元堡矿综放工作面液压支架使用情况及适应性能研究

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(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

元堡矿综放工作面液压支架使用情况及适应性能研究

王恩鹏，马端志，王彪谋

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

运用KJ327型矿山压力监测系统、尤洛卡和压力表3种设备，联合监测元堡煤矿综放工作面直接顶初次来压、基本顶初次来压和第1次周期来压过程中矿压显现数据，分析不同工况下压力显现特点，结合液压支架的具体结构，分析工作面开采过程中液压支架与外载大小及作用位置，结果表明元堡煤矿液压支架所承受载荷范围为6550～13110kN，合力位置距煤壁3501～5108mm，能够满足工作面支护的需要。

液压支架；矿压显现；顶梁外载；围岩

采场液压支架与围岩是一对相互作用的统一体[1]，液压支架结构及性能要适应回采工作面围岩的运动规律。同时液压支架的支撑力分布合适，护顶装置可靠，才能维护好顶板以保证矿工的安全与生产的正常进行[2-3]。许多学者研究了综放采场不同顶板结构下支架力源与支架载荷的定量关系[4-5]、采场支架载荷力学机理[6-7]、采场支架与围岩耦合作用关系[8]、国内综放开采支架阻力特点[9]、利用微震监测综放面支架围岩关系[10]以及根据整个工作面的压力分布情况验证支架的支护质量[11]。目前对于液压支架支护性能分析与研究一般都是根据液压支架自身力学性能，分析其合力大小及作用位置，并根据液压支架在不同高度下合力的理想值分析其支护强度[12]，没有充分利用矿压观测数据分析支架与围岩的耦合关系。

工作面矿压监测主要通过监测液压支架立柱下腔压力值，总结工作面的矿压显现规律，校核液压支架支撑能力[13-14]。不同液压支架立柱布置位置不同，支架与顶板合力作用位置间的关系不同，所监测的矿压值也有区别，将支架与围岩耦合关系的研究用于液压支架设计，可改进支架的力学性能和支护效果[15]。根据元堡煤矿观测的立柱压力值，结合该矿使用的液压支架分析其支护性能以及对该地质条件的适应性，对该矿综采面支护设备的改进具有一定的指导意义，为类似煤层综放工作面支护设备选型提供参考。

1 地质条件及液压支架参数

1.1 地质条件

元堡矿区9号煤层位于太原组中部，埋深159.90～340.27m，底板标高1085.03～1259.66m。煤层厚度3.99～19.10m，平均厚度12.91m。伪顶为0～0.4m厚的黑色泥岩及炭质泥岩，直接顶为0～5m厚的褐色、土黄色泥岩，基本顶为30～87m厚的浅黄、灰白色含砾粗砂岩；伪底为0～0.7m厚的浅灰色泥岩，直接底为2～4m厚的硬度较大的灰白色细砂岩，基本底为灰白色细砂岩。煤层结构复杂，含2～7层夹矸，夹矸厚度0.2～0.9m。

1.2 液压支架主要参数

元堡矿区9号煤层使用液压支架型号为ZF13000/26/40型放顶煤液压支架，支架结构如图1所示，主要技术参数见表1。

图1 ZF13000/26/40型放顶煤液压支架三维实体模型

参数名称参数架型四柱支撑掩护式低位放顶煤支架型号ZF13000/26/40结构高度/mm2600～4000宽度/mm1660～1860中心距/mm1750初撑力/kN10128工作阻力/kN13000(P=40.43MPa)支护强度/MPa1.21～1.23

2 综放工作面矿压监测数据

元堡矿综放面于2011年6月1日开始生产，矿压观察结果表明工作面两端压力显现程度低于中部。为此，本文着重分析尤洛卡设备所观测有代表性的43号支架矿压显现数据，并列举29号和57号支架的矿压观测数据。

2.1 工作面矿压监测方案

元堡煤矿综放面采用KJ327型矿山压力监测系统、尤洛卡和压力表3种设备联合监测液压支架立柱下腔压力值。其中KJ327型矿山压力监测系统安置3台主站共9个监测点，分别对应工作面中部和两端，每台主站间隔5台支架安置1个监测点；尤洛卡则以中部55号架为中心，共设5个监测点；压力表则为每台支架安装2个压力表，分别对应前柱与后柱的压力值，测点布置对应工作面支架号如图2所示。

图2 支架压力监测点布置

2.2 43号支架矿压观测数据分析

2.2.1 直接顶初次来压数据

6月14日早班，工作面机头侧推进23.4m、机尾侧推进21.4m时，工作面压力开始增大。截止6月16日早班，工作面机头侧已推进24.2m、机尾侧推进22.2m时，压力减小。43号支架来压期间矿压监测数据如图3所示，液压支架前柱压力变化范围约为13～39.76MPa，后柱压力变化范围约为0～30.82MPa，前后立柱压力值长期差距较大。

图3 直接顶初次来压矿压数据

2.2.2 基本顶初次来压数据

6月29日工作面机头侧推进42.1m、机尾侧推进42.1m，中部支架出现压力急剧增大。截止到7月7日早班，机头侧推进49.4m、机尾侧推进50.8m时，压力减小，该次压力为中部基本顶初次来压，43号支架来压期间矿压监测数据如图4所示。来压期间前柱压力变化范围约为0～39.56MPa，平均为32MPa；后柱压力变化范围约为0～39.06MPa，平均为31MPa。前后立柱压力值在部分时间内差距较大，在大部分时间内趋于一致。

