复杂条件综放开采液压支架初撑力分析及控制对策

刘海平　孟国胜

(1.大同煤矿集团有限责任公司；2.大同煤矿集团有限责任公司塔山煤矿)



复杂条件综放开采液压支架初撑力分析及控制对策

刘海平1孟国胜2

(1.大同煤矿集团有限责任公司；2.大同煤矿集团有限责任公司塔山煤矿)

摘要为了有效解决塔山矿8216综放面受断层构造严重影响且复杂条件下的液压支架初撑力不足问题，提升顶板管理水平，利用实测统计分析法总结得出初撑力基本变化规律：发挥程度不理想，合格率中部>头部>尾部，整体数值前柱大于后柱，后柱初撑力发挥程度不足50%；分析得出，推进慢、断层构造影响顶煤酥软超前冒落、工作面平整度差调整困难、推移拉条易变形及人为操作因素是导致初撑力不足的原因，结合实际提出加快推进速度以减少顶煤等压时间、破碎区注粘结材料、工作面调斜、提升操作水平、合理均匀放煤及改造支架拉条7条控制对策，采取对策后，提高了8216综放面初撑力合格率，大大提升顶板管理水平，为同类复杂条件下支架初撑力管理提供宝贵经验。

关键词复杂条件大采高综放面液压支架初撑力

塔山煤矿是同煤集团的龙头矿井，采用先进的大采高综放技术开采特厚煤层，是现代煤矿的典范。8216工作面是塔山井田二盘区的一个综放面，由于受口泉大断裂影响，工作面处于断层构造带，地质条件、顶板结构复杂，开采过程中发现8216面存在液压支架初撑力不足问题，有必要分析原因，提出有效的控制对策，避免顶板事故发生。

18216工作面概况

8216工作面位于塔山井田二盘区中部，倾向长230.5 m，2216巷走向长1 891.5 m,5216巷走向长1 913.2 m。工作面开采C3-5#煤层，煤层结构复杂，厚8.55～24.20 m，平均为13.14 m，煤层中含2～12层夹矸，平均厚1.66 m，夹矸单层厚度为0.05～0.82 m，煤层稳定。

工作面采用综采放顶煤一次采全高采煤法，ZF15000/27.5/42型低位放顶煤支架。采高为3.7 m，放煤高度为9.44 m，采放比为1∶2.55。循环进度为0.8 m，一刀一放，采用自然跨落法管理顶板。工作面回采受断层影响较大，地层属东南高、北西低的单斜构造，两顺槽巷在掘进过程中共揭露了正断层69条。2216巷748 m处、5216巷782 m处揭露火成岩墙，宽2.1～5.5 m。经探查工作面存在4个受断层影响的岩石区域，合计面积为13 981 m2。

8216工作面开采主要面临顶煤破碎严重、煤壁片帮严重及断层影响严重等问题。工作面切眼有台阶，头比尾高，落差为13 m，4#～40#基本平整，40#～70#低凹，70#～100#突凸出，100#～134#缓坡。

2初撑力实测分析

利用已配置的液压支架工作阻力人工观察监控系统进行初撑力实测[3]，通过对ZBD-60型光控数字综采支架测压表观测，得出初撑力变化情况，按平均5架一个测点测量，134个支架设27个点，由于实际测量过程中部分支架上方顶煤破碎、漏煤严重不能硬升支架，所以根据实际选取5#、10#、13#、17#、19#、23#、25#、30#、33#、43#、47#、53#、57#、60#、65#、70#、76#、82#、88#、93#、98#、103#、109#、113#、119#、123#、129#共27个点观测，按照升架初始，升架后2，10，20，30 min5个不同时间测5组数据，读数大于规程规定的25 MPa代表合格，对观测的数据进行比对,得出初撑力的增减变化情况，同时利用卷尺对支架立柱伸缩杆高度进行观测，以8月21日数据(表1)为例进行分析说明。

MPa

注：+代表增加，-代表降低。对表1数据综合分析，可得出8216工作面支架初撑力的基本变化规律：

(1)初始时间下，初撑力合格的有5#、17#、30#、53#、57#、60#、65#、70#、76#、82#、88#、93#、129#共13架，合格比例为48%(13/27)，整体偏低。从工作面整体来看，面长方向初撑力有差异，53#～93#即工作面中部初撑力合格率最高，5#～47#即工作面头部初撑力合格率不高，98#～129#即初撑力工作面尾部初撑力合格率最低，可以看出初撑力合格率中部>头部>尾部。整体初撑力分布不均匀，34～0 MPa。

(2)整体合格率前柱大于后柱，23#、33#、47#、98#、109#、119#、123#共7架前柱初撑力合格，后柱不合格。工作面整体支架前柱初撑力合格比例为74%(20/27)，后柱初撑力合格比例为48%(13/27)。从同一支架前后柱初撑力比对可以发现，只有57#、60#、65#、70#、88#、93#共6架初撑力前柱比后柱低，其余21架初撑力前柱比后柱高，整体初撑力数值前柱大于后柱。

