邻近煤层并行开采液压支架适应性研究

高 宏

(同煤集团煤峪口矿)

邻近煤层并行开采液压支架适应性研究

高 宏

(同煤集团煤峪口矿)

为了探究1105工作面所采用的ZY4000/18/41型支架的适应性问题，在工作面设置3个测站，采用KJ216/KJ653型煤矿液压支架监控系统测定液压支架工作阻力，通过对实测数据的整理，分析了初撑力情况、支架的阻力特征、末阻力分布特点。结果表明，由于泵压初撑力达标率不高，后期支架以一次增阻为主，末阻力非常接近额定阻力，支架多为被动承载，维护成本大。回采过程中，应适当延长1005工作面和1105工作面前后错距以防止1105工作面煤壁偏帮及支架受压。

邻近煤层 并行开采 液压支架 工作阻力

并行开采期间，如果上层和下层工作面错距过小，上煤层顶板倾斜下沉角则较大，下煤层工作面煤壁及支架将会承担较大覆岩重量，下层工作面煤壁片帮率高，支架受压严重。上下层工作面合理错距的选择是防范下层煤支架被压死甚至折断的关键[1]。某矿主采10#、11#煤，相距2.3 m，并行开采，回采过程中位于底部的1105工作面支架安全阀开启率大，煤壁片帮率高，有压架危险。所以，上下邻近10#、11#煤合理错距之内并行开采时液压支架是否满足要求格外重要。

1 工作面概况

主采11#煤1105工作面走向长1 500 m，倾向长120 m，11#煤上方的10#煤1005工作面走向长1 400 m，倾向长130 m。主采11#煤1105工作面滞后回采，1005工作面超前1105工作面回采走向距离为20 m，两端回采线与停采线错距为11 m。顶底板岩层分布情况见表1，所用ZY4000/18/41型支架参数见表2。工作面具体布置见图1。

表1 ZY4000/18/41型支架参数

表2 工作面顶底板岩层分布

图1 两工作面布置示意

2 观测布置

在工作面建立3个测站,采用KJ216/KJ653型煤矿液压支架监控系统测定工作阻力，支架推进过程中，支架工作阻力值每5 min被连续自动记录在监控系统主机。7#、8#、9#架为1#测站，38#、39#、40#架为2#测站，70#、71#、72#架为3#测站(图2)。各个测站在支架前后立柱布置压力和倾角传感器，记录支架柱工作压力。断电情况下能保持2 h正常监测，整个矿压监测时长共40 d[2]。

图2 测站布置示意

3 支架的适应性分析

3.1 支架监控系统数据处理

为了更为直观地分析工作面支架的运转状况，将KJ216/KJ653型煤矿液压支架监控系统采集的数据按照0～10 MPa、10～20 MPa、20～25 MPa、25～30 MPa、30～35MPa、35～40 MPa、大于40 MPa整理绘制成图。

3.2 支架工作阻力分布情况

液压支架工作阻力是指液压支架承压时所受的末阻力。支架的初撑力是指在泵站工作压力作用下，支架全部立柱升起，顶梁与顶板接紧时支架对顶板的支撑力。

图3为工作面1#～3#测站工作阻力分布图。可知，工作面ZY4000/18/41型支架工作阻力集中分布在35～40 MPa，相对支架额定工作阻力而言，其所受外来阻力比较大。2#和3#测站有将近40%和48%的统计数据表明支架工作阻力大于35 MPa，支架工作阻力长时间维持在额定阻力下缘；1#和3#测站部分时间内工作阻力大于40 MPa，接近额定阻力极限状态，这对于支架后期维护和使用寿命非常不利。

图3 工作面1#～3#测站工作阻力分布

1#～3#测站平均工作阻力统计分别为31.3，28.5，31.5 MPa，为相对应额定工作阻力76.6%，69.8%，77.1%，工作面整体支架的富裕量不大，长时间都处于额定阻力下限运行，属于高负荷运转状态。

3.3 支架初撑力及末阻力运转特性

支架初撑力分布情况见图4。设计初撑力为31.5 MPa，初撑力规定值为24 MPa，实际工作中达到规定值的比例分别为42.2%，32.2%，45.9%。初撑力大部分分布在20～30 MPa，分布状态呈抛物线。1#、2#、3#测站平均初撑力依次为21.5，18.5，21.7 MPa，占设计初撑力的68.3%，58.7%，68.9%。综合分析ZY4000/18/41型支架需要加强对初撑力的管理，泵站加压要达标。

