孟小軍

(晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河礦,山西晉城 048000)

ZY12000/28/62D型掩護(hù)式支架適應(yīng)性試驗(yàn)研究

孟小軍

(晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河礦,山西晉城 048000)

通過對晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河礦 4301綜采工作面礦山壓力顯現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析,進(jìn)一步掌握了大采高 (6m)、超長工作面 (300m)綜采礦壓規(guī)律、上覆煤巖層運(yùn)移規(guī)律以及支架 -圍巖相互作用特點(diǎn),分析評價了 ZY12000/28/62D型掩護(hù)式支架對 3號煤層的適應(yīng)性及其特點(diǎn),為地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡單、大采高超長工作面開采配套裝備的選型提供了依據(jù)。

液壓支架;大采高;超長工作面

Adaptability Test of ZY1200/28/62D Shield Powered Support

綜采工作面長度的加大,不僅能提高工作面單產(chǎn)、方便巷道布置、簡化生產(chǎn)系統(tǒng)、有利于礦井高度集中生產(chǎn),而且能提高礦井資源采出率,并有利于地表建筑物的保護(hù)。晉煤集團(tuán)寺河礦瓦斯含量高,大采高工作面采用三進(jìn)兩回的布置方式,兩個工作面之間需要留 50m左右的煤柱,煤炭損失嚴(yán)重,若增大工作面長度,可進(jìn)一步提高資源采出率,保障礦井抽掘采銜接平衡,確保礦井安全高效。因此,研究適合大采高加長工作面條件煤層開采的架型和配套裝備,掌握其礦壓規(guī)律、上覆煤巖層運(yùn)移規(guī)律以及支架 -圍巖相互作用特點(diǎn),積累 3號煤層在回采工藝、勞動組織、頂板控制等方面的開采技術(shù)經(jīng)驗(yàn),對提高礦井資源采出率,延長礦井的服務(wù)年限,有著非常重要的經(jīng)濟(jì)和社會意義。

1 ZY12000/28/62D型掩護(hù)式支架工業(yè)性試驗(yàn)

1.1 開采地質(zhì)條件

4301工作面井上位于東山村東南,小東山風(fēng)井場地東北。井下西為東四輔撤運(yùn)輸巷 (已掘),北為 4302工作面 (正掘),南為 3306工作面 (已采),東為 DF1大斷層 (為礦界)。

煤層底板標(biāo)高 488～624m,地面標(biāo)高 780～1104m。工作面所采煤層煤厚平均 6.30m,煤層傾角為 1～14°,平均 5°。煤體呈條帶狀結(jié)構(gòu),中部夾 0.2m厚泥巖,密度 1.46t/m3,堅固性系數(shù) f=1～2,上覆巖層厚度 292～480m。

本工作面直接頂為砂質(zhì)泥巖,層理發(fā)育,層厚2.43m。基本頂為中粒砂巖,堅硬,層厚 7.10m。偽頂為炭質(zhì)泥巖,隨采掘脫落,層厚 0.20m。直接底為砂質(zhì)泥巖,中夾薄層細(xì)砂巖,層厚 2.80m。老底為泥巖,局部夾薄層狀砂泥巖、粉砂巖,層厚7.52m。

本工作面總體為西低東高的單斜構(gòu)造,在此基礎(chǔ)上發(fā)育了一系列中小型褶曲 (從西向東依次為背斜、向斜),背斜、向斜造成煤層底板較大的波狀起伏,回采至 1500～2000m時,工作面西北部煤層底板坡度達(dá)到 9～14°。

水文地質(zhì)條件較簡單,回采中涌水來源主要為3號煤層上覆砂巖裂隙水,此含水層主要以靜水量為主,該裂隙水將隨著頂板垮落而滲入工作面;涌水量正常為 0.08m3/min,最大為 0.17m3/min。工作面回采時瓦斯絕對涌出量 60m3/min。

工作面走向長 2353.53m,傾斜長 300m,設(shè)計采高為 6.0m。采用走向長壁大采高綜合機(jī)械化采煤方法,全部垮落法控制頂板。最大控頂距5.535m,最小控頂距 4.670m;循環(huán)進(jìn)度 0.865m。

1.2 設(shè)備配套

液壓支架采用電液控制技術(shù),可實(shí)現(xiàn)成組快速移架,并可通過采煤機(jī)上紅外發(fā)射與支架上紅外接收,實(shí)現(xiàn)與采煤機(jī)聯(lián)動。采煤機(jī)采用德國 SL-500型交流電牽引采煤機(jī);工作面刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)從美國引進(jìn);可伸縮膠帶輸送機(jī)帶寬1.4m,帶速 3.5m/s;工作面裝備有“三機(jī)”PROMOS監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、乳化液泵站的 PROMOS監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)和巷道膠帶機(jī)的監(jiān)測監(jiān)控 PROMOS保護(hù)系統(tǒng)。

支架主要技術(shù)參數(shù)：高度 2.8～6.2m,寬度1660～1860mm,中心距 1750mm;支護(hù)強(qiáng)度 1.36～1.4MPa,支護(hù)初撐力 7917kN,支護(hù)工作阻力12000kN;支架對底板比壓 2.8～2.86MPa。

