ZY12000/28/62D型掩护式支架适应性试验研究

孟小军

(晋城煤业集团寺河矿,山西晋城 048000)

ZY12000/28/62D型掩护式支架适应性试验研究

孟小军

(晋城煤业集团寺河矿,山西晋城 048000)

通过对晋城煤业集团寺河矿 4301综采工作面矿山压力显现实时监测系统数据分析,进一步掌握了大采高 (6m)、超长工作面 (300m)综采矿压规律、上覆煤岩层运移规律以及支架 -围岩相互作用特点,分析评价了 ZY12000/28/62D型掩护式支架对 3号煤层的适应性及其特点,为地质结构简单、大采高超长工作面开采配套装备的选型提供了依据。

液压支架;大采高;超长工作面

Adaptability Test of ZY1200/28/62D Shield Powered Support

综采工作面长度的加大,不仅能提高工作面单产、方便巷道布置、简化生产系统、有利于矿井高度集中生产,而且能提高矿井资源采出率,并有利于地表建筑物的保护。晋煤集团寺河矿瓦斯含量高,大采高工作面采用三进两回的布置方式,两个工作面之间需要留 50m左右的煤柱,煤炭损失严重,若增大工作面长度,可进一步提高资源采出率,保障矿井抽掘采衔接平衡,确保矿井安全高效。因此,研究适合大采高加长工作面条件煤层开采的架型和配套装备,掌握其矿压规律、上覆煤岩层运移规律以及支架 -围岩相互作用特点,积累 3号煤层在回采工艺、劳动组织、顶板控制等方面的开采技术经验,对提高矿井资源采出率,延长矿井的服务年限,有着非常重要的经济和社会意义。

1 ZY12000/28/62D型掩护式支架工业性试验

1.1 开采地质条件

4301工作面井上位于东山村东南,小东山风井场地东北。井下西为东四辅撤运输巷 (已掘),北为 4302工作面 (正掘),南为 3306工作面 (已采),东为 DF1大断层 (为矿界)。

煤层底板标高 488～624m,地面标高 780～1104m。工作面所采煤层煤厚平均 6.30m,煤层倾角为 1～14°,平均 5°。煤体呈条带状结构,中部夹 0.2m厚泥岩,密度 1.46t/m3,坚固性系数 f=1～2,上覆岩层厚度 292～480m。

本工作面直接顶为砂质泥岩,层理发育,层厚2.43m。基本顶为中粒砂岩,坚硬,层厚 7.10m。伪顶为炭质泥岩,随采掘脱落,层厚 0.20m。直接底为砂质泥岩,中夹薄层细砂岩,层厚 2.80m。老底为泥岩,局部夹薄层状砂泥岩、粉砂岩,层厚7.52m。

本工作面总体为西低东高的单斜构造,在此基础上发育了一系列中小型褶曲 (从西向东依次为背斜、向斜),背斜、向斜造成煤层底板较大的波状起伏,回采至 1500～2000m时,工作面西北部煤层底板坡度达到 9～14°。

水文地质条件较简单,回采中涌水来源主要为3号煤层上覆砂岩裂隙水,此含水层主要以静水量为主,该裂隙水将随着顶板垮落而渗入工作面;涌水量正常为 0.08m3/min,最大为 0.17m3/min。工作面回采时瓦斯绝对涌出量 60m3/min。

工作面走向长 2353.53m,倾斜长 300m,设计采高为 6.0m。采用走向长壁大采高综合机械化采煤方法,全部垮落法控制顶板。最大控顶距5.535m,最小控顶距 4.670m;循环进度 0.865m。

1.2 设备配套

液压支架采用电液控制技术,可实现成组快速移架,并可通过采煤机上红外发射与支架上红外接收,实现与采煤机联动。采煤机采用德国 SL-500型交流电牵引采煤机;工作面刮板输送机、转载机、破碎机从美国引进;可伸缩胶带输送机带宽1.4m,带速 3.5m/s;工作面装备有“三机”PROMOS监测监控系统、乳化液泵站的 PROMOS监测监控系统和巷道胶带机的监测监控 PROMOS保护系统。

