吳文曉

（晉能控股集團朔州煤電公司，山西 朔州 038300）

綜采高放開采具有提高破煤作用的圍巖壓力、增大通風斷面、增大支架后方的冒落空間、優(yōu)化采放比[1-2]等優(yōu)點。在工作面支護等方面，采高的增加會對開采造成不利影響，如果支架穩(wěn)定性變差，就會發(fā)生煤肋坍落、頂板塌落等事故，進而惡化支架與圍巖的關系。在放頂煤工作面，由于頂煤活動支架荷載處于動態(tài)變化中，很容易造成支架失穩(wěn)、煤體滑移和頂板垮落[3-5]。實踐表明，即使支護阻力達到13 000 kN，在頂煤開采時較大的放頂煤工作面仍會發(fā)生支架破裂和煤滑現(xiàn)象。為了解決這一問題，將高回采放頂煤液壓支架的研究與開發(fā)列為了重點科技技術，大阻力支架ZF15000液壓支架已在煤礦成功研制并試驗。本文分析了綜采放頂煤開采中支架的動態(tài)承載特性及適應性，為綜采放頂煤開采的安全有效生產(chǎn)和快速發(fā)展奠定了基礎。

1 高放頂煤開采設備

采煤工作面設備是年產(chǎn)百萬噸頂煤高回采工作面一級設備。3~5號煤層平均厚度為14.81 m，傾角為1°~3°，堅固性系數(shù)f為2.7~3.7，節(jié)理垂直開采。直接頂包括巖漿巖、炭質泥巖、頁巖硅化物，為交替產(chǎn)狀；主要頂板為粉砂巖、細砂巖和含礫粗砂巖；直接底板為優(yōu)質泥巖。大回采長壁放頂煤工作面為順走向背采工作面。

在綜采放頂煤開采過程中，考慮到液壓支架在實踐中經(jīng)常遭受沖擊載荷的情況，液壓支架ZF15000通過采取增加安全閥的流量、緩沖柱內(nèi)液體體積、減少抗壓剛度支柱的影響和使用雙伸縮支柱等旁路安全閥措施，提高支柱阻力的影響，以確保生產(chǎn)效率和開采安全性。

2 大開采條件下動態(tài)承載特性分析

圖1為大采高放頂煤液壓支架ZF15000的位移動態(tài)承載特性圖。從圖1可以看出，在工作面中段支護工作阻力循環(huán)過程中，液壓支架支護阻力變化不明顯，支護具有可靠性。

圖1 工作面中段支護工作阻力循環(huán)圖

液壓支架工作面支架循環(huán)端工作阻力如下頁圖2所示。由圖2和現(xiàn)場觀測可知，主頂板首次垮落和周期垮落的影響范圍較寬，覆蓋整個工作面。主頂板首次垮塌距離為144.5 m，動荷載系數(shù)為1.56，平均周期崩落距離為54.94 m，動荷載系數(shù)為1.52，具體動荷載系數(shù)如下頁表1所示。正常工作時的平均支護阻力為9073.06 kN。支架的動載系數(shù)較大，但影響不明顯，支架具有較強的抗沖擊能力。當阻力超過額定阻力時，安全閥能夠及時開啟，液壓支架具有較高的穩(wěn)定性。

表1 加權主頂板動態(tài)系數(shù)統(tǒng)計

圖2 工作面壓力分布

3 大采高放頂煤支護的適應性研究

3.1 支撐阻力的頻率分布研究

液壓支架的合理阻力應呈正弦波形式分布。將支撐阻力除以間隔寬度1 000 kN，統(tǒng)計每個間隔周期內(nèi)支撐工作阻力的百分比。下頁圖3為各斷面平均百分比直方圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，液壓支架阻力分布較為合理。支架阻力整體呈正弦波形式，主要分布在9 000~13 000 kN之間。

圖3 支架工作阻力分布

綜上所述，大采高放頂煤液壓支架運行合理、效率高，對頂板適應性好。

3.2 初始承載力研究

液壓支架ZF15000的初始支護能力為12778 kN?，F(xiàn)場觀測的初始承載力統(tǒng)計結果如表2、表3所示。由表2、表3可知，初始平均承載力為7 883.17 kN；超過5 000 kN的定載率接近90%；整定荷載呈線性分布，初始承載力較高，但仍未滿足要求。主要原因如下：

表2 支架平均初始工作阻力 kN

表3 支架平均初始工作阻力具體統(tǒng)計 %

1）壓力泵供壓時夠時不夠，管路壓力泵損失過大。

2）工人移動支架后，提升支架的時間較短；柱頂未完工；與屋頂接觸不足。

3）屋頂支架阻力變化，在慢慢接觸后，由初始支持和提升時間提交函數(shù)P=A+B ln t，得出支架并未達到額定的初始支撐能力，但為了提高工作效率，工人停止了吊裝支架。

3.3 礦柱應力研究

支架循環(huán)端阻力如表4所示。

從表4可以看出，前柱阻力略大于后柱阻力。后礦柱平均循環(huán)端阻力占其額定阻力的63.88%，前礦柱平均循環(huán)端阻力占其額定阻力的74.78%，表明該礦柱處于良好的賦權狀態(tài)。

表4 統(tǒng)計前后支柱平均循環(huán)端阻力

4 結論

1）液壓支架ZF15000抗沖擊能力強、穩(wěn)定性和可靠性高。該安全閥能隨著井下壓力的變化，在阻力超過額定阻力時及時開啟。

2）液壓支架阻力呈正弦波形式，主要分布在9 000~13 000 kN之間。液壓支架ZF15000運行合理、效率高，對頂板適應性好。

3）整定負荷分布呈P=A+BX的線性分布。大于5 000 kN的定載速率接近90%。

4）受力平衡的支柱狀態(tài)良好。