曹衛(wèi)軍

（徐州礦務(wù)集團(tuán)有限公司新疆夏闊坦礦業(yè)公司，新疆 庫車 842000）

綜采工作面液壓支架如果承載能力不夠、對(duì)頂板適應(yīng)性差，將對(duì)整個(gè)工作面的安全、生產(chǎn)、效益都帶來極大影響，不僅產(chǎn)量低，投入大，而且經(jīng)常因?yàn)槠瑤兔绊數(shù)仍斐扇松硎鹿?。榆樹田煤礦位于新疆庫車縣以北阿格鄉(xiāng)夏闊坦村附近，110501工作面是礦井首采工作面，所采煤層厚度大而且相對(duì)比較堅(jiān)硬，埋藏深度較淺。由于新礦井剛開始生產(chǎn)，現(xiàn)有綜采設(shè)備可靠性低，特別是液壓支架對(duì)頂板支護(hù)的適應(yīng)性還沒有完全科學(xué)掌握和驗(yàn)證，給現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)管理帶來不確定因素。因?yàn)槊簩痈泊姹容^穩(wěn)定，地質(zhì)條件比較簡(jiǎn)單，所以支架的適應(yīng)性重點(diǎn)考慮承載能力。通過支架支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算分析，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析支架加權(quán)阻力（時(shí)間加權(quán)阻力）分布特征、工作阻力頻率分布特征等方法，從不同角度分析研究榆樹田煤礦11采區(qū)地質(zhì)條件下，特厚煤層綜采工作面液壓支架承載特征與適應(yīng)性問題，進(jìn)一步分析評(píng)價(jià)、驗(yàn)證現(xiàn)有支架的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性，確認(rèn)支架的支撐力適應(yīng)頂板載荷的要求，為安全高效生產(chǎn)提供實(shí)踐保障，具有一定的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 工作面地質(zhì)概況

110501工作面為榆樹田煤礦首采工作面，所采為侏羅系下統(tǒng)塔里奇克組下5號(hào)煤層。煤層平均厚度9.50m，煤層平均傾角12.5°，煤層結(jié)構(gòu)整體較簡(jiǎn)單，全區(qū)可采，屬特厚穩(wěn)定緩傾斜煤層，煤層比較堅(jiān)硬。工作面走向長(zhǎng)度1580m，傾斜長(zhǎng)170m，安裝型號(hào)為ZF9000/20/32的支撐掩護(hù)式液壓支架共113架，支架主要技術(shù)參數(shù)見表1。工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化放頂煤一次采全高開采方法，沿下5煤底板回采，采高3m，放頂煤厚度5.5～7m，采放比平均1:2。工作面移架為依次順序追機(jī)移架，最大控頂距5.94m，最小控頂距5.19m，放頂步距0.75m，老塘采用全部垮落法管理頂板。該工作面地面平均標(biāo)高+1762.5m，井下工作面平均標(biāo)高+1467m，平均埋深-295.5m。工作面頂板總厚度為20m左右，以粉砂巖和細(xì)砂巖為主，頂板屬于半堅(jiān)硬頂板，巖體相對(duì)較完整。其中基本頂平均厚度為13.94～16.52m，工作面直接頂以粉砂巖為主，泥質(zhì)膠結(jié)，平均厚度為3.48m～6.06m。工作面頂板上方為下4煤層。

表1 工作面液壓支架主要技術(shù)參數(shù)

2 工作面液壓支架支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算分析

2.1 巖層結(jié)構(gòu)法

工作面支架工作阻力支撐垮落帶頂板巖層和頂煤的重量，并平衡基本頂失穩(wěn)時(shí)對(duì)支架的動(dòng)載，計(jì)算公式為：

式中：

q—工作面支架所需的支護(hù)強(qiáng)度，MPa；

Kd—基本頂失穩(wěn)時(shí)的動(dòng)載系數(shù)；

qd—垮落帶巖層自重力，kN/m2；

qm—支架上方頂煤自重力，kN/m2。

根據(jù)榆樹田煤礦基本情況，動(dòng)載系數(shù)取1.31，實(shí)際計(jì)算時(shí)取1.8的動(dòng)載系數(shù)；頂煤自重力qm=rm·M，rm為 15kN/m3，M 為頂煤厚度，取5.45m，計(jì)算qm為 81.75kN/m2；同理，qd=rd·M1，rd為25kN/m3，M1為24m，計(jì)算qd為600kN/m2。

工作面支架所需的支護(hù)強(qiáng)度為1227.15kN/m2，即1.2MPa；支架架寬1.5m，最大控頂距4.5m，工作面支架所需最大阻力為8084kN；這個(gè)值小于所選支架額定阻力的90%。

2.2 統(tǒng)計(jì)類比法

綜放工作面支架支護(hù)阻力與煤層強(qiáng)度、采深成正比，與頂煤厚度成反比。在此前提下，根據(jù)對(duì)我國(guó)多個(gè)綜放面實(shí)測(cè)支架最大載荷Pmax與煤層硬度普氏系數(shù)f、采深H以及頂煤厚度M進(jìn)行回歸，得到經(jīng)驗(yàn)公式為：

榆樹田煤礦110501工作面頂煤?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度為21.35MPa，f值取2.1，埋深300m，經(jīng)計(jì)算得到Pmax為3584kN，取安全系數(shù)為1.8，設(shè)計(jì)支架載荷為6451kN，這個(gè)值小于所選支架額定阻力的90%。