支架主要技术参数：高度 2.8～6.2m,宽度1660～1860mm,中心距 1750mm;支护强度 1.36～1.4MPa,支护初撑力 7917kN,支护工作阻力12000kN;支架对底板比压 2.8～2.86MPa。

2 矿压观测

2.1 支架工作阻力在线监测

为了保障 4301工作面的安全开采,深入分析加长工作面矿山压力规律,考察支架工作性能,4301工作面共计安装 42台在线监控分机,10台电脑圆图仪。

2.2 观测结果及数据分析

2.2.1 顶板来压

4301工作面推进 17.7m时,直接顶开始垮落,推进至 22.3m时,工作面直接顶基本全部垮落。直接顶垮落时支架增阻明显。直接顶垮落动载系数1.28～1.34,平均值 1.31。基本顶初次来压步距在 37.2m左右。

实测的 20个支架基本顶来压之后,端头支架最大工作阻力为 6000～8000kN,工作面中部为8000～10000kN,少数支架超过或接近 12000kN。图 1为 109号支架初采期间工作阻力变化规律。

图1 109号支架基本顶初次来压时工作阻力

从支架压力的在线监测和井下实际观测表明,工作面加长后基本顶来压强度增大,步距缩短,工作面来压不同步现象明显,工作面中部初次来压步距较工作面两端头小,来压强度较两端头大。图 2为工作面初次来压期间支架最大工作阻力统计。

图2 基本顶初次来压前后支架最大工作阻力统计

现场观测表明,支架实际工作阻力远未达到额定的初撑力。

2.2.2 支架支护阻力频率分布情况

(1)初撑力 实测初撑力基本上呈正态分布,平均初撑力为 6271kN,相当于额定初撑力的79.2%;最大初撑力为 7889kN,相当于额定初撑力的 99.6%。

(2)工作阻力 从支架压力的在线监测和井下实际观测看出,实测工作阻力基本上呈正态分布,平均工作阻力为 7126kN,相当于额定工作阻力的 59.3%;最大工作阻力为 12180kN,相当于额定工作阻力的 102%;另外,从压力记录图上分析,支架安全阀开启率为 7.3%。图 3为 79号支架最大工作阻力变化曲线。

图3 79号支架最大工作阻力曲线

3 4301工作面矿山压力特点及其规律

(1)工作面直接顶垮落步距为 16.4～19m,平均为 17.7m,但是端头直接顶垮落滞后,垮落步距 20.9～23.8m,平均为 22.4m,直接顶垮落持续1.5d,顶板垮落块度较小,直接顶垮落动载系数最大为 1.32,最小为 1.15,平均值为 1.24。

(2)工作面中部基本顶垮落步距为 30m,机头机尾垮落步距平均为 44.4m,工作面中部来压步距最短,机尾次之,机头最长;从工作面中部开始垮落到两端头垮落完毕,共持续了近 3d,工作面表现出了明显的来压不同步现象。动载系数最大值为 1.52,最小值为 1.28,平均值为 1.40。

(3)工作面基本顶周期来压步距约为 15.6m,动载系数平均 1.43;工作面中部来压步距平均为14.9m,动载系数平均 1.43;工作面机头平均为16.3m,动载系数平均 1.48;工作面机尾平均为15.4m,动载系数平均 1.41。

(4)4301工作面顶板上方有 3层硬岩层,控制着顶板岩层的活动,其中处于煤层顶板上部85.5m处厚 19m的中粒砂岩和粉砂岩层控制着整个顶板岩层的活动规律,被称之为主关键层。主关键层初次破断步距为 50～80m,工作面中部最短,两端步距较大,周期破断步距为 30～80m,工作面中部最短,两端步距较大,来压时工作面中部强度最大,机头高于机尾。

总之,从 4301工作面矿压观测结果分析,寺河矿 3号煤层顶板比较稳定,矿压显现不明显。

4 支架适应性分析

4.1 初撑力

从矿压观测数据可知：支架平均初撑力为6271kN,相当于额定初撑力的 79.2%;最大初撑力为 7889kN,相当于额定初撑力的 99.6%,说明升柱充液时间或泵站压力不足,离初撑力合格值还有较大差距。因此,必须采取措施提高支架初撑力,尤其在来压期间更应注意,以减少顶板活动对采场的影响,确保工作面端面顶板完整。

