鄒衛(wèi)忠

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán) 宏安煤業(yè)有限公司,太原 030303)

三軟煤層大采高工作面相比于普通工作面,其頂?shù)装鍙?qiáng)度和煤體強(qiáng)度較低,在開采過程中易出現(xiàn)頂板失穩(wěn)、煤壁片幫、支護(hù)體系失效等現(xiàn)象,尤其是隨著采高的增加,受礦壓和開采擾動(dòng)更明顯。支架作為采場(chǎng)的主要支護(hù)設(shè)備,是否滿足采場(chǎng)支護(hù)要求是確保煤炭安全回采的關(guān)鍵,盡管在開采前已經(jīng)從理論上對(duì)支架適應(yīng)性進(jìn)行了計(jì)算和分析,但在開采實(shí)踐中卻經(jīng)常會(huì)遇到支架支護(hù)不良現(xiàn)象,導(dǎo)致安全事故的發(fā)生[1]。梨園礦21010工作面是礦井開采的首個(gè)綜采工作面,開采煤層為山西組二1煤層,煤層均厚3.6 m,屬于典型的三軟厚煤層工作面,根據(jù)理論分析和借鑒相鄰礦井經(jīng)驗(yàn),選用ZY4000-17/37型液壓支架進(jìn)行采場(chǎng)支護(hù)。為了更好地掌握該型支架現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果,對(duì)ZY400-17/37型液壓支架在三軟煤層大采高工作面的適應(yīng)性進(jìn)行研究,以期為后續(xù)工作面開采提供設(shè)備選型經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

21010工作面位于礦井東一采區(qū)南部,工作面東部和南部為原地方私營(yíng)小窯開采形成的采空區(qū),西部為3條下山巷道,北部為正在掘進(jìn)施工的21020工作面回風(fēng)巷。工作面所采煤層為山西組二1煤層,煤層埋深580 m～620 m,平均595 m,煤層厚3.2 m～3.8 m,平均3.5 m,煤層傾角0°～12°,平均7.6°,煤層堅(jiān)固性系數(shù)約0.18,煤體質(zhì)軟易碎。工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度和傾斜長(zhǎng)度分別為962 m和120 m;偽頂為均厚0.15 m的炭質(zhì)泥巖;直接頂為深灰色泥巖,節(jié)理裂隙發(fā)育;基本頂為灰黑色粉砂巖,偶見白云母片;直接底為灰色泥巖-砂質(zhì)泥巖,遇水膨脹;基本頂為灰白色粗粒砂巖,致密堅(jiān)硬。工作面采用“一進(jìn)一回”式通風(fēng)方式,兩巷采用U36型鋼棚支護(hù),采場(chǎng)共布置ZY400-17/37型支架80臺(tái)。

2 支架選型理論計(jì)算

為了掌握21010工作面采場(chǎng)頂板支護(hù)所需阻力情況,采用類比法和頂板來壓時(shí)頂板載荷法來對(duì)采場(chǎng)所需阻力進(jìn)行理論計(jì)算[2]。

2.1 類比法

采用工作面頂板延米阻力計(jì)算采場(chǎng)所需支護(hù)阻力,經(jīng)驗(yàn)公式:

Rh=(410M+49Lf+460R-1660)×L.

(1)

式中:Rh為工作面采場(chǎng)頂板延米支護(hù)所需阻力,kN/架;Lf為工作面初次來壓步距,根據(jù)相鄰礦井開采經(jīng)驗(yàn),取18.5 m;R為支架最大控頂距,取4.3 m;M為工作面采高,取3.6 m;L為支架中心距,取1.5 m。

將上述各參數(shù)帶入公式(1),計(jì)算可得Rh=3 990 kN/架<4 000 kN/架。

2.2 頂板來壓時(shí)頂板載荷法

根據(jù)工作面巖性分析每臺(tái)支架在頂板來壓時(shí)的頂板載荷值來估算采場(chǎng)所需支護(hù)阻力,經(jīng)驗(yàn)公式:

Q=KMFγ×9.8 .

