淺析大柳塔煤礦52煤7m大采高綜采工作面支架工作阻力
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作者：張毅
很多學(xué)者對大采高綜采工作面的覆巖結(jié)構(gòu)與礦壓顯現(xiàn)規(guī)律開展了大量工作，但針對類似大柳塔煤礦52煤三盤區(qū)埋深平均195m，采高平均6.7 m，工作面長度達300 m條件下的礦壓規(guī)律以及合理煤柱留設(shè)還未深入研究。大柳塔煤礦52煤三盤區(qū)采煤方法為7米大采高支架一次采全高綜合機械化長壁開采方法，全部垮落法管理頂板，其首采工作面52304面在回采過程中共發(fā)生過11次冒頂和一次壓架事故，第二個工作面52303面在回采過程中共發(fā)生過3次冒頂事故，工作面及兩順槽頂板管理十分困難。作者通過現(xiàn)場實測，分析了大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律以及合理的工作阻力，為指導(dǎo)大采高綜采工作面回采以及支架的選型提供了經(jīng)驗，同時，對于7m大采高工作面頂板管理具有重要意義。
1 工作面概況
大柳塔井52304、52303綜采工作面煤層厚度6.6～7.3m，平均6.94m，煤層傾角1～3°，埋深180～260m，上覆基巖厚度為110～210m，與上覆已采的22煤層間距為150m左右。52304工作面走向推進長度4547. 6m，采取“刀把面”布置形，其中，52304-1面寬147. 5m，總推進長度148. 7m；52304面寬301m，總推進長度4389. Im。52303面寬301. Sm，推進長度4443. 3m m，工作面頂?shù)装迩闆r見表1。
52304工作面配備了由鄭煤集團生產(chǎn)的7m大采高掩護式液壓支架，支護高度為3. 2～7m，支架寬度為2. 05m，初撐力12370kN，工作阻力16800kN。運順內(nèi)布置了1臺ZYDC11000/28/47型超前支架，回順內(nèi)布置了2臺ZFDC35400/27／47型超前支架。52303工作面支架參數(shù)見表2。
工作面配備了DBT公司生產(chǎn)的功率為3×1600kW的中雙鏈刮板輸送機、700kW中雙鏈轉(zhuǎn)載機、700kW破碎機。
2工作面礦壓觀測
工作面內(nèi)支架礦壓顯現(xiàn)特征觀測時，調(diào)取工作面支架PM32壓力監(jiān)測系統(tǒng)（圖1）上的壓力數(shù)據(jù)，繪制成曲線進行礦壓規(guī)律的分析，包括分析工作面的初次來壓與周期來壓步距、來壓強度與動載系數(shù)、來壓持續(xù)時間與長度以及支架的增阻特性等。為了便于分析選取35#、75#、115#支架進行研究。
同時進行現(xiàn)場礦壓顯現(xiàn)實地觀測，記錄工作面支架的支護狀況以及圍巖的運動情況，包括支架的初撐力、來壓時安全閥開啟及立柱下縮量、來壓時頂板漏矸以及煤壁片幫情況等。
3 工作面礦壓規(guī)律
3.1 沿工作面走向
3.1.1初采期間
表3為初采期間5 2 3 04面和5 2 3 0 3面初次來壓、周期來壓統(tǒng)計表，從表3可以看出，傾斜長度為301m的工作面，初次來壓步距在71.9～73m之間，工作面兩端1#～30#、125#～150#架基本無來壓，來壓區(qū)域(35#～115#)支架工作阻力大部分為15720. 5k～18432. 3kN，最大為19611.4kN，安全閥開啟率為50%左右，活柱下縮量70～150mm。來壓持續(xù)長度5～12刀。
初次來壓時支架明顯的壓力增高，采空區(qū)隆隆作響，隨后一股颶風(fēng)傳到采面，支架阻力急增。來壓時工作面中部區(qū)域煤壁存在片幫、炸幫現(xiàn)象，片幫深度200～400mm，同時部分支架區(qū)域有架前漏矸現(xiàn)象，兩順槽超前支護段煤壁有輕微片幫出現(xiàn)。工作面對應(yīng)地表也出現(xiàn)較大范圍的開采裂縫，其中，在工作面中部出現(xiàn)較大的臺階裂縫，裂縫寬80～200mm，臺階落差80mm左右，臺階裂縫長20～30m。同時，沿工作面傾向也出現(xiàn)數(shù)對平行裂縫，裂縫寬度普遍較小，處于5～12mm左右。
