采煤工作面单体液压支柱阻力的探讨

韩广友

采煤工作面单体液压支柱阻力的探讨

韩广友

(龙煤股份有限公司七台河分公司安全监察部，黑龙江 七台河 154600)

通过对不同采场、不同支护形式、不同采煤开采方法的矿压观测，根据回采工艺不同环节状况下的顶板下沉速度、下沉量和动压影响范围的分析，讨论了在顶底板不同强度情况下，单体支柱阻力变化规律，以合理确定支柱阻力和支护密度，防止支柱钻底的出现。

单体液压支柱;支柱阻力;分析

龙煤股份有限公司七台河分公司在单体液压支柱工作面质量检查中，增加了对工作面支柱阻力的测定，要求支柱初撑力不低于9 t，否则认为支柱不合格。由于加强了对单体液压支柱工作面支柱阻力的检测，使支柱初撑力普遍提高。随着支柱阻力的提高，通过加强对顶板的控制，从而减少了顶板下沉量，大大改善了顶板条件。

1 采场矿压观测结果

近年来，该公司通过对全部陷落采煤方法中不同支护形式的10个采区进行观测。主要观测了工作面顶板下沉、支柱载荷、活柱缩量及顶板动态 (即下沉速度)等数据，并进行了顶板分类。观测中所得的不同支护形式的矿压数据见表1。

表1 不同支护形式的矿压数据

1.1 顶板动态数据

放炮后顶板稳定时间：30 min。

新建矿直属五井采煤工作面。

1)在无工序非动压影响下，顶板下沉速度小于0.07 mm/min。

2)放炮落煤动压影响。

放炮期间顶板下沉速度：0.21 mm/min

放炮时刻顶板下沉速度：0.26 mm/min

放炮间隔顶板下沉速度：0.21 mm/min

放炮动压影响强度比平时增大3倍;

放炮影响范围：35 m

1.2 回柱放顶动压影响(见表2)

表2 回柱放顶动压影响

回柱后顶板稳定时间：30～45 min

回柱期间顶板下沉速度：0.22 mm/min

回柱放顶动压影响强度比平时增大3倍。

1)桃山煤矿机采面。

a)在无工序非动压影响下顶板下沉速度为0.103 mm/min。

b)机组割煤动压影响。

连续割煤对靠近煤壁的第一排支柱的顶板动态影响最大，顶板最大下沉速度平均为1.05 mm/min，平均为0.35 mm/min：对第二、三排支柱影响次之，顶板最大下沉速度平均分别为0.89 mm/min和0.58 mm/min;全工作面顶板下沉速度最大平均为0.98 mm/min;全部平均 0.33 mm/min。

割煤间隔时刻的顶板下沉速度均小于连续割煤时的顶板下沉速度(平均值降低约50%)，而大于无工序时的顶板下沉速度 (平均值约增大1.5倍)。间隔时刻顶板下沉速度最大平均为0.36 mm/min，全部平均为 0.15 mm/min。

连续割煤动压影响强度为平时的3倍，割煤间隔时刻动压影响强度为1.5倍。

机组割煤对各排支柱顶板动压影响范围不等。靠近煤壁，顶板动压影响范围略大，靠刹帮排，顶板动压影响范围略小，平均来看，机组割煤时，前方影响范围为12 m，后方为16 m。

c)回柱放顶的动压影响。

回柱放顶对第四控顶排的顶板动态影响最大。第二、三排次之，第一排最小。实测第三排顶板最大下沉速度平均为2.17 mm/min，全部平均为0.72mm/min。回柱期间顶板全部最大下沉速度平均为1.95 mm/min，平均为 0.60 mm/min。

回柱放顶动压影响强度为6倍。

回柱放顶动压影响范围不等，一般靠采空区控顶排;顶板影响范围较大;靠煤壁，顶板影响范围最小。回柱放顶前方平均影响范围为4～8 m，后方为16～20 m。

2)桃山煤矿高档面。

在无工序非动压影响下顶板下沉速度为0.002 mm/min。

机组割煤动压影响见表3，表4。机组通过测点顶板下沉速度平均1.20 mm/min。

回柱放顶动压影响见表5，表6。第二控顶排回柱期间顶板下沉速度为0.20～0.50 mm/min;第三控顶排为0.95 ～1.80 mmm/min。

表3 机组割煤动压影响

表4 机组割煤动压影响

表5 回柱放顶动压影响

表6 回柱放顶动压影响

1.3 矿压显现规律

中硬以下岩层顶板厚煤层分层开采时，单体支柱工作面矿压显现规律。

1)老顶属I级顶板，直接顶属1～2类顶板时，老顶来压不明显，顶板易冒落，无悬顶。

2)支柱阻力偏低 (平均不超过10 t/根)，支护强度较小(一般不超过0.20 MPa)，项板下沉量较大(一般为300～400 mm)。

3)底板为强度较低的煤层时，由于煤的单向抗压强度不超过15 MPa，而抗压强度约为单向抗压强度的50% ～60%，所以当支柱载荷大于6～7 t时，支柱可被压入底板(钻底)。支柱钻底是特厚煤层分层开采条件下普遍出现的支护问题。