(2)

式中:Q為采場(chǎng)頂板載荷,kN/架;K為巖石厚度系數(shù),一般取5～8,根據(jù)21010工作面情況,取值6;M為工作面最大采高,3.7 m;F為支架頂梁面積,5.35 m2;γ為頂板巖石平均容重,取2.5 t/m3。

將上述參數(shù)代入公式(2),計(jì)算可得Q=2 910 kN<4 000 kN。

由上述兩種方法計(jì)算21010工作面頂板支護(hù)所需阻力分別為3 990 kN和2 910 kN,均低于ZY4000-17/37型支架額定工作阻力,故理論認(rèn)為該型支架能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)需求。

3 支架現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)分析

3.1 方案的確定

為了掌握21010工作面支架適應(yīng)性,必須對(duì)回采期間支架的支護(hù)狀態(tài)進(jìn)行觀測(cè),具體方案是將工作面等間距劃分3個(gè)測(cè)區(qū),每個(gè)測(cè)區(qū)選2臺(tái)支架作為觀測(cè)對(duì)象,在支架上安裝壓力監(jiān)測(cè)儀對(duì)支架工作阻力實(shí)時(shí)進(jìn)行記錄。同時(shí),結(jié)合采場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)情況,確定3#、13#、27#、40#、54#、67#和78#支架作為研究對(duì)象，所測(cè)支架工作阻力特征參數(shù)如表1所示。將壓力監(jiān)測(cè)儀所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、匯總和分析,掌握支架的初撐力、最大工作阻力、平均工作阻力等變化情況,并輔以觀測(cè)支架活柱下縮量、安全閥開啟情況、煤壁片幫情況等來評(píng)判支架適應(yīng)性[3-4]。

表1 21010工作面所測(cè)支架工作阻力特征參數(shù)Table 1 Characteristic parameters of working resistance measured in No.21010 working face

3.2 適應(yīng)性分析

由支架工作阻力監(jiān)測(cè)儀所記錄的數(shù)據(jù)可知,工作面平均工作阻力2 395 kN,為額定工作阻力(4 000 kN)的59.9%,平均初撐力1 529 kN,為額定初撐力的(3 090 kN)的49.4%。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)還可知道,支架工作阻力主要分布在2 000 kN～3 000 kN范圍內(nèi),約占統(tǒng)計(jì)數(shù)的42.3%,分布在1 000 kN～2 000 kN范圍內(nèi),約占25.6%,分布在3 000 kN～4 000 kN范圍內(nèi)約占21.7%,超出4 000 kN的占0.1%,不足1 000 kN的占10.3%。觀測(cè)期間對(duì)煤壁片幫和支架頂梁端頭頂板冒漏情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,顯示煤壁片幫隨工作面推進(jìn)始終伴隨,但在頂板來壓期間顯著加劇,來壓期間煤壁片幫率約為36%,片幫平均規(guī)格4.2 m×0.5 m×0.4 m(長(zhǎng)×高×深),端頭頂板冒漏不明顯,遇構(gòu)造帶時(shí)偶見冒漏。觀測(cè)期間,安全閥開啟現(xiàn)象極少見,非來壓和來壓期間,支架活柱下縮量平均分別為4.5 mm和6.7 mm,整體下縮量不大。由此可知,所測(cè)支架整體支護(hù)阻力并不高,支架能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)需求,鑒于其初撐力普遍較低,為確保頂板穩(wěn)定和降低煤壁片幫,應(yīng)有意識(shí)地提高支架初撐力。

4 結(jié)束語(yǔ)

研究支架適應(yīng)性是確保頂板保持有效支護(hù),工作面安全高效回采的關(guān)鍵。21010工作面屬于典型三軟煤層厚煤層工作面,其頂板條件較差,煤壁更易片幫,故對(duì)支架要求較高,通過理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析,認(rèn)為ZY4000-17/37型支架能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)需求,支架選型較為合理,但鑒于支架初撐力普遍較低和工作面片幫嚴(yán)重,頂板處于弱支護(hù)狀態(tài),不利于維護(hù)頂板和煤壁,故應(yīng)有意識(shí)地提高支架初撐力,尤其是頂板來壓時(shí),要確保支架工作狀態(tài)良好,才能有效預(yù)防頂板事故的發(fā)生。