复杂条件和异常环境下支架工况与操作

陈国利 于俊伟 边伟东

摘要：为了全面掌握Ⅱ钢对棚支架在采煤面的各种工况和支护技术，选择了特殊地质环境的采煤面进行了实测和比对。研究表明，Ⅱ钢对棚支架对复杂支护条件，异常地质环境有比较好的适应性。

关键词：复杂条件异常环境支架工况研究

中图分类号：TD355.4文献标识码：A文章编号：1672-3791(2012)02(a)-0077-02

1异常地质环境、复杂支护条件及其矿压显现

1.1采煤面异常地质环境和复杂支护条件

大众煤矿22061(现12061)工作面是位于断层破碎带，曾多次突发地質灾害的一个艰难的采煤工作面。

22061工作面地质剖面和煤壁素描图表示，工作面基本与该断层走向一致。工作面地质条件受该断层的控制，以及该断层对煤岩结构的影响也十分强烈。工作面煤层厚度突变严重，尖灭、变厚、变薄、钻底、挑顶等均出现在一个工作面，整个工作面有全岩、半煤岩、全煤，薄煤层和厚煤层的情况出现。煤层直接顶底板有正常的煤系地层砂质泥岩，也有因断裂构造出现煤层老底紧贴煤层的长石砂岩。不论是煤层顶底板岩性的不规则变化，煤层厚度的急剧变化，都显示出22061工作面煤层赋存状态的非常罕见的极其复杂性。

1.2采煤面下梁中柱圆班载荷通测及其显现特征

为了掌握工作面支架的工作状态，结合下梁中柱在支架结构中的特点和关键作用，对22061工作面下梁即主梁中柱的工作阻力进行了通测。

通测是指从工作面的上安全出口到下出口之间的全部支架。圆班是指紧跟早8点班、午4点班、晚0点班连续监测，测试时支架结构一股处于分型1，即最小控顶距的支护状态。

2局部构顶下的支架工作阻力和操作技术

如表1：局部构顶情况的工作阻力实测记录表。

图1：局部构顶区域煤壁素描图。

图2：局部构顶区域载荷分布示意图。

图2是22061工作面下出口第266～235号支架前后的煤岩结构。煤层在此逐步尖灭，构造十分发育，裂隙组切割造成危岩掉落。在回采过程中，在第25～31(自下出口计算的支架号)号棚子之间出现约6m长的冒顶和木垛构顶的区域。为研究Ⅱ钢对棚支架在复杂支护环境的受力分析和支护技术提供了难得的试验条件。构顶过程非常艰难，移架在这个区域十分小心，该区域又在下出口，对支护规格和质量要求高。当该区域支架稳定后，我们及时做了载荷测试。

在测试过程中，30多个支柱工作阻力几乎都是没有表压(接近于OMPa)，发现只有一个支柱工作阻力比较高。从表l局部构顶情况的工作阻力实测记录表，图3局部构顶区域载荷分布示意图可见，这几架棚子中主要依靠29号棚子的副梁贴帮柱支撑。其他的支柱载荷接近于0。说明梁上的木垛与29号棚子的副梁接触最好，其他支柱主要是维持构顶木垛的整体稳定性。

在6m长的冒顶区域，只有一个梁“支”，其他支架处于“护”，完全用采煤面的单一支架能够做到这样构顶工程的，目前也就是Ⅱ钢长梁对棚支架。

煤层上覆在雪白、坚硬的岩石上，这种雪白的岩石经地质人员认定为长石砂岩，属于煤层的老底。使用罗盘检测工作面倾角为27°。这是因为断层的运动，使煤系地层突变，层状页岩和泥岩缺失，出现雪白颜色的长石砂岩老底直接与煤层接触。