2 单体支柱阻力的测定结果及分析

1)根据直接顶为中硬以下岩层 (砂质页岩、页岩或泥岩)、老顶无坚硬层的特厚煤层，在分层开采条件下进行的单柱面支柱阻力实测数据，可得出如下结果：

a)帮柱阻力大于第一排支柱阻力。

b)走向各控顶排支柱阻力依次递增，最大控顶排的支柱阻力最大。

c)泵站压力低于10 MPa，支柱阻力不会太大。支柱阻力大小主要取决于顶底板煤、岩的物理力学性质，即在相同的采煤方法和支护条件下，顶底板煤、岩强度愈大，则支柱阻力愈大。

d)从倾斜方向支柱阻力分布看，在缓倾斜单柱面内，下缺口支柱阻力(矿压显现)最大，中下部次之，上缺口最小。

2)从单柱面支柱阻力测定中看出，支柱阻力的大小及分布，主要取决于顶底板煤、岩的物理力学性质、支护方式、支设质量、支柱质量、控顶时间，泵站压力及地质开采条件等。在上述条件相近的情况下，各因素对支柱阻力大小及分布的影响如下：

a)当顶底板完整，煤岩强度大时，则支柱阻力高(压力显现大)，对控制顶板有利。

b)在顶板破碎，处于断层附近，高顶或空顶处，一般支柱阻力较低，对控制顶板不利，易出现顶板事故。

c)如果泵站站压力低 (低于10 MPa)，会造成工作面支柱阻力普遍较低。

d)支柱支设质量不好，梁柱位置不当，会造成倒悬臂，迎山角不合适(过大或过小)时，会造成动压支柱歪斜或倾倒，支柱阻力不能发挥。

e)支柱本身质量不合格，三用阀漏液或活柱与柱体渗液，能造成支柱阻力降低，对顶板起不到支撑作用。

f)支柱柱距不等，或顶、底板煤 (岩)体强度不一，可造成支柱承载不均匀，个别支柱阻力过高或过低。支柱阻力过低处，易出现顶板事故。

g)煤层底板软弱处，支柱阻力降低。

h)工作面生产过程中，因煤壁处顶梁铰接不上或刹帮顶梁摘不下来，就必须对邻近支柱进行调整。经常调柱的工作面，支柱阻力普遍下降，影响顶板管理。

i)支柱初撑力不均匀，有高有低。

3 确定合理的支柱阻力和支护密度

为确定合理的支柱阻力和支护密度，首先必须掌握顶板分类和确定合理的采场压力。在特厚煤层分层开采，直接顶为中硬以下岩层，老顶无坚硬层，采用单体液压支柱与铰接顶梁配套支护顶板的条件下，一般老顶来压不明显。如果老顶属l级，直接顶为1～2类顶板，则支柱仅承受直接顶冒落岩层的重量。一般情况下，冒落高度约为采高的2～3倍。如按3倍采高计算，假设采高为2 m，顶板岩层容重为2.5 t/m3，则采场的顶板压力PT约为0.15 MPa。

若考虑老顶来压作用，可取冒高为采高的4～5倍，则采场顶板压力 PT为 0.2 ～0.25 MPa。

由此看出，采场顶板压力取0.15 MPa(老顶来压不明显)或取0.20～0.25 MPa(老顶来压明显)是合理的。

如果支护强度适应采场顶板压力，则认为支护设计是合理的。

目前，在单柱面内为适应网下多分层开采的顶板管理和顶梁规格，一般支柱排距取0.8～1.0 m。柱距0.5 ～0.6 m，支护密度约为2.0 根/m，故合理的支柱阻力为：

或

或

综上分析，得出如下规律：

在支护密度不低于2根/m2的条件下，老顶来压不明显，直接顶冒高为采高3倍以时.工作面支柱平均阻力不低于7.5 t/根;老顶来压明显，直接顶冒高为采高的3～4倍时，工作面支柱平均阻力不低于10 t/根;老顶来压明显，直接顶冒高为采高的4～5倍时，工作面支柱平均阻力不低于13 t/根。

4 关于支柱钻底问题

特厚煤层分层开采的单体支柱工作面，顶板管理的最大难题是支柱钻底问题。当单体液压支柱的底面积S=78.5 cm2，煤层底板的单向抗压强度为8～15 MPa，煤体的底板压强为4～8 MPa时，则煤体不受破坏(即支柱不钻入底板)的允许支柱载荷为［P柱］=(4 ～8) ×78.5=3.2 ～6.3 t/根。

注液枪给予支柱的初撑力为7.8～11.5 t。因此，支柱在支设过程中就出现支柱钻底现象。只有通过支柱钻底，支柱才能达到要求的初撑力阻力，即支柱初撑力不低于6 t。

要解决支柱钻底问题，其有效途径就是支柱穿底鞋或支柱加托盘。支柱的底面积不低于625 cm2，或者采取加密支柱措施，此时支柱不钻底的交护密度为：

或

采取支柱穿鞋还是加大支护密度，各矿区可根据具体情况选择。该公司通过采取支柱穿鞋，提高支柱阻力，发挥支柱的支承能力等措施，节省了人力、物力，充分发挥支护设备效能，节省了支柱的使用量。

Discussion on the Resistance of Single Hydraulic Prop in Coal Mining Face

Han Guang－you

By the coal mining pressure observation of different stope，different supporting forms and different mining methods，according to the analysis under the different links conditions of mining process such as roof sinking velocity，subsidence，and the influenced range of dynamic pressure，discusses the roof and floor case of different strength，the change rule of the single hydraulic prop resistance，reasonably determines the prop resistance and supporting density and prevent the appearance of the prop going into floor.

Single hydraulic prop;Support resistance;Analysis

TD355+.3

A

1672－0652(2012)02－0018－04

2011－12－23

韩广友(1965—)，男，吉林大安人，1987年毕业于抚顺煤校，工程师，主要从事煤矿安全技术管理工作(E －mail)673260999@qq.com