三软煤层大采高工作面液压支架适应性分析

邹卫忠

(山西煤炭运销集团 宏安煤业有限公司,太原 030303)

三软煤层大采高工作面相比于普通工作面,其顶底板强度和煤体强度较低,在开采过程中易出现顶板失稳、煤壁片帮、支护体系失效等现象,尤其是随着采高的增加,受矿压和开采扰动更明显。支架作为采场的主要支护设备,是否满足采场支护要求是确保煤炭安全回采的关键,尽管在开采前已经从理论上对支架适应性进行了计算和分析,但在开采实践中却经常会遇到支架支护不良现象,导致安全事故的发生[1]。梨园矿21010工作面是矿井开采的首个综采工作面,开采煤层为山西组二1煤层,煤层均厚3.6 m,属于典型的三软厚煤层工作面,根据理论分析和借鉴相邻矿井经验,选用ZY4000-17/37型液压支架进行采场支护。为了更好地掌握该型支架现场支护效果,对ZY400-17/37型液压支架在三软煤层大采高工作面的适应性进行研究,以期为后续工作面开采提供设备选型经验。

1 工程概况

21010工作面位于矿井东一采区南部,工作面东部和南部为原地方私营小窑开采形成的采空区,西部为3条下山巷道,北部为正在掘进施工的21020工作面回风巷。工作面所采煤层为山西组二1煤层,煤层埋深580 m～620 m,平均595 m,煤层厚3.2 m～3.8 m,平均3.5 m,煤层倾角0°～12°,平均7.6°,煤层坚固性系数约0.18,煤体质软易碎。工作面设计走向长度和倾斜长度分别为962 m和120 m;伪顶为均厚0.15 m的炭质泥岩;直接顶为深灰色泥岩,节理裂隙发育;基本顶为灰黑色粉砂岩,偶见白云母片;直接底为灰色泥岩-砂质泥岩,遇水膨胀;基本顶为灰白色粗粒砂岩,致密坚硬。工作面采用“一进一回”式通风方式,两巷采用U36型钢棚支护,采场共布置ZY400-17/37型支架80台。

2 支架选型理论计算

为了掌握21010工作面采场顶板支护所需阻力情况,采用类比法和顶板来压时顶板载荷法来对采场所需阻力进行理论计算[2]。

2.1 类比法

采用工作面顶板延米阻力计算采场所需支护阻力,经验公式:

Rh=(410M+49Lf+460R-1660)×L.

(1)

式中:Rh为工作面采场顶板延米支护所需阻力,kN/架;Lf为工作面初次来压步距,根据相邻矿井开采经验,取18.5 m;R为支架最大控顶距,取4.3 m;M为工作面采高,取3.6 m;L为支架中心距,取1.5 m。

将上述各参数带入公式(1),计算可得Rh=3 990 kN/架<4 000 kN/架。

2.2 顶板来压时顶板载荷法

根据工作面岩性分析每台支架在顶板来压时的顶板载荷值来估算采场所需支护阻力,经验公式:

Q=KMFγ×9.8 .

(2)

式中:Q为采场顶板载荷,kN/架;K为岩石厚度系数,一般取5～8,根据21010工作面情况,取值6;M为工作面最大采高,3.7 m;F为支架顶梁面积,5.35 m2;γ为顶板岩石平均容重,取2.5 t/m3。

将上述参数代入公式(2),计算可得Q=2 910 kN<4 000 kN。

由上述两种方法计算21010工作面顶板支护所需阻力分别为3 990 kN和2 910 kN,均低于ZY4000-17/37型支架额定工作阻力,故理论认为该型支架能够满足现场支护需求。

3 支架现场支护分析

3.1 方案的确定

为了掌握21010工作面支架适应性,必须对回采期间支架的支护状态进行观测,具体方案是将工作面等间距划分3个测区,每个测区选2台支架作为观测对象,在支架上安装压力监测仪对支架工作阻力实时进行记录。同时,结合采场现场情况,确定3#、13#、27#、40#、54#、67#和78#支架作为研究对象，所测支架工作阻力特征参数如表1所示。将压力监测仪所记录的数据进行采集、汇总和分析,掌握支架的初撑力、最大工作阻力、平均工作阻力等变化情况,并辅以观测支架活柱下缩量、安全阀开启情况、煤壁片帮情况等来评判支架适应性[3-4]。

表1 21010工作面所测支架工作阻力特征参数Table 1 Characteristic parameters of working resistance measured in No.21010 working face

3.2 适应性分析

由支架工作阻力监测仪所记录的数据可知,工作面平均工作阻力2 395 kN,为额定工作阻力(4 000 kN)的59.9%,平均初撑力1 529 kN,为额定初撑力的(3 090 kN)的49.4%。根据统计数据还可知道,支架工作阻力主要分布在2 000 kN～3 000 kN范围内,约占统计数的42.3%,分布在1 000 kN～2 000 kN范围内,约占25.6%,分布在3 000 kN～4 000 kN范围内约占21.7%,超出4 000 kN的占0.1%,不足1 000 kN的占10.3%。观测期间对煤壁片帮和支架顶梁端头顶板冒漏情况进行统计分析,显示煤壁片帮随工作面推进始终伴随,但在顶板来压期间显著加剧,来压期间煤壁片帮率约为36%,片帮平均规格4.2 m×0.5 m×0.4 m(长×高×深),端头顶板冒漏不明显,遇构造带时偶见冒漏。观测期间,安全阀开启现象极少见,非来压和来压期间,支架活柱下缩量平均分别为4.5 mm和6.7 mm,整体下缩量不大。由此可知,所测支架整体支护阻力并不高,支架能够满足现场支护需求,鉴于其初撑力普遍较低,为确保顶板稳定和降低煤壁片帮,应有意识地提高支架初撑力。

4 结束语

研究支架适应性是确保顶板保持有效支护,工作面安全高效回采的关键。21010工作面属于典型三软煤层厚煤层工作面,其顶板条件较差,煤壁更易片帮,故对支架要求较高,通过理论计算和现场应用分析,认为ZY4000-17/37型支架能够满足现场支护需求,支架选型较为合理,但鉴于支架初撑力普遍较低和工作面片帮严重,顶板处于弱支护状态,不利于维护顶板和煤壁,故应有意识地提高支架初撑力,尤其是顶板来压时,要确保支架工作状态良好,才能有效预防顶板事故的发生。