这个区域，煤层底板是雪白颜色的长石砂岩，煤岩强度完全不受工作面浸水的影响且十分坚硬，需要打眼放炮破底扫顶。这在三软不稳定煤层采煤面是千年不遇的场面。如图3随着断层破碎带变化，在60号标志棚附件这种雪白坚硬长石砂岩老底缺失，切眼又出现泥岩的煤层伪底岩石区域。为我们试验和比较Ⅱ钢对棚支架在采煤面异常地质条件下，研究受力分析和支护技术提供了可遇不可求的现场试验条件。

图4是在坚硬底板、煤层顶板的情况下，下梁中柱第107～81号支架，早8点班载荷柱均为6.5MPa。变化范围为10.5MPa-0.5MPa。

图4是在坚硬底板、煤层顶板的情况下，下梁中柱第80一37号支架，早8点班载荷柱均为2.0MPa，变化范围为6.0MPa-0.OMPa。

鉴于坚硬底板不会存在因支柱钻底而降低工作阻力的情况，我们深入试验了该区域Ⅱ钢对棚支架合理的工作阻力：请试验工人对中柱二次加压，加压到梁上的煤层大量掉落，或者贴帮柱出现松动，在顶板不能再挤压的情况下，二次实测中柱的工作阻力。试验表明：即使坚硬底板情况下，由于松软的煤层顶板的限制或支架结构的约束，只是个别工作阻力较低的支柱适当提高。支柱的平均值略有提高，其支柱工作阻力的最大值并没有提高。

综合以上研究分析：在复杂支护条件和异常地质环境下，Ⅱ钢对棚支架的工况和矿压显现有如下几点特征。

(1)Ⅱ钢对棚支架对全岩、半煤岩，全煤，薄煤层和厚煤层等复杂支护条件、异常地质环境工作面采煤。有比较好的适应性。

(2)Ⅱ钢对棚支架具有操作简单的特点，但人的操作因素对于支架工况影响突出，加强培训和管理不能忽视。试点工作面下梁中柱圆班载荷及其统计分析可见：全工作面下梁中柱载荷平均值，早8点班是午4点班的1.5倍、是晚0点班的1.4倍，超出圆班载荷最大值的平均值1 3％。

(3)对于圆班下梁中柱载荷的全工作面统计中，最大值与平均值、最小值的倍数是1.23、1.09。试点工作面下梁中柱圆班载荷及其统计的两组数据分析，对于安全生产中的工作面，把下梁中柱载荷圆班最大值，或者最大班的平均值，可以作为评价考核该采煤面支护水平的基础指标。

(4)在局部构顶和复杂支护条件下，处理好“支”与“护”的合理关系，能够充分发挥Ⅱ钢长梁对棚支架的特长。

(5)在工作面地质环境异常区域，顶板是影响Ⅱ钢对棚支架工作阻力的主观因素。

顶板煤岩比较稳定时(底板煤或岩没有水浸时)，支架工作阻力的大小比较稳定，出现工作阻力突降支架的应当从“病柱”和“懒柱”上找原因。

顶板破碎或者松软时，操作者会主动让压，又受支架结构的约束，人为降低了支架的支护刚度；因此，必须把梁下贴帮柱作为“支”并保持足够大的初撑力，后来柱成为“护”。

(6)在工作面地质环境异常区域，底板是影响Ⅱ钢对棚支架工作阻力的客观因素；

根据我们以往在该区域测试的资料显示：风化的浮煤极限比压是实体煤层极限比压的不足1／3；风化层浮煤的抗压入刚度是实体煤层的的约1／7；在工作面少量浸水后，直接底极限抗压强度会降低到当时的1／3，甚至更低。

本次测试的数据表明，在有水浸而变软的泥岩伪底，支架载荷最小值和平均值相比降低50％、支架最大载荷降低45％。因此。我们认为，风化及浸水的软煤岩底板抗压强度下降之大；但Ⅱ钢对棚支架的工作阻力下降程度则更大。

因此，控制好人工水源对底板的浸润，做好工作面来水的积聚和集排是提高支架工作阻力的首选方案。