4301工作面支架增阻特性统计表明,支架处于一次或二次增阻类型占 72%,初撑状态不足10%,主要是基本顶初次垮落之前和工作面端头支架,以及非周期来压时。

4301工作面长度加大后,顶板压力大幅度增加,远远超过寺河矿以前开采的工作面,但是就支架初撑力而言,基本没有变化,这与工作面加长后顶板压力增大是不相适应的,致使超过 70%以上的循环处于一次或二次增阻状态,甚至多次增阻状态,特别是顶板周期来压时,支架多数处于急增阻状态,增阻速率达到 800～1000kN/h。

4.2 工作阻力

工作面部分支架工作阻力频度统计结果表明4301工作面支架工作阻力 60%分布于 5000～9000kN;59.3%超过 6000kN;41.5%超过7000kN;24.2%超过 8000kN;11.9%超过9000kN。超过 8000kN工作阻力的液压支架主要出现在工作面中部,工作面两端头基本一致,这也表明本次支架选型是合适的,能够适应工作面加长后的顶板压力,特别是顶板来压时带来的冲击载荷。图 4为 4301工作面支架工作阻力频度统计。

4.3 支护强度

图4 4301工作面支架工作阻力频度统计

ZY12000/28/62D型掩护式支架的设计支护强度为 1.36～1.4 MPa,而工作面载荷强度在 1.2～1.38之间,平均为 1.3MPa,说明支护强度能的满足实际生产的需求。

5 生产中存在的问题

(1)在线监测到部分支架立柱载荷已经达到了安全阀开启压力,但是井下观察发现这些支架并未泄液或渗液,其主要原因是部分支架安全阀无法正常开启。

(2)在线监测和井下实际记录发现,工作面62%的支架左立柱压力低于 24MPa,有的立柱压力甚至小于 5MPa,工作面支架初撑力不足造成工作面片帮严重。初撑力不足的原因主要有：工人升架时间偏短,支架未完全达到额定的初撑力,即关闭了供液阀门;支架管路漏液、串液;在支架调试阶段,有 30架无法正常升降,目前正在及时更换液压支架阀组;泵站压力为 20～24MPa,未达到规定的31.5MPa。

(3)部分支架出现拉架速度缓慢的现象,原因是进水管刚开始投入使用,管内杂质多,水质较差,导致支架过滤阀堵塞,更换支架反冲过滤阀后问题得到解决。

6 经济指标分析

4301工作面从 2009年 10月 1日初采,截止2010年 4月底,工作面共完成原煤产量 4.22Mt,最高日产量达到了 32687t,最高月产量达到了760kt,平均月产 602.9kt。较前期,最高月产提高了 11.13%、最高日产提高了 12.62%、平均日产提高了 19.65%。

4301工作面加长后,提高了煤柱采出率。寺河矿综采工作面巷道布置采用 “三进两回”的通风方式,无论是 225m还是 300m工作面,每回采一个工作面,都必须要留设 55m的煤柱暂时不能回收。工作面加长后,煤柱资源损耗由原来的24.4%缩小为目前的 18.3%,即每采一个 300m工作面较 225m工作面多回收出 6.1%的煤柱损耗资源。以目前 4301加长工作面为例,4301工作面可采储量 6.246Mt,可多回收出煤柱资源 381kt,平均售价按 400元 /t计算,可多产生效益 1.52亿元。

7 结论

(1)ZY12000/28/62D型掩护式支架结构合理、紧凑,初撑力、工作阻力、支护强度等各项指标参数能够满足生产需要。该支架适应于 3号煤层大采高超长综采工作面开采需要。

(2)使用 ZY12000/28/62D型掩护式支架后,使工作面加长到 300m,煤柱损耗减小 6.1%,经济效益明显,各项经济技术指标均达到预期效果。

[责任编辑：张银亮 ]

TD355.41

B

1006-6225(2011)01-0076-03

2010-05-31

孟小军 (1985-)男,山西晋城人,助理工程师,晋城无烟煤矿业集团有限公司寺河矿二号井监测队队长。