殷培東

摘要：針對厚煤煤層綜放工作面支架與圍巖動載失穩(wěn)、架前煤壁片幫等問題，基于國源煤礦開采特厚煤層中首次應(yīng)用ZFY18000/28/53D型兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架，通過建立“四位一體”的評價指標(biāo)體系對該支架架型的適應(yīng)性進(jìn)行研究，即從支架結(jié)構(gòu)、承受載荷、平衡千斤頂和現(xiàn)場應(yīng)用四方面對支架的適應(yīng)性進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：ZFY18000/28/53D型兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架結(jié)構(gòu)適應(yīng)國源煤礦該綜放工作面生產(chǎn)要求；經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測，61601綜放工作面周期來壓步距平均為19.5m，動載系數(shù)為1.63，工作面液壓支架的實(shí)際工作阻力為額定工作阻力的82.2%，即14800kN；周期來壓期間工作面架前冒頂高度為0mm～600mm，移架速度平均為9.8s/架。經(jīng)評價認(rèn)為，ZFY18000/28/53D型兩柱掩護(hù)式放頂煤支架在國源煤礦綜放工作面具有良好的適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：兩柱掩護(hù)式放頂煤支架；“四位一體”的評價指標(biāo)體系；綜放面；適應(yīng)性

我國高產(chǎn)高效開采的特厚煤層礦井主要賦存于晉、陜、蒙地區(qū)，資源儲量約占35%，這些資源不僅埋藏淺，而且賦存穩(wěn)定，硬度大，因此可優(yōu)先選用放頂煤開采方法[1-2]。該種采煤方法就必須選用合適的液壓支架，目前兩柱掩護(hù)式放頂煤支架已經(jīng)成為我國學(xué)者研究的重要課題[3-4]。

于20世紀(jì)80年代提出了液壓支架與圍巖位移關(guān)系方程式的“傳遞巖梁”力學(xué)模型，并據(jù)此研發(fā)出與圍巖相適應(yīng)的兩柱掩護(hù)式放頂煤支架[5-8]；應(yīng)用巖梁模型研究了兩柱掩護(hù)式放頂煤支架支護(hù)強(qiáng)度，從而確定了該液壓支架的承載特性及其適應(yīng)性[9]；針對兩柱掩護(hù)式支架在放頂煤工作面出現(xiàn)的支架—圍巖狀態(tài)惡化的情況，對平衡千斤頂在放頂煤兩柱掩護(hù)支架適應(yīng)性的作用進(jìn)行了探討[10]。

然而在實(shí)際生產(chǎn)中對兩柱掩護(hù)式放頂煤支架的適應(yīng)性未形成系統(tǒng)的評價體系。本文采用理論分析、計算、現(xiàn)場實(shí)測等方法形成了“四位一體”評價體系，并對國源煤礦特厚煤層首采工作面首次使用的ZFY18000/28/53D型兩柱掩護(hù)式放頂煤支架進(jìn)行適應(yīng)性研究。為今后類似條件下其他工作面的高效開采提供指導(dǎo)和借鑒。

1.工作面概況

61601綜放工作面位于61盤區(qū)東側(cè)北翼，是國源煤礦首采工作面。61601工作面標(biāo)高847.00m～854.40m，埋藏深度346.1m～427.8m，工作面走向長度為254.6m，推進(jìn)長度615m。61601綜放工作面開采6號煤層，為黑色長焰煤，煤層厚度平均為23.83m，屬于特厚煤層，煤層傾角平均為2.75°，屬于近水平煤層，煤層普氏硬度系數(shù)f=1.0～2.0。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

61601工作面采用走向長壁后退式全部垮落采煤法，采高5.1m，放煤高度18.73m。根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)的需要，在61601綜放工作面布置了119架ZFY18000/28/53D型兩柱掩護(hù)式放頂煤支架。

2.兩柱掩護(hù)式放頂煤支架適應(yīng)性分析

2.1“四位一體”的評價指標(biāo)體系

兩柱掩護(hù)式放頂煤支架在國內(nèi)外綜放工作面有著廣泛的使用。而對兩柱掩護(hù)式放頂煤支架來說，為綜放工作面提供一個安全的生產(chǎn)環(huán)境是評價該支架適應(yīng)性的關(guān)鍵。因此，從支架結(jié)構(gòu)、支架承受載荷、平衡千斤頂和現(xiàn)場應(yīng)用四方面建立了兩柱掩護(hù)式放頂煤支架“四位一體”的評價指標(biāo)體系。從而判斷ZFY18000/28/53D型兩柱掩護(hù)式放頂煤支架在國源煤礦61601綜放工作面的適應(yīng)性。

