶直接破碎，从而导致液压支架后部出现垮空的现象[4]。