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(天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013)

元堡礦綜放工作面液壓支架使用情況及適應性能研究

王恩鵬，馬端志，王彪謀

(天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京100013)

運用KJ327型礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng)、尤洛卡和壓力表3種設備，聯(lián)合監(jiān)測元堡煤礦綜放工作面直接頂初次來壓、基本頂初次來壓和第1次周期來壓過程中礦壓顯現(xiàn)數(shù)據(jù)，分析不同工況下壓力顯現(xiàn)特點，結合液壓支架的具體結構，分析工作面開采過程中液壓支架與外載大小及作用位置，結果表明元堡煤礦液壓支架所承受載荷范圍為6550～13110kN，合力位置距煤壁3501～5108mm，能夠滿足工作面支護的需要。

液壓支架；礦壓顯現(xiàn)；頂梁外載；圍巖

采場液壓支架與圍巖是一對相互作用的統(tǒng)一體[1]，液壓支架結構及性能要適應回采工作面圍巖的運動規(guī)律。同時液壓支架的支撐力分布合適，護頂裝置可靠，才能維護好頂板以保證礦工的安全與生產(chǎn)的正常進行[2-3]。許多學者研究了綜放采場不同頂板結構下支架力源與支架載荷的定量關系[4-5]、采場支架載荷力學機理[6-7]、采場支架與圍巖耦合作用關系[8]、國內(nèi)綜放開采支架阻力特點[9]、利用微震監(jiān)測綜放面支架圍巖關系[10]以及根據(jù)整個工作面的壓力分布情況驗證支架的支護質(zhì)量[11]。目前對于液壓支架支護性能分析與研究一般都是根據(jù)液壓支架自身力學性能，分析其合力大小及作用位置，并根據(jù)液壓支架在不同高度下合力的理想值分析其支護強度[12]，沒有充分利用礦壓觀測數(shù)據(jù)分析支架與圍巖的耦合關系。

工作面礦壓監(jiān)測主要通過監(jiān)測液壓支架立柱下腔壓力值，總結工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，校核液壓支架支撐能力[13-14]。不同液壓支架立柱布置位置不同，支架與頂板合力作用位置間的關系不同，所監(jiān)測的礦壓值也有區(qū)別，將支架與圍巖耦合關系的研究用于液壓支架設計，可改進支架的力學性能和支護效果[15]。根據(jù)元堡煤礦觀測的立柱壓力值，結合該礦使用的液壓支架分析其支護性能以及對該地質(zhì)條件的適應性，對該礦綜采面支護設備的改進具有一定的指導意義，為類似煤層綜放工作面支護設備選型提供參考。

1 地質(zhì)條件及液壓支架參數(shù)

1.1 地質(zhì)條件

元堡礦區(qū)9號煤層位于太原組中部，埋深159.90～340.27m，底板標高1085.03～1259.66m。煤層厚度3.99～19.10m，平均厚度12.91m。偽頂為0～0.4m厚的黑色泥巖及炭質(zhì)泥巖，直接頂為0～5m厚的褐色、土黃色泥巖，基本頂為30～87m厚的淺黃、灰白色含礫粗砂巖；偽底為0～0.7m厚的淺灰色泥巖，直接底為2～4m厚的硬度較大的灰白色細砂巖，基本底為灰白色細砂巖。煤層結構復雜，含2～7層夾矸，夾矸厚度0.2～0.9m。

1.2 液壓支架主要參數(shù)

元堡礦區(qū)9號煤層使用液壓支架型號為ZF13000/26/40型放頂煤液壓支架，支架結構如圖1所示，主要技術參數(shù)見表1。

圖1 ZF13000/26/40型放頂煤液壓支架三維實體模型

參數(shù)名稱參數(shù)架型四柱支撐掩護式低位放頂煤支架型號ZF13000/26/40結構高度/mm2600～4000寬度/mm1660～1860中心距/mm1750初撐力/kN10128工作阻力/kN13000(P=40.43MPa)支護強度/MPa1.21～1.23

2 綜放工作面礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)

元堡礦綜放面于2011年6月1日開始生產(chǎn)，礦壓觀察結果表明工作面兩端壓力顯現(xiàn)程度低于中部。為此，本文著重分析尤洛卡設備所觀測有代表性的43號支架礦壓顯現(xiàn)數(shù)據(jù)，并列舉29號和57號支架的礦壓觀測數(shù)據(jù)。

2.1 工作面礦壓監(jiān)測方案

元堡煤礦綜放面采用KJ327型礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng)、尤洛卡和壓力表3種設備聯(lián)合監(jiān)測液壓支架立柱下腔壓力值。其中KJ327型礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng)安置3臺主站共9個監(jiān)測點，分別對應工作面中部和兩端，每臺主站間隔5臺支架安置1個監(jiān)測點；尤洛卡則以中部55號架為中心，共設5個監(jiān)測點；壓力表則為每臺支架安裝2個壓力表，分別對應前柱與后柱的壓力值，測點布置對應工作面支架號如圖2所示。

