综采工作面液压支架初撑控顶效果影响因素与矿压特征研究

朱耀成

（阳煤集团天誉矿业投资有限责任公司，山西 忻州 034015）

1 工程概况

1201工作面位于张家窑南东方向，糜查咀的西部以及染峪近北方向，地面沟谷纵横，黄土覆盖，局部有岩石出露。工作面北西部为1202工作面，北东部为2号煤辅运大巷，南东部为1204工作面。采区地面标高为+1040～1150m，工作面标高为+1412～1522m，埋深372～423m，工作面走向长度为785m，倾向长度为180m。工作面所采2#煤层煤层厚度为4.40～6.25m，平均为 4.65m，倾角为 10°～15°，平均倾角为12°，可采储量为91.36万t。2号煤层结构较简单，含夹矸约1层，其老顶为粗砂岩，均厚27.73 m，局部发育砂质泥岩、粉砂岩的直接顶，均厚3.8m。底板为泥岩。工作面采用走向长壁法综合机械化采煤法，设计采高为4.65m，循环进度为0.8m，全部垮落法管理顶板，工作面安装101架ZY8000-26/56型液压支架，具体液压支架的参数见表1。

表1 1201工作面液压支架参数表

2 支架初撑力控顶效果影响因素

2.1 数值模型的建立及模拟过程

为了研究支架初撑力控顶效果的影响因素，本章采用UDEC软件进行数值模拟分析。模型根据该矿1201工作面地质情况建立，模型设置为300m×100m的矩形截面，煤层厚度为4.65m，底板厚度为8.5m，采深为390m，模型上方岩层厚度约为220m，上方岩体的平均容重25kN/m3时，上部岩层荷载为5.5MPa，模型如图1所示。

模型建立完后，选取支架初撑力Pc=5、10、15、20、25、30MPa几种条件下进行煤层模拟开采，支架额定工作阻力设置为P=31.5MPa，开采煤层全高4.65m，工作面控顶距取为4.95m，沿工作面方向每次推进5m，累计推进85m，对煤层开采过程中的支架下缩量进行监测。

图1 数值模拟模型图

2.2 支架刚度对支架初撑控顶效果的影响

在工作面与支架型号确定的情况下，液压支架刚度主要取决于立柱的密封性。支架在初撑和升压阶段处于密封状态，支架刚度不变；当顶板压力过大时，出于安全考虑，支架安全阀开启，此时立柱处于非密封状态，立柱内工作液回流，支架刚度小于初撑升压阶段[1]。

2.2.1 非来压期间支架初撑控顶效果对比

取距工作面开切眼20m处（即非来压阶段），支架在不同初撑力作用下活柱下缩量随时间的变化情况如图2所示。非来压期间的顶板并未受到大荷载扰动而处于相对稳定的状态，当支架工作于顶板给定变形阶段时，也就是虚线前之前的部分，不同初撑力条件下的活柱下缩量趋势几乎相同[2]；当支架已经将原本下沉的直接顶抬起时，也就是虚线前之后的部分，支架与上部顶板形成共同受力整体来承担上部岩体载荷，支架进入增阻升压阶段，较大初撑力的活柱下缩量增加幅度较小，也就是说较大的初撑力能够使顶板与支架更快的形成一个整体，因此在一定范围内增加初撑力，可以缩短支架与顶板形成稳定状态的时间。

图2 增阻阶段支架活柱下缩量随时间变化情况

2.2.2 来压期间支架初撑控顶效果对比

与非来压阶段不同，来压阶段支架不仅受到上部岩层载荷作用，还受到顶板在动压扰动下的冲击，此时支架受力显著增大。选择距工作面开切眼65m处（即来压阶段），支架在不同初撑力作用下活柱下缩量随时间变化情况如图3所示。当支架为顶板已形成的定量变形工作时，也就是虚线之前的增阻部分，不同初撑力条件下的活柱下缩量趋势基本相同；但当顶板来压过大时安全阀开启，立柱内工作液回流，导致支架整体刚度下降各初撑力下的支柱下缩量都显著增加，并且初撑力越大的支架支柱的下缩量也越大。因此，初撑力较大的支架，在顶板承受较大载荷时会使安全阀较早打开，增加了安全阀的开启频率，导致了支架整体刚度的下降，不利于支架对顶板的控制作用。