2.2兩柱掩護(hù)式放頂煤支架結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性

支架的結(jié)構(gòu)是工作面選用支架之前首要考慮的關(guān)鍵因素之一，國源煤礦結(jié)合61601工作面地質(zhì)特征首次研制并使用了ZFY18000/28/53D型兩柱掩護(hù)式放頂煤支架，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該支架架型采用單排立柱高工作阻力、1個缸徑為φ280mm的平衡千斤頂、能夠適應(yīng)現(xiàn)場放煤要求的放煤機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)和電液、手動雙操縱系統(tǒng)。因此該支架結(jié)構(gòu)適應(yīng)國源煤礦生產(chǎn)需要。

通過實(shí)測數(shù)據(jù)分析可知，掩護(hù)梁上的載荷并不是始終不變的，尤其當(dāng)掩護(hù)梁坡度比較小，而頂板周期來壓又比較劇烈時，更易于使掩護(hù)梁上的W增大。

國源煤礦61601綜放工作面采用瑪柯礦上壓力監(jiān)測系統(tǒng)對支架工作阻力進(jìn)行連續(xù)觀測，61601工作面初次來壓步距為50m，6601工作面周期來壓步距平均為19.5m，動載系數(shù)為1.63。

據(jù)統(tǒng)計，周期來壓期間61601工作面高壓力區(qū)主要集中在工作面中部，支架的工作阻力為11000kN～16000kN，平均為14800kN，為該支架額定工作阻力的82.2%。經(jīng)評價，ZFY18000/28/53D型兩柱掩護(hù)式放頂煤支架的工作阻力能適應(yīng)綜放工作面頂板的沖擊載荷。

2.4支架平衡千斤頂?shù)倪m應(yīng)性

ZFY18000/28/53D型兩柱掩護(hù)式放頂煤支架中平衡千斤頂?shù)挠透字睆綖?80mm，桿徑185mm，推力和拉力分別是1940kN、1093kN。

據(jù)統(tǒng)計平衡千斤頂工作阻力在0kN～500kN區(qū)間內(nèi)的占60%左右，平衡千斤頂未承受太大的作用力，表明通過調(diào)節(jié)平衡千斤頂，可以使兩柱掩護(hù)式放頂煤支架適應(yīng)頂板動態(tài)載荷的分布，提高該支架對圍巖的適應(yīng)性。

2.5支架現(xiàn)場應(yīng)用的適應(yīng)性

2.5.1支架端面控頂效果

據(jù)現(xiàn)場實(shí)測，國源煤礦61601綜放工作面正常生產(chǎn)期間，架前冒頂高度的分布規(guī)律如圖5所示。61601綜放工作面支架前冒頂高度主要為0mm～600mm內(nèi)。因此針對61601綜放工作面架前冒頂需加強(qiáng)礦壓監(jiān)測，保證支架初撐力達(dá)到30MPa，割煤移架期間根據(jù)架前冒頂狀況可采取超前帶壓移架，減少架前冒頂狀況。

2.5.2支架現(xiàn)場應(yīng)用

（1）支架額定工作阻力。據(jù)《煤礦用液壓支架立柱和千斤頂技術(shù)條件》規(guī)定：工作面液壓支架在承受頂板動載沖擊時，要求液壓支架立柱壓力應(yīng)在30ms內(nèi)達(dá)到1.5倍額定工作壓力，支架承受的最大動載荷應(yīng)大于1.5倍的靜載荷。

根據(jù)礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：工作面來壓期間，液壓支架承受頂板動載沖擊時，支架阻力的最大值為19800kN。因此要求工作面支架的額定工作阻力不得小于13200kN，而ZFY18000/28/53D型兩柱掩護(hù)式放頂煤支架設(shè)計的額定工作阻力為18000kN。經(jīng)評價，支架的支護(hù)能力滿足61601工作面頂板支護(hù)要求。

（2）移架時間。經(jīng)實(shí)測，ZFY18000/28/53D型兩柱掩護(hù)式放頂煤支架在電液控制系統(tǒng)控制下，該支架移架速度平均為9.8s/架，而采用手動液壓控制進(jìn)行支架移架時，該支架移架速度平均為13.2s/架。因此采用電液控制系統(tǒng)明顯提高了移架速度，提高了工作面兩柱掩護(hù)式放頂煤支架利用率和回采效率。