52304面和52303面周期來壓步距為7.6～18m，平均為12. 1～12. 7m，從表中可以看出工作面周期來壓步距基本上比較一致，說明傾斜長度為301m的工作面周期來壓步距為12. 1～12. 7m。來壓時安全閥開啟率為45%左右。來壓持續(xù)長度4～8刀。
周期來壓期間煤壁出現(xiàn)片幫、炸幫現(xiàn)象，工作面50#～100#片幫、炸幫較明顯，片幫深度最大達到Im左右，漏矸范圍集中在50#～100#架之間，局部小范圍漏冒高度達Im以上。
表4為52303和52304-2面推進過程中的支架工作阻力，觀測結(jié)果統(tǒng)計，表中Pz為來壓時支架的平均工作阻力，Pf為非來壓時支架的平均工作阻力。動載系數(shù)平均為1. 41～1. 51。
3.1.2 正�；夭善陂g
52303、52304工作面正常回采期間，來壓時片幫現(xiàn)象較明顯，片幫深度最大達到3000mm左右，局部范圍出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象，最大冒頂高度為2000mm左右。其中52304工作面2011年1月15日零點班50#～120#支架片幫深度達3000mm，冒頂高度達2～3m，影響生產(chǎn)24h。
工作面來壓范圍一般在30#～125#支架，兩端頭區(qū)域壓力顯現(xiàn)不明顯，一般機尾壓力大于機頭壓力，機尾頂煤隨采隨落。來壓區(qū)域支架工作阻力為17319. 5k～18472kN，來壓時支架循環(huán)末阻力平均為17960kN，動載系數(shù)為1.5～1. 65，安全閥大部分開啟，開啟率一般在70%左右。周期來壓步距平均為16～16. 8m,來壓持續(xù)長度約3.2～7. 2m。
來壓期間頂板出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，52303工作面一般頂板下沉量為30～80mm／刀，周期來壓期間支架活柱下縮量累計達300～500mm。52304工作面來壓期間支架活柱下縮量為40～80mm/刀，周期來壓期間支架活柱下縮量累計達500～1500mm。
非來壓期間工作面煤壁片幫形態(tài)整體呈現(xiàn)“凹”字逆時針90。旋轉(zhuǎn)后的形態(tài)分布，來壓期間工作面煤壁片幫形態(tài)整體呈現(xiàn)“”形分布。
工作面周期來壓步距整體呈現(xiàn)“兩端大、中間小”的特征，而來壓持續(xù)長度則相反呈現(xiàn)出“兩端小、中間大”的特征，這是大采高超長工作面礦壓顯現(xiàn)的典型特征。
3.1.3末采期間
2013年1月30日，工作面進入末采階段，工作面距回撤通道200m，2013年3月7日，52304綜采工作面推進至距離回撤通道17m處，工作面具備掛網(wǎng)條件，開始停機掛網(wǎng)。圖1為工作面末采期間支架工作阻力曲線圖，由于工作面處于配采階段，工作面來壓不穩(wěn)定，為了準確掌握工作面掛網(wǎng)期間來壓情況，選取距掛網(wǎng)最近的6次周期來壓數(shù)據(jù)作分析。
從圖1可以看出工作面來壓步距為8.5～20. 4m，平均為15. 9m，來壓持續(xù)長度1.7～llm，平均6. 79m,周期來壓時，支架循環(huán)末阻力為15 721k～18865kN，平均17555kN，最大為23580.8 kN；非來壓期間工作面支架阻力為9903k～13912kN，平均11668kN；動載系數(shù)1.40～1. 70，平均1.60，礦壓顯現(xiàn)強烈。
周期來壓期間活柱下縮量為50～400mm；來壓時端面漏矸、煤壁片幫嚴重，片幫深度在0.5～2.0m左右，來壓期間支架安全閥開啟率達60%。
3.2沿工作面傾向