图3 恒阻阶段支架活柱下缩量随时间变化情况

2.3 直接顶强度对支架初撑控顶效果的影响

上一节已经分析了不同顶板压力情况下支架初撑的控顶效果，查阅相关资料可知，直接顶的岩性和厚度也对支架初撑控顶效果影响显著，由于在实际的地质条件下，煤层的直接顶并不是稳定不变的单一岩体，而是随着开采工作面的推进发生一定程度的改变[3]。本章根据1201工作面建立模型，查阅相关地质资料可知，所采2号煤层结构较简单，其老顶为粗砂岩，局部发育砂质泥岩、粉砂岩的直接顶，均厚3.8m。因此，本节主要研究直接顶为粗砂岩、砂质泥岩、粉砂岩三种岩性的情况，通过支架初撑力与活柱下缩量的关系对支架的初撑控顶效果进行分析。

图4 直接顶岩性变化对合理初撑支护强度的影响

查阅相关资料可知，不同岩性的直接顶强度不同，强度大小的顺序为：粗砂岩＞粉砂岩＞砂质泥岩[4]。由图4（a）可以看出，非来压期间，砂质泥岩的合理初撑支护强度为≥807.3kPa，粉砂岩的合理初撑支护强度为≥813.5kPa，粗砂岩的合理初撑支护强度为≥831.1kPa。支架的合理初撑强度随着直接顶强度的增加变化较小，不过直接顶岩性的增加，会使支架后方产生一定长度的悬梁，所以随着悬梁长度的增加，支架的初撑强度也会增大。因此，为保证不同直接顶在非来压期间的支架初撑控顶效果，支架的合理初撑支护强度应该≥831.1kPa。

由图4（b）可以看出，来压期间，砂质泥岩的合理初撑支护强度为≥542kPa，粉砂岩的合理初撑支护强度为≥512.4kPa，粗砂岩的合理初撑支护强度为≥502.8kPa。因为直接顶受到的荷载加大，从而支架受力增加。为了使支架更好的为增阻阶段工作，随着直接顶强度的增大，支架的合理初撑强度将减小。因此，为保证不同直接顶在来压期间的支架初撑控顶效果，支架的合理初撑支护强度应该≥542kPa。

3 矿压实测数据分析

上一节通过数值模拟，研究了支架刚度和直接顶强度对支架初撑控顶效果的影响。为了对1201工作面支架初撑力进行监测，在工作面布置五个测区，每个监测区域提取一个支架的初撑力进行分析[5]，分别为11#支架、33#支架、55#支架、77#支架、99#支架，支架初撑力的观测方案如图5所示。因工作面泵站最大工作压力为31.5MPa，所以将初撑力频率分布为6个范围，支架初撑力在15d内的频率分布见表1。

图5 1204工作面观测方案

表1 支架初撑力频率分布表

由表1可知，初撑力的分布并不均匀，主要分布在20～30MPa区间，其中20MPa以上区间占到总数的50%以上。由此看出，在煤层回采过程中，支架的初撑力在20MPa以下区间分布较少，多集中在20MPa以上区间。而支架的额定初撑力为31.5MPa，实际的支架初撑力只有10%左右达到了额定初撑力，因此，大部分支架升柱初撑操作还要由工人手动控制支架完成。

4 结论

1）通过六组不同支架刚度下的数值模拟得出，非来压期间增大支架初撑力，可以缩短支架与顶板形成平衡状态的时间，提高顶板稳定性；来压期间增大支架初撑力，支架工作液回流致使安全阀频繁开启，支架的整体刚度将有所降低，不利于支架对顶板的控制。

2）通过对三组不同岩性直接顶的数值模拟得出，非来压期间，当工作面直接顶由强度较小的砂质泥岩顶板向强度较大的粗砂岩顶板过渡时，支架的合理初撑支护强度应增大约20 kPa；来压期间，当工作面直接顶由砂质泥岩顶板向粗砂岩顶板过渡时，支架的合理初撑支护强度应减小40kPa左右。

3）通过对矿压实测分析得出，1201工作面回采期间支架初撑力虽然在各个区间都有分布，但主要集中在20MPa以上区间。并且工作面自动化程度较低，未达到额定初撑力的支架仍需要人工操作。