通過以上計(jì)算分析，榆樹田煤礦110501工作面的支架承載特性和適應(yīng)性良好。

3 支架適應(yīng)性分析

3.1 工作面礦壓觀測(cè)實(shí)施方案

110501工作面平均走向長(zhǎng)1580m，傾向長(zhǎng)170m，110501工作面安裝型號(hào)為ZF9000/20/32的液壓支架共113架。沿工作面傾斜方向安設(shè)KJ327型礦山壓力在線監(jiān)測(cè)儀，包括1套主站、15套分站，在工作面支架每7～8架安裝1個(gè)在線監(jiān)測(cè)儀，工作面均勻布置15個(gè)測(cè)站，分別為1#～15#。

KJ327礦山壓力在線監(jiān)測(cè)儀實(shí)時(shí)對(duì)工作面支架的載荷及其工況連續(xù)不間斷地在線監(jiān)測(cè)，以此確定綜采工作面頂板的活動(dòng)壓力變化規(guī)律，依據(jù)工作面液壓支架工作阻力的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)支架的工作狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)而評(píng)價(jià)工作面支架選型對(duì)頂板條件開采的適應(yīng)性。在未安設(shè)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的支架上安裝機(jī)械式壓力表進(jìn)行監(jiān)控。為了便于研究，把工作面15個(gè)測(cè)站劃分為上部、中部、下部三組來分析，工作面沿走向推進(jìn)距離為220m，過程中進(jìn)行大量的支架來壓數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計(jì)，在此基礎(chǔ)上通過分析支架工作阻力頻率分布特征、加權(quán)阻力（時(shí)間加權(quán)阻力）分布特征的方法，從不同角度分析研究工作面液壓支架承載特征與適應(yīng)性。

3.2 支架工作阻力頻率分布特征

支架工作阻力的頻率分布是根據(jù)支架工作期間阻力大小所在范圍的百分比來進(jìn)行計(jì)算。在理想狀態(tài)下，支架阻力頻率的分布是符合正態(tài)分布的，即兩端低阻力和高阻力區(qū)域所占比例少，絕大部分分布在中間區(qū)域。當(dāng)?shù)妥枇λ急壤髸r(shí)，說明支架的實(shí)際使用效率低，支架承載能力富余量大；當(dāng)高阻力范圍占具比例較大時(shí)，則表明支架長(zhǎng)期處于超負(fù)荷工作狀態(tài)，支架的額定工作阻力小，達(dá)不到現(xiàn)場(chǎng)要求的支護(hù)能力，將造成安全閥頻繁開啟，影響支架的使用壽命。首先把工作阻力從0～35MPa之間劃分8個(gè)范圍，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析得工作面支架工作阻力頻率分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見表2。根據(jù)工作阻力頻率統(tǒng)計(jì)結(jié)果按照工作面上、中、下三個(gè)區(qū)域作工作面支架工作阻力頻率分布圖，如圖1（a）、（b）、（c）所示。

表2 工作面支架工作阻力頻率統(tǒng)計(jì)表

由工作面工作阻力頻率分布圖可以看出：工作面中部壓力主要集中在25～35MPa，兩端壓力主要集中在20～30MPa，分布曲線成近似的正態(tài)分布。

3.3 加權(quán)阻力變化特征分析

加權(quán)阻力（時(shí)間加權(quán)阻力）采用一個(gè)工作面推進(jìn)循環(huán)內(nèi)支架阻力的平均值，時(shí)間加權(quán)阻力更能反映循環(huán)期間的支架承載情況。依據(jù)工作面液壓支架的運(yùn)行狀態(tài)即工作阻力的監(jiān)測(cè)結(jié)果，并對(duì)各監(jiān)測(cè)支架的工作阻力均值隨工作面推進(jìn)過程中的變化進(jìn)行大量統(tǒng)計(jì)分析，見表3，由此來研究分析工作面沿走向推進(jìn)過程中支架載荷變化分布規(guī)律，進(jìn)一步檢驗(yàn)支架的承載能力。

圖1 工作面支架工作阻力頻率分布圖

表3 支架工作加權(quán)阻力統(tǒng)計(jì)分析表

通過分析，支架時(shí)間加權(quán)阻力最大占額定阻力的66.39%，工作面支架的承載特性和適應(yīng)性表現(xiàn)較好。

在工作面推進(jìn)過程中對(duì)煤壁和外圍巷道進(jìn)行觀測(cè)，沒有出現(xiàn)大面積片幫、“炸幫”、漏（冒）頂?shù)惹闆r，外圍巷道也沒有出現(xiàn)位移、變形、離層等現(xiàn)象，也進(jìn)一步驗(yàn)證了支架的承載特性和適應(yīng)性。

4 結(jié)語

（1）通過巖層結(jié)構(gòu)法和統(tǒng)計(jì)類比法對(duì)工作面液壓支架所需支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析，得出工作面支架所需最大阻力小于所選支架額定阻力的90%。

（2）在礦山壓力觀測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過分析研究支架工作阻力頻率分布特征、加權(quán)阻力（時(shí)間加權(quán)阻力）分布特征，不同角度對(duì)110501工作面特厚煤層地質(zhì)條件下液壓支架工作承載能力與適應(yīng)性征進(jìn)行了分析、評(píng)價(jià)。

（3）由工作面支架工作阻力頻率分布特征看出：工作面中部壓力主要集中在25～35MPa，兩端壓力主要集中在20～30MPa，分布曲線成近似的正態(tài)分布。

（4）通過時(shí)間加權(quán)阻力統(tǒng)計(jì)分析，工作面液壓支架加權(quán)阻力最大占額定阻力的66.39%，支架的承載特性和適應(yīng)性表現(xiàn)良好，滿足現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)需要。榆樹田煤礦110501工作面現(xiàn)有支架的承載能力和適應(yīng)性良好，整體穩(wěn)定，表現(xiàn)合格。