52煤大采高綜采工作面來壓期間工作面沿傾斜方向的壓力分布近似呈“幾”型，如圖2所示，一般在20#～120#支架工作阻力最大，52304工作面最大工作阻力達到19454kN，為額定工作阻力的115. 8%，52303工作面最大工作阻力達到19179kN，為額定工作阻力的106.7%。中部、中上部明顯大于兩端，即工作面機頭壓力大于下部。說明基本頂周期破斷首先發(fā)生在壓力大的中部，而后逐漸向工作面兩端傳遞。非來壓期間工作面壓力基本上變化不大，近似呈“直線”型。
4支架受力特點
圖3為52304工作面支架工作阻力分布圖，從圖中可以看出，生產(chǎn)期間工作面支架工作阻力主要集中在9903k～11790kN，超出支架額定工作阻力的上部占5. 67%、中部占11. 09%、下部占9.77%，中部的壓力明顯大于下部，下部壓力明顯大于上部。工作面平均工作阻力為12335. 3kN，最大工作阻力為23580. 8kN，分別為額定工作阻力的73. 4%和140. 4%。工作面來壓期間支架處于高位運行狀態(tài)，支架額定工作阻力明顯不足。
圖4為52303工作面支架工作阻力分布圖，從圖中可以看出，生產(chǎn)期間工作面支架工作阻力主要集中在9903k～11790kN，超出支架額定工作阻力的上部占0. 42%、中部占2.32%、下部占0.33%，中部的壓力明顯大于上部，上部壓力明顯大于下部。工作面平均工作阻力為12203. 58kN，最大工作阻力為25703. 08kN，分別為額定工作阻力的67. 8%和142. 8%。
5 支架工作阻力分析
5.1 按實測支架載荷統(tǒng)計估算
依據(jù)52303工作面、52304工作面液壓支架阻力實測數(shù)據(jù)估算工作面合理支架阻力，見式(1)。
式中：P為工作面合理工作阻力，kN; pm為實測工作面支架循環(huán)末阻力平均值，kN;σ為實測的支架循環(huán)末阻力均方差，kN;k為置信區(qū)間，一般取1～2。
按兩種方式進行估算：①按來壓期間支架最大循環(huán)末阻力進行統(tǒng)計，即式中pm為來壓期間支架最大循環(huán)末阻力的平均值，此時，取1倍的均方差；②按整個期間支架循環(huán)末阻力進行統(tǒng)計，即式中pm為來壓期間和非來壓期間支架循環(huán)末阻力的平均值，此時，取2倍的均方差。
兩種計算方法，如表5所示。
按兩種方式進行統(tǒng)計估算，得出的結(jié)果見表6。
根據(jù)以上方法統(tǒng)計出52煤大采高工作面支架所需的工作阻力應(yīng)為18114. 8k～20675kN,52303工作面現(xiàn)有支架額定工作阻力為18000kN，比實測數(shù)據(jù)最低值18114. 8kN小114. 8kN，工作阻力相對不足。
5.2按垮落帶覆巖不能形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)估算
如按最危險狀態(tài)考慮，垮落帶覆巖不能形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，其巖層重量全部由支架承擔(dān)，則支架工作阻力的估算方法，見式(2)。
式中：P為每架支架工作阻力，kN/架；a為支架寬度，m/架；ri為垮落帶第i層巖層容重，kN/m3；hi為垮落帶第i層巖層厚度，m;bi為垮落帶第i層巖層懸頂長度，m；77為支架支護效率。
根據(jù)中國礦業(yè)大學(xué)在52304工作面回風(fēng)順槽所取巖樣數(shù)據(jù)來估算支架工作阻力，見表7。
5-2煤層采高按平均值6.5m計，垮落帶高度按3倍采高計，為19. 5m。由鉆孔柱狀可見，垮落帶高度達5-2煤頂板第3層巖層（該層為3.8m的中粒砂巖）。根據(jù)52304工作面礦壓觀測結(jié)果，第1層直接頂厚度為6. 70m，懸頂長度即為支架最大控頂距為6. 585 m；第2層頂板厚度為9.3m，懸頂長度按最大周期來壓步距21. 5m計算(周期來壓步距15. 0～21. Sm、平均18. 7m)，第3層厚度為3.8m的中粒砂巖受9. 3m的細粒砂巖控制。支架寬度為2.05m，
