馮建亮

（山西同煤集團(tuán)虎龍溝煤業(yè)有限公司，山西 朔州036010）

引言

隨著我國煤炭開采技術(shù)的發(fā)展，放頂煤綜采技術(shù)已經(jīng)成為我國特厚煤層開采的發(fā)展方向之一，并普遍應(yīng)用于大型的現(xiàn)代化礦井[1]。目前，高產(chǎn)高效已成為現(xiàn)代煤礦生產(chǎn)所追求的目標(biāo)，頂煤的冒放性成了影響頂煤回采率的主要因素之一[2]。而液壓支架作為綜放工作面控制頂板最有效的設(shè)備，其可靠性和安全性是決定工作面能否安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。因此，本文以虎龍溝煤礦81505工作面為研究對象，基于頂煤冒放性的機(jī)理，分析影響液壓支架穩(wěn)定性的因素，對液壓支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的改進(jìn)，為其他類似地質(zhì)條件的煤層開采提供科學(xué)依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程背景

虎龍溝煤礦81505工作面位于東盤區(qū)，地面標(biāo)高1 421～1 585 m，井下標(biāo)高1 062～1 094 m；工作面走向長1 658 m，傾向長180 m，煤層傾角3°～5°。

該工作面可采煤層為3-5號煤，煤層總厚度為28.73～36.39 m，上部被火成巖順層侵蝕，其下正常煤層厚度為11.99～14.36 m，平均厚度12.73 m，層內(nèi)含夾矸9-12層（累計(jì)厚為3.38～3.81 m），煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但厚度變化穩(wěn)定。該煤層老頂為粗砂巖，厚度為7.60～28.04 m，局部有火成巖侵入，巖性為煌斑巖，對煤層造成一定的破壞；直接底為砂質(zhì)泥巖，泥質(zhì)膠結(jié)，致密塊狀夾薄煤；老底為高嶺巖，平均厚度4.5 m，黑灰色，含有炭質(zhì)。

2 頂煤冒放性的機(jī)理

頂煤的冒放性是指頂煤由煤壁前方的完整煤體到支架后方放出的散體煤，這一過程要經(jīng)歷的冒落和放出難易程度的總稱[3]。綜放開采有別于一般厚煤層的分層開采，它是在支承壓力對頂煤壓裂的作用下，依靠重力作用放落頂煤，對于不同的地質(zhì)環(huán)境和開采條件來說，頂煤的破碎效果具有明顯的差異。從頂煤受力狀態(tài)分析，遠(yuǎn)離煤壁的頂煤初始處于三向原巖應(yīng)力狀態(tài)，隨著工作面的推進(jìn)，頂煤受到超前支承壓力和支架反復(fù)支撐的作用使得煤體內(nèi)部的裂隙發(fā)育，頂煤破碎的塊度越均勻，頂煤的冒放性就越好，否則頂煤冒放性就差，造成頂煤回收率低。

3 支架穩(wěn)定性的影響因素

理想的頂煤冒放性是指頂煤能夠在架前保持完整，架后在支承壓力作用下發(fā)生冒落，且冒落的塊度大小符合企業(yè)的生產(chǎn)要求。針對上述對影響頂煤冒放性因素進(jìn)行分析，為了使頂煤更充分破碎并發(fā)生冒落，虎龍溝煤礦81505工作面放頂煤采用一刀一放的方式，采放比1:2.64，放頂步距0.8 m。放頂煤位置為第4～100號支架，放頂煤方式采用多輪間隔順序放煤，即放煤工分前后兩組，每組一人，一組放單號支架頂煤，一組放雙號支架頂煤，兩組間隔5個支架；第一輪放煤只放1/2～1/3，然后折返再放余下的頂煤，放煤不凈時再重復(fù)折返放煤，直到達(dá)到最佳放煤為止。

然而實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于煤體自身硬度和支承壓力作用等因素，不僅導(dǎo)致綜放支架的前后柱受力不均，甚至造成支架出現(xiàn)歪斜、扭轉(zhuǎn)等不穩(wěn)定的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了頂煤的冒放性。對于影響支架不穩(wěn)定的因素分述如下：

1）煤層硬度。煤層強(qiáng)度是煤層本身抗破壞能力的主要指標(biāo)，直接影響頂煤的冒放性。當(dāng)煤層硬度較大時，工作面支架后常有懸空頂煤，隨著支架的前移，垮落區(qū)的頂煤失去了連續(xù)性，在重力作用下冒落松動，對支架的承載產(chǎn)生影響。

