特厚煤层综采工作面液压支架工作状态分析

席小斌 杨亚伟 钱国栋

（国电建投内蒙古能源有限公司察哈素煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017209）

1 概述

液压支架是综合机械化采煤工作面的主要设备之一，一次性投资占综采装备总资金的70%以上[1]。液压支架的工作状态是支架选型的依据，决定了支架能否适应特定煤层和顶底板赋存条件。对于6～20m的厚煤层[2]而言，由于采高的增加，支架工作阻力显著增大、稳定性降低，液压支架的工作状态更为复杂[3]。

国内众多学者针对特厚煤层开采条件下支架结构的优化设计[4]和适应性分析[5]以及开采工艺等开展了大量研究[6]。针对液压支架工作状态的研究是保障综采工作面安全、高效和连续生产的基础，目前的研究仍然相对不足。

本研究以察哈素煤矿特厚煤层开采为背景，对综采工作面支架工作状态进行分析，为合理的支架选型奠定基础，为综采工作面安全高效生产提供工程实践依据。

2 地质概况

2.1 煤层赋存情况

察哈素煤矿主采煤层厚度为0.3～7.45m，平均厚度4.28m。工作面煤层厚度5.65～6.40m，平均6.03m。煤层埋藏深度338～416m，煤层倾角为1～3°。顶板以上30m至底板以下20m范围内的岩石以深灰色砂质泥岩、粉砂岩为主，局部为中、细粒砂岩。各主要可采煤层直接顶底板岩石主要为深灰色砂质泥岩、泥岩和粉砂岩。

2.2 顶底板赋存情况

根据前期力学测试可得岩石的平均抗压强度多数在30MPa左右。煤层顶板岩石强度低，稳固性差，局部裂隙发育，易发生局部冒落现象。

煤层上方伪顶为厚0～0.80m的炭质泥岩、砂质泥岩、泥岩；直接顶为砂质泥岩、中粒砂岩、粗粒砂岩，厚度为1.67～8.30m，平均4.65m；基本顶为细粒砂岩、泥岩、砂质泥岩，厚度10.8～34.65m，平均18.99m；底板为泥岩、砂质泥岩，强度低，分层较多，遇水易泥化、膨胀，平均厚度1.35m。底板泥岩单轴抗压强度为11.38MPa，泥岩中含有伊利石、高岭石和伊蒙混层矿物成分，3种矿物成分分别为48%、39%和7%，具有明显的吸水膨胀性。

3 液压支架工作状态分析

3.1 支架工作阻力监测

工作面所用液压支架为ZY12000/28/63D型掩护式支架，额定工作阻力为12000kN，支护强度为1.29MPa，支架中心距为1750mm，立柱缸径为400mm，额定初撑力为31.4MPa（7916kN），作业规程规定的初撑力为25.2MPa（6333kN）。为了获得准确的液压支架工作状态，选取31307和31311两个特厚煤层综采工作面开展支架支护阻力监测。两工作面长度分别为228m和290.8m。通过在线监测，可获得连续生产条件下支架的工作阻力变化情况，以10#支架为例，如图1所示。

图1 工作面10#支架工作阻力连续监测

3.2 31307工作面支架工作状态分析

基于支架工作阻力监测数据，对31307工作面支架支护阻力数据进行统计，选取靠近工作面上下端头处支架2#和10#，104#和128#，以及工作面中部支架63#和72#，可获得支架的工作状态变化情况如图2所示。

图2 31307工作面不同区域支架工作阻力状态分布

由工作面不同位置支架工作阻力分布状态可知，工作面支架压力呈现典型的“中间大、两端小”分布趋势。工作面两端头支架工作阻力多分布在8000kN以下，其中上端头区域支架工作阻力在8000kN以下所占比重为81.2%，下端头区域支架工作阻力在8000kN以下所占比重为90%以上。工作面中部支架工作阻力以6000～7000kN为中心呈现较好的正态分布规律。其中，在88#支架处，工作阻力在10000～11000kN频率最多，达到10.7%，但所有支架工作阻力未出现超过11000kN的情况。

整体来看，31307工作面支架工作阻力相对较低，普遍在额定工作阻力以下，12000kN支架能够较好适应该工作面支护状态。

3.3 31311工作面支架工作状态分析

对31311工作面支架支护阻力汇总分析可得工作面不同位置支架工作阻力状态如图3所示。

图3 工作面不同区域支架工作阻力状态分布

由31311工作面不同位置支架工作阻力分布状态可知，与31307工作面类似，工作面两端头支架工作阻力多分布在8000kN以下，其中上端头区域支架工作阻力在8000kN以下所占比重为78%，下端头区域支架工作阻力在8000kN以下所占比重为72%。工作面中部支架工作阻力偏高，其中在11000kN以上所占比例为在84#支架处达到19.46%。在连续支护过程中，工作面中部支架普遍出现超过12000kN额定支护阻力的情况，导致安全阀开启，特别是在84#支架处，该种情况所占比例达到1.67%。

因此，当工作面倾向长度由228m扩展至290.8m时，工作面来压强度明显增大，虽然正常回采期间，支架支护强度可满足顶板支护要求，但从工作面中部支架工作阻力分布状态可知，其支架支护强度富裕系数较小。

4 结论

通过对察哈素煤矿特厚煤层综采工作面支架工作阻力的连续观测，在工作面倾斜长度变化条件下，获得了液压支架在不同区段工作阻力所占比例。结果显示工作面支架压力呈现中部大两端小的变化趋势，工作面两端头支架工作阻力多在8000kN以下；当工作面长度较小时，支架工作阻力以6000～7000kN为中心呈现正态分布；工作面长度的增加，支架峰值支护阻力普遍接近或超过额定工作阻力，导致安全阀开启，支架工作阻力富裕系数明显降低。