(3)从不同时间初撑力变化情况来看，变化范围为-25.9～+5.5 MPa。没有同一支架初撑力前后柱都增加的情况，都是降低，说明支架处于降阻状态。从增加的情况来看，共有5#前、17#前、43#前、53#前、93#前、129#前及98#后7个立柱，增加比例为13%(7/54)，偏低，且以前柱增加为多；从下降的情况来看，共有47个立柱，下降比例为87%，偏大，且整体都是下降，下降范围为-0.1～-25.9 MPa，10#、93#、109#、113#及123#下降量大，都超过-15 MPa，整体来看，下降以小于3 MPa为多，比例为68%(32/47)。中部53#～93#下降量小，大都小于3 MPa，头部5#～47#下降明显，尾部98#～129#最明显，下降量相对最大，从下降幅度来看，尾部>头部>中部，后柱大于前柱。

对于通过抽象得到的度量和度量单位，低年级的教学最好采用对应的方法，这不仅仅是因为十进制就是对应于人的十指，事实上，通过对应认识和理解事物的数量关系是最原始的，也最有效的方法，古埃及和古巴比伦最初的数学表达都是采用对应的方法，可以在一些图中发现这个事实[8]．正因为如此，在现代数学语言中，对应是一个不加定义的原始概念．

(4)从支架立柱伸缩杆高度来看，高度整体变化不大，有7根立柱伸缩杆高度降低0.01 m，占比例为13%(7/54)，且降幅不大。

(5)为判断相邻支架间初撑力相互影响情况，升相邻支架观测本架初撑力变化并比对，还以27个测点为观测点，如：升33#读一组数据，之后升34#再读33#得一组数据，得出变化规律。经分析多次观测数据可以发现，升邻架后本架初撑力下降，下降幅度尾部>头部>中部，后柱大于前柱，中部为0～3 MPa，头部下降明显，尾部下降最大，整体后柱下降比前柱明显。

总体来看，工作面支架初撑力发挥程度不理想，初撑力合格率中部>头部>尾部，中部好，尾部差。整体初撑力数值前柱大于后柱，后柱初撑力发挥程度不足50%。支架初撑力整体处于降阻状态，不能满足工作面顶板控制要求。

3支架初撑力不足原因综合分析

(1)工作面推进慢是造成初撑力整体不足的主要原因。8216工作面半个月累计推进30.5 m，日平均推进2 m，每班一两刀，最多移架2次，试生产设备调试开机率低，支架等压时间长，顶煤与围岩的变形及应力释放提前[3]，加大顶煤破碎程度，等压时间越长顶煤越破碎，支架上方顶煤垮落运移频繁，支架接顶变化大、不严实、不均匀，推进慢导致支架支撑一直处于烂顶破碎区，造成恶性循环，支架接顶状况差，初撑力发挥不好。

(2)受断层构造影响，顶煤酥软顶板破碎、超前冒落是造成支架后柱初撑力小、整架初撑力发挥不好的直接原因。8216工作面两顺槽巷在掘进过程中共揭露了正断层69条，面长方向4～8条，工作面处于断层构造带，结构复杂，层理裂隙发育，顶煤酥碎，顶煤破碎运移范围大，受采动影响顶煤提前破碎垮落，移架过程中顶煤从支架前、移架空隙及后摆梁摆动空隙提前溜下，升架过程中顶煤从支架间隙溜下，支架顶梁低头和架前顶煤主动和被动放出，导致支架顶梁接顶点至煤壁距离较大，支架和顶煤接触状态为点和线接触而非较理想的面接触[4]，支架接顶不充分、不均匀，破碎严重区支架难以接顶，初撑力发挥不好。由于断层造成顶板不完整，随采随跨，悬顶的普遍存在加重了对工作面支架的岩重作用，古塘无法形成悬梁，或相对岩梁较小[4]，压到支架的实际重量小，支架被压现象不明显，初撑力难以有效发挥。顶煤破碎，顶煤断裂冒落线在四柱支架的前后柱之间，导致后柱工作阻力下降明显。尾部顶煤破碎严重，导致尾部初撑力严重偏低。头尾受断层影响大，导致初撑力发挥中部>头部>尾部。

(3)工作面平整度差、调整困难是初撑力不均匀的重要原因。切眼有台阶，4#～40#基本平整，40#～70#低凹，70#～100#突凸出，100#～134#缓坡，工作面顶底平整度差，调整困难，支架接顶情况不一，初撑力不均匀，局部初撑力不足。头尾落差13 m，高差大，尾半部无法见底留底煤，底煤软，支架顶梁上松散顶煤多，底座下浮煤多，压力传递离散性大，支架不能有效吃力，初撑力发挥困难。

(4)支架自身缺陷影响工作推进，从而影响初撑力发挥。8216工作面采用机厂生产的ZF15000/27.5/42型支架，整体性能不好。该套支架抗侧滑性能差，推移拉条易变形，爬坡困难，遇工作面底板不平，特别是低凹段，支架易倾倒，难以正常受压，支架底座不平易压拉条，导致推溜困难，清煤及用小油缸推溜时间长，支架等压长，顶煤破碎溜煤严重，支架接顶不好，初撑力发挥不好。