2 礦壓觀測

2.1 支架工作阻力在線監(jiān)測

為了保障 4301工作面的安全開采,深入分析加長工作面礦山壓力規(guī)律,考察支架工作性能,4301工作面共計安裝 42臺在線監(jiān)控分機(jī),10臺電腦圓圖儀。

2.2 觀測結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.2.1 頂板來壓

4301工作面推進(jìn) 17.7m時,直接頂開始垮落,推進(jìn)至 22.3m時,工作面直接頂基本全部垮落。直接頂垮落時支架增阻明顯。直接頂垮落動載系數(shù)1.28～1.34,平均值 1.31。基本頂初次來壓步距在 37.2m左右。

實(shí)測的 20個支架基本頂來壓之后,端頭支架最大工作阻力為 6000～8000kN,工作面中部為8000～10000kN,少數(shù)支架超過或接近 12000kN。圖 1為 109號支架初采期間工作阻力變化規(guī)律。

圖1 109號支架基本頂初次來壓時工作阻力

從支架壓力的在線監(jiān)測和井下實(shí)際觀測表明,工作面加長后基本頂來壓強(qiáng)度增大,步距縮短,工作面來壓不同步現(xiàn)象明顯,工作面中部初次來壓步距較工作面兩端頭小,來壓強(qiáng)度較兩端頭大。圖 2為工作面初次來壓期間支架最大工作阻力統(tǒng)計。

圖2 基本頂初次來壓前后支架最大工作阻力統(tǒng)計

現(xiàn)場觀測表明,支架實(shí)際工作阻力遠(yuǎn)未達(dá)到額定的初撐力。

2.2.2 支架支護(hù)阻力頻率分布情況

(1)初撐力 實(shí)測初撐力基本上呈正態(tài)分布,平均初撐力為 6271kN,相當(dāng)于額定初撐力的79.2%;最大初撐力為 7889kN,相當(dāng)于額定初撐力的 99.6%。

(2)工作阻力 從支架壓力的在線監(jiān)測和井下實(shí)際觀測看出,實(shí)測工作阻力基本上呈正態(tài)分布,平均工作阻力為 7126kN,相當(dāng)于額定工作阻力的 59.3%;最大工作阻力為 12180kN,相當(dāng)于額定工作阻力的 102%;另外,從壓力記錄圖上分析,支架安全閥開啟率為 7.3%。圖 3為 79號支架最大工作阻力變化曲線。

圖3 79號支架最大工作阻力曲線

3 4301工作面礦山壓力特點(diǎn)及其規(guī)律

(1)工作面直接頂垮落步距為 16.4～19m,平均為 17.7m,但是端頭直接頂垮落滯后,垮落步距 20.9～23.8m,平均為 22.4m,直接頂垮落持續(xù)1.5d,頂板垮落塊度較小,直接頂垮落動載系數(shù)最大為 1.32,最小為 1.15,平均值為 1.24。

(2)工作面中部基本頂垮落步距為 30m,機(jī)頭機(jī)尾垮落步距平均為 44.4m,工作面中部來壓步距最短,機(jī)尾次之,機(jī)頭最長;從工作面中部開始垮落到兩端頭垮落完畢,共持續(xù)了近 3d,工作面表現(xiàn)出了明顯的來壓不同步現(xiàn)象。動載系數(shù)最大值為 1.52,最小值為 1.28,平均值為 1.40。

(3)工作面基本頂周期來壓步距約為 15.6m,動載系數(shù)平均 1.43;工作面中部來壓步距平均為14.9m,動載系數(shù)平均 1.43;工作面機(jī)頭平均為16.3m,動載系數(shù)平均 1.48;工作面機(jī)尾平均為15.4m,動載系數(shù)平均 1.41。

(4)4301工作面頂板上方有 3層硬巖層,控制著頂板巖層的活動,其中處于煤層頂板上部85.5m處厚 19m的中粒砂巖和粉砂巖層控制著整個頂板巖層的活動規(guī)律,被稱之為主關(guān)鍵層。主關(guān)鍵層初次破斷步距為 50～80m,工作面中部最短,兩端步距較大,周期破斷步距為 30～80m,工作面中部最短,兩端步距較大,來壓時工作面中部強(qiáng)度最大,機(jī)頭高于機(jī)尾。

總之,從 4301工作面礦壓觀測結(jié)果分析,寺河礦 3號煤層頂板比較穩(wěn)定,礦壓顯現(xiàn)不明顯。

4 支架適應(yīng)性分析

4.1 初撐力

從礦壓觀測數(shù)據(jù)可知：支架平均初撐力為6271kN,相當(dāng)于額定初撐力的 79.2%;最大初撐力為 7889kN,相當(dāng)于額定初撐力的 99.6%,說明升柱充液時間或泵站壓力不足,離初撐力合格值還有較大差距。因此,必須采取措施提高支架初撐力,尤其在來壓期間更應(yīng)注意,以減少頂板活動對采場的影響,確保工作面端面頂板完整。