圖2 支架壓力監(jiān)測點布置

2.2 43號支架礦壓觀測數(shù)據(jù)分析

2.2.1 直接頂初次來壓數(shù)據(jù)

6月14日早班，工作面機頭側推進23.4m、機尾側推進21.4m時，工作面壓力開始增大。截止6月16日早班，工作面機頭側已推進24.2m、機尾側推進22.2m時，壓力減小。43號支架來壓期間礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖3所示，液壓支架前柱壓力變化范圍約為13～39.76MPa，后柱壓力變化范圍約為0～30.82MPa，前后立柱壓力值長期差距較大。

圖3 直接頂初次來壓礦壓數(shù)據(jù)

2.2.2 基本頂初次來壓數(shù)據(jù)

6月29日工作面機頭側推進42.1m、機尾側推進42.1m，中部支架出現(xiàn)壓力急劇增大。截止到7月7日早班，機頭側推進49.4m、機尾側推進50.8m時，壓力減小，該次壓力為中部基本頂初次來壓，43號支架來壓期間礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖4所示。來壓期間前柱壓力變化范圍約為0～39.56MPa，平均為32MPa；后柱壓力變化范圍約為0～39.06MPa，平均為31MPa。前后立柱壓力值在部分時間內(nèi)差距較大，在大部分時間內(nèi)趨于一致。

2.2.3 第1次周期來壓數(shù)據(jù)

7月13日，工作面機頭側推進52.1m、機尾側推進55m時，機頭部分支架壓力急劇增大。截止7月22日早班，工作面機頭側推進59.4m、機尾側推進62.8m，壓力減小，該次壓力為機頭基本頂?shù)?次周期來壓，43號支架來壓期間礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖5所示。

從圖5可以得知，前柱壓力變化范圍約為5～40.24MPa，最大達40.24MPa；后柱壓力變化范圍約為23～40.43MPa，最大為40.43MPa。大部分時間前后立柱壓力值趨勢一致，部分時間內(nèi)差距較大。

圖4 基本頂來壓礦壓數(shù)據(jù)

圖5 第1次周期來壓礦壓觀測數(shù)據(jù)

2.3 液壓支架承載特點分析

2.3.1 礦壓觀測數(shù)據(jù)

液壓支架承載能力與液壓支架前后立柱壓力值和壓力值差額關系密切，43號支架礦壓觀測數(shù)據(jù)分析結果如表2所示，29號和57號支架礦壓觀測數(shù)據(jù)見表3。

表2 43號液壓支架立柱壓力顯現(xiàn)情況 MPa

表3 29號和57號支架礦壓觀測數(shù)據(jù) MPa

2.3.1 元堡煤礦液壓支架承載特點

從工作面觀測數(shù)據(jù)可以看出液壓支架立柱壓力變化范圍很大，存在以下特點：

(1)直接頂初次來壓過程液壓支架前立柱所受壓力大，部分安全閥達到了開啟壓力值，后立柱壓力小，幾乎為0MPa。

(2)基本頂初次來壓過程液壓支架前后立柱壓力值都變大，安全閥接近開啟壓力值，個別時間段前立柱壓力變小，幾乎為0MPa。

(3)周期來壓過程液壓支架前、后立柱壓力值變化趨勢基本一致，數(shù)值較大，接近安全閥開啟壓力值。

液壓支架在整個生產(chǎn)過程中安全閥開啟率不高， 液壓支架沒有出現(xiàn)頂梁“低頭”或 “拔后柱”等失穩(wěn)現(xiàn)象，說明該液壓支架支護能力能夠滿足該工作面安全生產(chǎn)支護需求。

3 液壓支架外載合力與其作用位置

3.1 液壓支架適應外載能力分析

運用參考文獻[12]中的相關公式計算立柱承受壓力值為0和6500kN 2個極限工況下液壓支架支撐能力，并繪制3500mm采高時液壓支架外載合力作用位置和外載合力關系曲線圖。如圖6所示，ZF13000/26/40型放頂煤液壓支架所能承受外載合力作用位置為距離煤壁3501～5108mm，外載合力最大值范圍為6550～13110kN。當外載合力值與合力位置關系在圖中陰影范圍內(nèi)時液壓支架能夠通過自身的調(diào)節(jié)滿足支護的需求，當外載合力在特定作用位置處超出該曲線時，液壓支架將出現(xiàn)“拔后柱”或“低頭” 失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖6 外載合力作用位置和外載合力關系曲線