3.結(jié)論

兩柱掩護(hù)式放頂煤支架是在綜采放頂煤技術(shù)廣泛實(shí)踐應(yīng)用的基礎(chǔ)上，采用四位一體的評價指標(biāo)體系，對ZFY18000/28/53D兩柱掩護(hù)式放頂煤支架的適用性進(jìn)行了研究，得到以下主要結(jié)論：（1）ZFY18000/28/53D型兩柱掩護(hù)式放頂煤支架結(jié)構(gòu)適應(yīng)國源煤礦綜放工作面的生產(chǎn)需要。（2）基于理論分析和現(xiàn)場應(yīng)用可知，ZFY18000/28/53D型兩柱掩護(hù)式放頂煤支架的支護(hù)能力滿足國源煤礦61601綜放工作面頂板支護(hù)要求。（3）實(shí)測分析通過調(diào)節(jié)平衡千斤頂適應(yīng)支架承受的載荷，支架整體的受力狀態(tài)良好。（4）現(xiàn)場應(yīng)用表明，國源煤礦61601工作面在正常推進(jìn)階段，兩柱掩護(hù)式放頂煤支架位態(tài)穩(wěn)定，支撐能力強(qiáng)，架前冒頂高度小于600mm，需采取超前帶壓移架，減少架前冒頂狀況。（5）ZFY18000/28/53D型兩柱掩護(hù)式放頂煤支架設(shè)計支護(hù)能力滿足工作面頂板的支護(hù)要求；從支架的移架時間看，保證電液控制系統(tǒng)的可靠性有利于提高工作面支架利用率和回采效率。

綜上所述，從ZFY18000/28/53D型兩柱掩護(hù)式放頂煤支架實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中來看，該支架適應(yīng)于國源煤礦綜放工作面的地質(zhì)條件，為今后類似條件下其他工作面的高效開采提供參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]孟憲銳，王鴻鵬，劉朝暉.我國厚煤層開采方法的選擇原則與發(fā)展現(xiàn)狀[J].煤炭科學(xué)技術(shù)， 2009（1）： 39-44.

[2]宋洪柱.中國煤炭資源分布特征與勘查開發(fā)前景研究[D].中國地質(zhì)大學(xué)（北京）， 2013.

[3]錢鳴高，劉雙躍.兩柱支掩式支架適應(yīng)性研究[J].中國礦業(yè)學(xué)院學(xué)報， 1985（03）： 6-16.

[4]張寧波，劉長友，于文海，等.兩柱掩護(hù)式綜放支架對端面頂煤穩(wěn)定性的控制作用[J].煤炭工程， 2011， 1（3）： 31-34.

[5]宋振騏，蔣金泉.煤礦巖層控制的研究重點(diǎn)與方向[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報， 1996， 15（2）： 128-134.

[6]王國法，龐義輝.液壓支架與圍巖耦合關(guān)系及應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報， 2015， 40（01）： 30-34.

[7]王國法，龐義輝.基于支架與圍巖耦合關(guān)系的支架適應(yīng)性評價方法[J].煤炭學(xué)報， 2016， 41（06）： 1348-1353.

[8]王家臣，王蕾，郭堯.基于頂板與煤壁控制的支架阻力的確定[J].煤炭學(xué)報， 2014， 39（8）： 1619-1624.

[9]徐亞軍，王國法，劉業(yè)獻(xiàn).兩柱掩護(hù)式液壓支架承載特性及其適應(yīng)性研究[J].煤炭學(xué)報， 2016， 41（08）： 2113-2120.

[10]楊培舉，劉長友，韓紀(jì)志，劉奎.平衡千斤頂對放頂煤兩柱掩護(hù)支架適應(yīng)性的作用[J].采礦與安全工程學(xué)報， 2007（03）： 278-282.

[11]錢鳴高，石平五，許家林.礦山壓力與巖層控制[M].中國礦業(yè)大學(xué)出版社， 2010.

[12]錢鳴高.采場上覆巖層巖體結(jié)構(gòu)模型及其應(yīng)用[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報， 1982（2）： 6-16.

[13]楊培舉.兩柱掩護(hù)式放頂煤支架與圍巖關(guān)系及適應(yīng)性研究[D].2009.