4301工作面支架增阻特性統(tǒng)計表明,支架處于一次或二次增阻類型占 72%,初撐狀態(tài)不足10%,主要是基本頂初次垮落之前和工作面端頭支架,以及非周期來壓時。

4301工作面長度加大后,頂板壓力大幅度增加,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過寺河礦以前開采的工作面,但是就支架初撐力而言,基本沒有變化,這與工作面加長后頂板壓力增大是不相適應(yīng)的,致使超過 70%以上的循環(huán)處于一次或二次增阻狀態(tài),甚至多次增阻狀態(tài),特別是頂板周期來壓時,支架多數(shù)處于急增阻狀態(tài),增阻速率達(dá)到 800～1000kN/h。

4.2 工作阻力

工作面部分支架工作阻力頻度統(tǒng)計結(jié)果表明4301工作面支架工作阻力 60%分布于 5000～9000kN;59.3%超過 6000kN;41.5%超過7000kN;24.2%超過 8000kN;11.9%超過9000kN。超過 8000kN工作阻力的液壓支架主要出現(xiàn)在工作面中部,工作面兩端頭基本一致,這也表明本次支架選型是合適的,能夠適應(yīng)工作面加長后的頂板壓力,特別是頂板來壓時帶來的沖擊載荷。圖 4為 4301工作面支架工作阻力頻度統(tǒng)計。

4.3 支護(hù)強(qiáng)度

圖4 4301工作面支架工作阻力頻度統(tǒng)計

ZY12000/28/62D型掩護(hù)式支架的設(shè)計支護(hù)強(qiáng)度為 1.36～1.4 MPa,而工作面載荷強(qiáng)度在 1.2～1.38之間,平均為 1.3MPa,說明支護(hù)強(qiáng)度能的滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。

5 生產(chǎn)中存在的問題

(1)在線監(jiān)測到部分支架立柱載荷已經(jīng)達(dá)到了安全閥開啟壓力,但是井下觀察發(fā)現(xiàn)這些支架并未泄液或滲液,其主要原因是部分支架安全閥無法正常開啟。

(2)在線監(jiān)測和井下實(shí)際記錄發(fā)現(xiàn),工作面62%的支架左立柱壓力低于 24MPa,有的立柱壓力甚至小于 5MPa,工作面支架初撐力不足造成工作面片幫嚴(yán)重。初撐力不足的原因主要有：工人升架時間偏短,支架未完全達(dá)到額定的初撐力,即關(guān)閉了供液閥門;支架管路漏液、串液;在支架調(diào)試階段,有 30架無法正常升降,目前正在及時更換液壓支架閥組;泵站壓力為 20～24MPa,未達(dá)到規(guī)定的31.5MPa。

(3)部分支架出現(xiàn)拉架速度緩慢的現(xiàn)象,原因是進(jìn)水管剛開始投入使用,管內(nèi)雜質(zhì)多,水質(zhì)較差,導(dǎo)致支架過濾閥堵塞,更換支架反沖過濾閥后問題得到解決。

6 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

4301工作面從 2009年 10月 1日初采,截止2010年 4月底,工作面共完成原煤產(chǎn)量 4.22Mt,最高日產(chǎn)量達(dá)到了 32687t,最高月產(chǎn)量達(dá)到了760kt,平均月產(chǎn) 602.9kt。較前期,最高月產(chǎn)提高了 11.13%、最高日產(chǎn)提高了 12.62%、平均日產(chǎn)提高了 19.65%。

4301工作面加長后,提高了煤柱采出率。寺河礦綜采工作面巷道布置采用 “三進(jìn)兩回”的通風(fēng)方式,無論是 225m還是 300m工作面,每回采一個工作面,都必須要留設(shè) 55m的煤柱暫時不能回收。工作面加長后,煤柱資源損耗由原來的24.4%縮小為目前的 18.3%,即每采一個 300m工作面較 225m工作面多回收出 6.1%的煤柱損耗資源。以目前 4301加長工作面為例,4301工作面可采儲量 6.246Mt,可多回收出煤柱資源 381kt,平均售價按 400元 /t計算,可多產(chǎn)生效益 1.52億元。

7 結(jié)論

(1)ZY12000/28/62D型掩護(hù)式支架結(jié)構(gòu)合理、緊湊,初撐力、工作阻力、支護(hù)強(qiáng)度等各項指標(biāo)參數(shù)能夠滿足生產(chǎn)需要。該支架適應(yīng)于 3號煤層大采高超長綜采工作面開采需要。

(2)使用 ZY12000/28/62D型掩護(hù)式支架后,使工作面加長到 300m,煤柱損耗減小 6.1%,經(jīng)濟(jì)效益明顯,各項經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期效果。

[責(zé)任編輯：張銀亮 ]

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1006-6225(2011)01-0076-03

2010-05-31

孟小軍 (1985-)男,山西晉城人,助理工程師,晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限公司寺河礦二號井監(jiān)測隊隊長。