图4 1#～3#测站初撑力分布

图5为支架末阻力分布。1#、3#测站支架实际工作阻力超过40 MPa的统计数据达到46.5%和24.6%，表明实际生产中支架末阻力偏高，这对顶板控制非常不利。2#测站阻力超过40 MPa的数据仅占统计数据总量的7.5%，主要是由于2#测站支架初撑力相对较小。

图5 1#～3#测站末阻力分布

图6为ZY4000/18/41型支架初撑力和末阻力关系图，可以发现，支架末阻力与初撑力成正比例关系，末阻力分布集中区为40 MPa附近。

图6 1#～3#测站初撑力和末阻力关系

实际工作中支架阻力调整基本为一次增阻，二次增阻及多次增阻频率非常小，支架经过泵站加压达到初撑力后，阻力一直处于不停增长的状态，直至达到设定的安全阀开启值。这种增阻状态对于支架与顶板围岩的控制非常不利，没有很好地发挥支架的性能[3]。

3.4 支架安全阀开启情况

ZY4000/18/41型支架安全阀开启值设置为40 MPa，工作阻力随工作面顶板位移的下沉不断增加，最终安全阀开启达到支架恒阻承载。在工作面观测期间每个测站均有安全阀开启漏液的状况。当停采时或顶板老顶断裂时，支架恒阻段持续时间会延长。图7为ZY4000/18/41型支架承载恒阻段比例及安全阀开启率。可知，1#测站7#架的安全阀开启次数较多，支架阻力恒阻时期长，主要因为1#测站7#架泵压初撑力达标率高，支架能够在较短时间内进入恒阻时期。安全阀在顶板来压或停采时，开启率比较高[4]。在采煤过程中发现2#测站39#架安全阀开启值小于额定值，估计是配件损坏导致油表故障，统计数据可忽略。综合分析来看，各测站支架的恒阻阶段比例较高，观测期间支架在较长的时期内处于顶板的被动受压状态[5]。

图7 ZY4000/18/41型支架恒阻段比例及安全阀开启率

3.5 支架错距合理性分析

根据支架错距计算公式[2]

(1)

式中，H为煤层间距，取2.3 m；δ为岩石移动角，坚硬岩石取65°,软弱岩石取50°；L为安全距离，考虑上层工作面顶板冒落稳定及上下煤层工作面推进速度不均衡，取20 m；b为上部煤层采煤工作面的最大控顶距，取6.2 m。

计算得出支架错距Xmin=30 m。

在回采过程中，由于1005和1105工作面实际错距只有20 m，使得顶板倾斜下沉角过大，10#煤层采空区承担的上覆岩层压力转移到1105工作面煤壁及支架。所以实际生产中要适当延长1005和1105工作面前后错距，防止1105工作面煤壁偏帮及支架受压。

4 结 语

ZY4000/18/41型液压支架3个测站平均工作阻力为相对应额定工作阻力的76.6%、69.8%、77.1%，处于额定阻力下限运行，属高负荷运转状态；支架平均初撑力占设计初撑力的68.3%、58.7%、68.9%，支架大部分为一次增阻，二次增阻及多次增阻频率非常小，多为被动承载，需要加强对支架初撑力的管理；各测站支架的恒阻阶段比例较高，支架在较长的时期内处于顶板被动受压状态。根据理论计算得出最小错距为30 m，实际回采过程中，应适当延长1005和1105工作面前后错距。本文研究结果对于相同地质条件的类似邻近煤层开采有一定的指导意义。

[1] 查文华，宋新龙，计 平.坚硬顶板下极近距离煤层联合开采安全错距确定研究[J].安全与环境学报，2013，13(5)：187-190.

[2] 张 亮,查文华,宋新龙,等.极近距离煤层联合开采液压支架适应性分析[J].煤炭科学技术,2014(S2):103-106.

[3] 宋保胜.宝欣煤矿近距离薄煤层联合开采的矿压显现规律研究[D].北京：中国矿业大学,2016.

[4] 张 凯.风氧化带整体注浆加固后覆岩矿压规律研究[D].淮南：安徽理工大学,2016.

[5] 杨 敏.极近距离“三软”厚煤层分层连续开采下综采工作面矿压规律研究[D].淮南：安徽理工大学,2015.

2016-09-26)

高 宏(1983—)，男，工程师，037003 山西省大同市。