2.2.3 第1次周期来压数据

7月13日，工作面机头侧推进52.1m、机尾侧推进55m时，机头部分支架压力急剧增大。截止7月22日早班，工作面机头侧推进59.4m、机尾侧推进62.8m，压力减小，该次压力为机头基本顶第1次周期来压，43号支架来压期间矿压监测数据如图5所示。

从图5可以得知，前柱压力变化范围约为5～40.24MPa，最大达40.24MPa；后柱压力变化范围约为23～40.43MPa，最大为40.43MPa。大部分时间前后立柱压力值趋势一致，部分时间内差距较大。

图4 基本顶来压矿压数据

图5 第1次周期来压矿压观测数据

2.3 液压支架承载特点分析

2.3.1 矿压观测数据

液压支架承载能力与液压支架前后立柱压力值和压力值差额关系密切，43号支架矿压观测数据分析结果如表2所示，29号和57号支架矿压观测数据见表3。

表2 43号液压支架立柱压力显现情况 MPa

表3 29号和57号支架矿压观测数据 MPa

2.3.1 元堡煤矿液压支架承载特点

从工作面观测数据可以看出液压支架立柱压力变化范围很大，存在以下特点：

(1)直接顶初次来压过程液压支架前立柱所受压力大，部分安全阀达到了开启压力值，后立柱压力小，几乎为0MPa。

(2)基本顶初次来压过程液压支架前后立柱压力值都变大，安全阀接近开启压力值，个别时间段前立柱压力变小，几乎为0MPa。

(3)周期来压过程液压支架前、后立柱压力值变化趋势基本一致，数值较大，接近安全阀开启压力值。

液压支架在整个生产过程中安全阀开启率不高， 液压支架没有出现顶梁“低头”或 “拔后柱”等失稳现象，说明该液压支架支护能力能够满足该工作面安全生产支护需求。

3 液压支架外载合力与其作用位置

3.1 液压支架适应外载能力分析

运用参考文献[12]中的相关公式计算立柱承受压力值为0和6500kN 2个极限工况下液压支架支撑能力，并绘制3500mm采高时液压支架外载合力作用位置和外载合力关系曲线图。如图6所示，ZF13000/26/40型放顶煤液压支架所能承受外载合力作用位置为距离煤壁3501～5108mm，外载合力最大值范围为6550～13110kN。当外载合力值与合力位置关系在图中阴影范围内时液压支架能够通过自身的调节满足支护的需求，当外载合力在特定作用位置处超出该曲线时，液压支架将出现“拔后柱”或“低头” 失稳现象。

图6 外载合力作用位置和外载合力关系曲线

3.2 工作面外载合力作用大概位置

液压支架所使用的立柱为φ320mm，根据公式F=2Pπr2计算出支架前、后排立柱的支护力，其中P为立柱压力值，MPa；r为立柱半径，mm。

将液压支架立柱2个极限压力值代入参考文献[12]中的相关公式，计算出不同工况下支架所承受的合力值与其对应的合力位置指合力距煤壁的距离，关系如表4所示。

表4 液压支架外载合力及作用位置

由表4可知：前后排立柱压力差额越小，液压支架所承受外载合力越接近支架自身最佳合力作用位置，即4306mm位置；前后排立柱压力差额越大，外载合力作用位置偏离支架最佳合力位置越远；初次来压工况前外载作用位置靠近煤壁侧，液压支架前、后排立柱压力变化比较大，外载位置变化比较大；基本顶来压工况外载位置向采空区方向移动，液压支架后排立柱压力增大幅度比较大；周期来压工况时大部分时间前后立柱受力趋势趋于一致，外载作用位置基本在液压支架最佳合力作用点附近变化；非来压工况下支架外载位置在支架合力作用点附近变化。

4 结束语

液压支架与其围岩的相互作用关系不仅与液压支架支撑力有关，与载荷作用位置关系也很大。综放工作面支架载荷作用位置变化范围大，分析放顶煤支架与围岩作用关系应从4个方面考虑：

(1)液压支架状态是否存在失稳工况。

(2)周期来压工况下前后排立柱压力值的差值。

(3)前后排立柱压力值是否超过初撑压力值。

(4)液压支架立柱安全阀开启情况。

通过对元堡煤矿首采工作面矿压观测数据分析，认为液压支架性能与围岩载荷基本吻合，能够满足工作面开采支护的需要。

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[责任编辑：徐亚军]

Usage Condition and Adaptability of Powered Support in Full-mechanized CavingMining Face of Yuanbao Colliery

WANG En-peng, MA Duan-zhi, WANG Biao-mou

(Coal Mining & Designing Department, Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China)

Applying KJ327, UROICA and pressure gage to monitoring pressure data in the process of immediate roof first caving, basic roof first weighting and 1stperiodical weighting in full-mechanized caving mining face of Yuanbao Colliery.Underground pressure behavior characteristic under different working states was analyzed.External load magnitude and action location of powered support in mining was analyzed.Result showed that load range bear by powered support was 6550-13110kN in Yuanbao Colliery, the distance between resultant force position and coal wall was 3501-5108mm, which could meet supporting requirement of mining face.

powered support; underground pressure behavior; external load of roof beam; surrounding rock

2014-06-21

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.06.004

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2012AA06A407)

王恩鹏(1961-)，男，辽宁海城人，研究员，硕士生导师，天地科技股份有限公司开采设计事业部党总支书记、副总经理，从事综采工作面液压支架设计及配套研究工作、市场开发和科技经营、示范工程项目管理等工作。

王恩鹏，马端志，王彪谋.元堡矿综放工作面液压支架使用情况及适应性能研究[J].煤矿开采，2014，19(6)：17-20.

TD355.4

A

1006-6225(2014)06-0017-04