3.2 工作面外載合力作用大概位置

液壓支架所使用的立柱為φ320mm，根據(jù)公式F=2Pπr2計算出支架前、后排立柱的支護力，其中P為立柱壓力值，MPa；r為立柱半徑，mm。

將液壓支架立柱2個極限壓力值代入?yún)⒖嘉墨I[12]中的相關公式，計算出不同工況下支架所承受的合力值與其對應的合力位置指合力距煤壁的距離，關系如表4所示。

表4 液壓支架外載合力及作用位置

由表4可知：前后排立柱壓力差額越小，液壓支架所承受外載合力越接近支架自身最佳合力作用位置，即4306mm位置；前后排立柱壓力差額越大，外載合力作用位置偏離支架最佳合力位置越遠；初次來壓工況前外載作用位置靠近煤壁側，液壓支架前、后排立柱壓力變化比較大，外載位置變化比較大；基本頂來壓工況外載位置向采空區(qū)方向移動，液壓支架后排立柱壓力增大幅度比較大；周期來壓工況時大部分時間前后立柱受力趨勢趨于一致，外載作用位置基本在液壓支架最佳合力作用點附近變化；非來壓工況下支架外載位置在支架合力作用點附近變化。

4 結束語

液壓支架與其圍巖的相互作用關系不僅與液壓支架支撐力有關，與載荷作用位置關系也很大。綜放工作面支架載荷作用位置變化范圍大，分析放頂煤支架與圍巖作用關系應從4個方面考慮：

(1)液壓支架狀態(tài)是否存在失穩(wěn)工況。

(2)周期來壓工況下前后排立柱壓力值的差值。

(3)前后排立柱壓力值是否超過初撐壓力值。

(4)液壓支架立柱安全閥開啟情況。

通過對元堡煤礦首采工作面礦壓觀測數(shù)據(jù)分析，認為液壓支架性能與圍巖載荷基本吻合，能夠滿足工作面開采支護的需要。

[1]錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2003.

[2]史元偉.綜放工作面圍巖動態(tài)及液壓支架載荷力學模型[J].煤炭學報，1997，22(3)：253-258.

[3]史元偉.回采工作面頂承力原理和巖層控制[J].煤炭科學技術，1997，25(2)：44-48.

[4]姜福興.放頂煤采場的頂板結構及其支架圍巖關系探討[J].世界煤炭技術，1994(12)：32-34.

[5]楊淑華，姜福興.綜采放頂煤支架受力與頂板結構的關系探討[J].巖石力學與工程學報，1999，18(3)： 287-290.

[6]史 紅，姜福興.綜放采場初壓階段頂板穩(wěn)定性與頂煤放出率關系探討[J].巖土工程學報，2005，27(4).

[7]史 紅，姜福興，汪華君.綜放采場周期來壓階段頂板穩(wěn)定性與頂煤放出率關系探討[J].巖石力學與工程學報，2005，24(23)：4233-4238.

[8]孔令海，姜福興，劉 杰，等.基于高精度微震監(jiān)測的特厚煤層綜放面支架圍巖關系[J].巖土工程學報，2010，32(3)：401-407.

[9]繆協(xié)興，錢鳴高.綜放采場圍巖—支架整體力學模型及分析[J].煤，1998，7(6)：1-13.

[10]毛德兵, 康立軍.綜放開采支架阻力不唯一性原因分析[J].煤炭科學技術，2003，31(11)：29-31.

[11]王紅勝，張東升，萬志軍，等.綜放工作面支架與圍巖適應性分析[J].煤炭工程，2006(5)：43-45.

[12]馬端志.四柱支撐掩護式放頂煤液壓支架支護性能分析[J].煤礦開采，2010，15(5)：66-68.

[13]湯建泉，粟才全，李英德.現(xiàn)場礦壓觀測方案設計[J].煤礦開采，2008，13(1)：71-74.

[14]尹希文，朱拴成，安 澤，等.淺埋深綜放工作面礦壓規(guī)律及支架工作阻力確定[J].煤炭科學技術，2013，41(5).

[15]王國法，劉俊峰，任懷偉.大采高放頂煤液壓支架圍巖耦合三維動態(tài)優(yōu)化設計[J].煤炭學報，2011，36(1)：146-151.

[責任編輯：徐亞軍]

Usage Condition and Adaptability of Powered Support in Full-mechanized CavingMining Face of Yuanbao Colliery

WANG En-peng, MA Duan-zhi, WANG Biao-mou

(Coal Mining & Designing Department, Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China)

Applying KJ327, UROICA and pressure gage to monitoring pressure data in the process of immediate roof first caving, basic roof first weighting and 1stperiodical weighting in full-mechanized caving mining face of Yuanbao Colliery.Underground pressure behavior characteristic under different working states was analyzed.External load magnitude and action location of powered support in mining was analyzed.Result showed that load range bear by powered support was 6550-13110kN in Yuanbao Colliery, the distance between resultant force position and coal wall was 3501-5108mm, which could meet supporting requirement of mining face.

powered support; underground pressure behavior; external load of roof beam; surrounding rock

2014-06-21

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.06.004

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2012AA06A407)

王恩鵬(1961-)，男，遼寧海城人，研究員，碩士生導師，天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部黨總支書記、副總經(jīng)理，從事綜采工作面液壓支架設計及配套研究工作、市場開發(fā)和科技經(jīng)營、示范工程項目管理等工作。

王恩鵬，馬端志，王彪謀.元堡礦綜放工作面液壓支架使用情況及適應性能研究[J].煤礦開采，2014，19(6)：17-20.

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