2）煤層夾矸。當(dāng)煤層厚度較大且層內(nèi)含有夾矸時，隨著夾矸下方的頂煤冒落，夾矸上方的頂煤開始離層并對夾矸層產(chǎn)生載荷作用，但巖層硬度越大，層數(shù)越多，則對上方的頂煤有一定的支撐作用，在液壓支架反復(fù)作用下發(fā)生冒落，造成支架前后柱受力不均，對支架的沖擊影響較大。

3）支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。受技術(shù)和環(huán)境條件限制，部分支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，在放煤的過程中，頂板的周期來壓表現(xiàn)劇烈，再加上立柱的反復(fù)升降，導(dǎo)致支架出現(xiàn)歪斜，甚至支架壓死的現(xiàn)象。

4 放頂煤支架的優(yōu)化改進(jìn)

針對上述影響放頂煤支架穩(wěn)定性的因素，為了使支架更好地適應(yīng)該特殊地質(zhì)條件，對ZF13000/25/38D型低位液壓支架的頂梁柱窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并合理調(diào)整支架的間距和梁端距，提高支架橫向和縱向歪斜時的抗扭性能，確保支架的穩(wěn)定性的同時提高頂煤的冒放性，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、高效的生產(chǎn)，使企業(yè)獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益。

4.1 頂梁柱窩焊接結(jié)構(gòu)

放煤過程中由于煤炭硬度大，頂板的周期來壓表現(xiàn)劇烈，對支架有很強(qiáng)的沖擊作用，支架頂梁柱窩周圍應(yīng)力增大，再加上立柱的反復(fù)升降，從而增加了柱窩結(jié)構(gòu)損壞的可能性。為了使支架緩沖煤塊的沖擊，對支架頂梁柱窩采用了小柱窩坐落在馬鞍板上的新型結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 頂梁柱窩焊接結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由圖2可以看出，改進(jìn)后的柱窩結(jié)構(gòu)能將頂板的沖擊力通過3次進(jìn)行分解，不僅減小了結(jié)構(gòu)部件的配合間隙，增加了柱窩的抗沖擊能力，而且適應(yīng)了該煤層特殊的地質(zhì)環(huán)境條件，提高了支架的穩(wěn)定性和抗扭能力[4]。

4.2 橫向穩(wěn)定性

為了提高支架的橫向穩(wěn)定性，對ZF13000/25/38型支架在加大支架間距的同時增加孔軸接觸面積，優(yōu)化支架受力情況，增大連桿圓孔處的抗剪切能力，從而保證支架橫向歪斜時的抗扭性能，主要軸孔間隙如表1所示。

表1 主要軸孔間隙選取表 mm

4.3 縱向穩(wěn)定性

為了提高支架縱向穩(wěn)定性，逐漸縮小支架的梁端距，保證水平摩擦力始終指向采空區(qū)。同時，在滿足設(shè)備空間布置的前提下，嚴(yán)格控制掩護(hù)梁的外漏量，盡量減小空心活柱的立柱空間，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 空心活柱結(jié)構(gòu)的立柱示意圖

5 工程應(yīng)用效果

為了檢驗(yàn)優(yōu)化改進(jìn)后的液壓支架對頂煤冒放性產(chǎn)生的效果，先通過頂煤鉆孔測量沿工作面傾向方向序號為15、35、55、75的支架處的頂煤厚度，然后測量工作面實(shí)際開采高度，并記錄當(dāng)日工作面的日產(chǎn)量，求算工作面頂煤回收率和放出煤的最大塊度。為提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確度，實(shí)測分三次進(jìn)行，均間隔10 d，并取得其平均值所得結(jié)果如表2所示。

表2 現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果表

由表2分析可得，在原有液壓支架放煤的過程中，頂煤在破碎前，煤體硬度大，冒放性極差，回收率僅為72.7%；經(jīng)過對ZF13000/25/38型液壓支架進(jìn)行合理的優(yōu)化改進(jìn)后，支架的穩(wěn)定性得到了保障，支架在反復(fù)折返過程中，煤體裂隙快速發(fā)育，在支承壓力作用下發(fā)生冒落，回收率高達(dá)90.3%，而且放出煤的塊度相比改進(jìn)前的塊度減小了近一半，符合企業(yè)的生產(chǎn)要求，說明對該支架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)是科學(xué)合理的，并可以為煤礦企業(yè)的綜放開采提供技術(shù)支持和經(jīng)驗(yàn)借鑒。