(5)人为操作是初撑力发挥不好的关键原因。支架工业务素质低，升架多凭感觉操作，支架刚一接顶后即将操作手把回零，支架未经预紧停留阶段，达不到额定初撑力。工作面顶煤破碎严重，工人怕溜煤严重漏顶及压溜，不敢硬升支架，只能将相邻支架顶梁升平，导致顶梁难以严实接顶。为减小端面距，防止顶煤端面冒落量大，工作面需多段分组作业二次靠架，多人操作或多架同时操作，使支架立柱供液不均；为防止漏顶，支架推移快，升架及供液时间短，导致初撑力难以达标且不均匀。放煤工技术参次不齐，顶煤破碎放煤难控制，均匀放煤困难，后柱易放空，导致后柱初撑力偏低。

(6)该工作面采用4台BRW400/31.5DT型乳化液泵，经每天测量，乳化液浓度平均为4.6%，泵站实测压力为29.8～30.6 MPa，平均为30.2 MPa，基本不影响初撑力发挥。

4提升支架初撑力控制对策

(1)加快工作面推进速度。减少顶煤等压时间，使顶煤与围岩的变形、应力释放时间滞后；减少顶煤运移及松散破碎，减少端面顶板破坏高度及顶板下沉量；加快推进，快速甩掉烂顶破碎区，提高煤壁及顶煤稳定性，进而提高支架接顶均匀性、严密性。

(2)对于尾部顶煤破碎区域，可提前注粘结材料，提高顶煤整体性，采用调斜方式快速推进顶煤破碎区域，保证支架接顶严实；减少采煤机的一次进刀量，浅截快跑，提高截割速度，缩短生产循环时间[3]，减少顶板暴露面积和时间，有效控制端面破碎，使顶板压力显现均衡，提高支架接顶效果。

(3)提高操作水平，保证升架时间。加强培训，提高支架工及放煤工技能，正确操作支架。在移架升柱后，不要立即把升柱手把打回零位，保证供液时间，放煤工及推溜工复升支架，追机移架，加快支护速度，提高初撑力；采用带压擦顶移架，操作手把延时回零，发挥好支架前梁千斤顶，保持支架顶梁处于近水平状态，梁端略高于梁尾，防止向煤壁窜矸，提高煤壁及顶板完整性。

(4)加强现场管理，严格验收考核。加大工作面“三直两平两畅通”及初撑力的验收，细化验收标准，量化考核内容，通过合理控制采高、放煤均匀性及合理调斜，实现采放高标准融合，提高支架初撑力管理水平。

(5)根据实际及时调整放煤工艺，做到合理均匀放煤。顶煤稳定时，一采一放，顶板破碎时两采一放，甚至三采一放，严格执行见矸关窗放煤原则，必须按顺序均匀放煤及补放，严禁单点多放、单段过量放煤，控制每刀的放煤量，保证放煤均匀性；采用“采空区留条形间隔煤垛”技术，在工作面面长方向顶板压力重点区域实施采空区留煤垛，即割煤1～2刀间隔10个支架不放煤，相邻10个支架正常放煤，以此提高采空区充填率，减少顶板下沉量，防止支架后柱放空，提高支架初撑力。

(6)改进设备配套性能。对支架推移框架及拉条进行改造，满足工作面推溜及调整要求。

(7)提高立柱供液压力，保证供液系统稳定[5]。加强检修力度，减少液压系统的跑、冒、滴、漏、窜问题；及时更换乳化油、清洗液箱，确保乳化液质量；缩小泵站与工作面距离，整理供液管路，保证平直，减少压力损失；泵站系统可加设增压设备，尝试推移千斤顶增压，改良乳化液泵设计，提高泵站供液能力。

5结论

通过实测8216工作面支架初撑力，得出复杂条件下初撑力的5点变化规律，分析6点初撑力不足原因，结合实际得出7条有效控制对策。采取有效控制对策后，8216工作面初撑力合格率明显提高，据实测统计可达92%，顶板管理水平大大提升，有效遏制了顶板事故发生。同时，为塔山矿二盘区断层影响复杂条件工作面初撑力及顶板管理提供可借鉴经验。

参考文献

[1]黄靖龙．液压支架初撑力不足的原因及对策[J]．矿山压力与顶板管理，2002(6)：37-40．

[2]刘一新．综采工作面液压初撑力实测研究[J]．矿山压力与顶板管理，2006(6)：11-14．

[3]寇子明，沈立山，尹华茂．浅谈液压支架初撑力 [J]．煤矿机械，1995(14)：39-41．

[4]钱鸣高，刘听成．矿山压力及其控制[M]．北京：煤炭工业出版社，1991．

[5]白勇军．提高综采工作面液压支架初撑力对策研究[J]．煤，2008(3)：26-28．

(收稿日期2015-11-10)

刘海平(1970—)，男，副总工程师，高级工程师，037003 山西省大同市。