巖層容重25kN／m3，n取0.9。將上述參數(shù)代入計算公式，計算得出支架工作阻力應(yīng)為18550kN。
5.3支架工作阻力設(shè)計
工作面多次發(fā)生漏頂事故，若覆巖亞關(guān)鍵層l所處的層位較低，其破斷運動時形成“懸臂梁”結(jié)構(gòu)，則應(yīng)從阻止該關(guān)鍵層破斷塊體發(fā)生失穩(wěn)錯動的角度進行端面漏冒的防治。即應(yīng)保證支架的初撐力使其能平衡關(guān)鍵層“懸臂梁”破斷塊體及其上覆的載荷，此時支架所需的初撐力Po應(yīng)分成兩個部分進行計算：亞關(guān)鍵層1下部直接頂在支架控頂距內(nèi)的載荷Qz，亞關(guān)鍵層1及其上部直至垮落帶頂界面巖層的重量Qi，如圖5所示，即見式(3)。
式中，Qz=Bιk Σhiy，Q1=Bιhoy。B、ιk分別為支架寬度及控頂距，m;ho為亞關(guān)鍵層1及其上方垮落帶內(nèi)巖層的厚度，m。而支架最終所需達到的工作阻力還應(yīng)包括平衡上部裂隙帶底界面鉸接巖塊所需的平衡力PH，即支架阻力，見式(4)。
面鉸接巖塊的下沉量。
由此可見，亞關(guān)鍵層1的破斷步距越大，支架所需達到的阻力值也越高。
根據(jù)式(3)可對大柳塔煤礦52煤大采高工作面支架所需的合理初撐力值進行計算。支架寬度、控頂距根據(jù)表1分別取2. 05m和6.62m，垮落帶高度按2.5倍采高估算，亞關(guān)鍵層1在此階段的破斷距根據(jù)礦壓實測結(jié)果取18m。由此可根據(jù)52304工作面回順45#聯(lián)巷的柱狀計算出該區(qū)域支架所需的初撐力應(yīng)達到14925kN，支架工作阻力需達到21586kN。由此可見，工作面實際采用的額定工作阻力為16800kN、18000 kN的支架，無論初撐力還是最終支架末阻力均明顯不足。
6結(jié) 論
1)正常回采期間工作面周期來壓步距平均在16.8～18. 7m，工作面來壓區(qū)域基本在30#～125#支架，來壓時頂板下沉嚴重。末采期間工作面來壓步距為8. 5～20. 4m，平均為15. 9m，來壓持續(xù)長度1.7～llm，平均6.79m，動載系數(shù)1.40～1. 70，平均1. 60，礦壓顯現(xiàn)強烈。
2)來壓期間支架工作阻力沿工作面傾向呈“幾”字型分布，呈現(xiàn)中部壓力超前的現(xiàn)象。
3)生產(chǎn)期間工作面支架工作阻力主要集中在9903k～11790kN，對于工作面來壓期間52304工作面支架處于高位運行狀態(tài)，支架額定工作阻力明顯不足，52303工作面工作阻力相對不足。
4)通過按實測支架載荷數(shù)據(jù)和按垮落帶覆巖不能形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)兩種方法估算支架所需阻力，工作阻力應(yīng)為18550k～21586kN，目前支架阻力小于估算的支架阻力。
7摘要：為了提高液壓支架選型的合理性，實現(xiàn)7m大采高工作面的安全高效生產(chǎn)，本文通過對大柳塔煤礦7m大采高52303工作面、52304工作面初采、正�；夭伞⒛┎善陂g的的礦壓進行實測，得出大采高工作面周期來壓較明顯，來壓時煤壁片幫嚴重、頂板下沉明顯，易冒頂，來壓期間支架工作阻力沿工作面傾向呈“幾”字型分布的礦壓規(guī)律。并分析了支架的受力特點，通過經(jīng)驗及理論公式對工作阻力進行了分析，并結(jié)合覆巖運動規(guī)律及形成的結(jié)構(gòu)，給出了支架工作阻力確定公式及合理的工作阻力，即16800kN液壓支架處于高位運行狀態(tài)、18000kN液壓支架工作阻力相對不足，目前大柳塔煤礦52煤使用的支架不能滿足安全生產(chǎn)的需求，合理的工作阻力應(yīng)為18550k～21586kN。
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