平朔矿区综放开采支架合理工作阻力和顶煤冒放性研究

关键词：综放，工作阻力，冒放性

1 引言

综放工作面的顶板控制主要突出表现在支架和围岩的适应性上，当适应性好时，顶板事故率低，工作面高产高效。适应性主要表现为液压支架的架型和主要参数。其中液压支架合理的工作阻力是最重要的支架参数。支架工作阻力的增加，可有效地控制顶板和顶煤。但如果工作阻力过大，往往阻力利用率不高还增加支架重量和造价[1-3]。

目前决定液压支架合理工作阻力的方法主要有：荷载估算法、实测统计法和理论分析法。

根据支架端面情况，计算了支架合理的工作阻力。但对于浅埋深综放开采支架工作阻力的确定还没有一个有效可靠的方法，主要还是依靠实测统计。本文针对平朔安家岭井工矿4101首采综放面，进行了支架工作阻力的实测，并结合顶煤的冒放性对支架的工作阻力进行综合评价。

2 工作面基本概况

4101工作面为安家岭井工矿首采工作面,地处七里河东岸的山间谷地，地表多以冲沟、陡坎形成黄土梁峁地形；地貌为典型的黄土高原地貌，黄土广布、沟壑纵横，地形支离破碎。原始地形标高1300.7―1363.2m，相对高差62.5m；现地表为安家岭露天矿西排土场，排土场最终标高为1355―1435m。

4101工作面北部为安家岭露天矿边帮保安煤柱，东部为4101主运巷与辅运巷煤柱，南部为1#井副斜井保护煤柱，西部与地方西易矿毗邻。

4101工作面4#煤层在本区全区稳定可采, 4-1#煤层厚度4.96―7.96m,平均7.02m;煤层结构较复杂,含夹矸3―5层,夹矸厚0.02―0.25m,夹矸岩性多为砂质泥岩、粉砂岩及炭质泥岩。

直接顶：浅灰色粗砂岩，厚度7.53―11.28m，平均9.44m,接触式胶结,分选和滚圆均差,中部夹浅灰色细砾岩,成分多为燧石、石英岩屑，砾径4mm左右，均为半棱角状，孔隙度较大。

老顶:灰黑色砂质泥岩,厚度4.2―6.2m,平均厚5.77m,含较多植物化石,薄层中含少量炭质,下部含高岭土质,局部为粉砂岩。

直接底:灰褐色砂质泥岩和4-2#煤层,砂质泥岩含少量炭质和植物根化石(局部地段下部有0.67m厚的高岭岩),厚度0.65―2.10m,平均1.42m;4-2#煤层,黑色,厚度3.44―4.58m,平均3.87m。

安家岭井工矿4-1#煤层4101工作面地质储量489.49万t，工业储量399.1万t,可采储量299.3万t(回采率厚煤层按75%计算)；4101工作面采用综采放顶煤一次采全高,后退式倾向长壁采煤法。采用双轮、顺序、多口、等量放煤，一刀一放，放煤步距0.8m。工作面煤厚4.96~7.96m，平均7.02m，采高3.2m，平均放煤高度3.82m，则采放比：1：1.2。

3、支架工作阻力的现场实测

工作面液压支架选用北京煤矿机械厂生产的ZFS8000/23/37型正四连杆四柱支撑掩护式低位放顶煤支架和ZFG/8000/23/37型反四连杆四柱支撑掩护式放顶煤排头支架。额定工作阻力为8000KN。工作面液压支架工作阻力采用尤洛卡自动记录仪连续监测。根据自动记录液压支架工作阻力的尤洛卡数据，以工作面推进距离（L）为横坐标，以各循环的初撑力 、时间加权平均阻力 为纵坐标，绘出支架阻力沿工作面推进方向的变化曲线。图1~3分别为3#、6#和9#测线（分别对应37#、85#和133#支架）工作阻力与推进距离之间的变化关系。它们分别代表工作面头、中、尾部支架的工作阻力变化。

以实测阻力平均值 加其一倍均方差 为老顶来压的判据 。再加上初撑力和时间加权平均阻力的平均值加其一倍均方差为老顶来压的辅助判据。从图1~3可以清楚地确定老顶来压性质、位置和顺序。图1-3所示观测期间经历了老顶的初次来压和四次周期来压。具体来压步距及参数计算结果见表1。实测结果显示：4101工作面头、中、尾老顶初次来压的步距为56.8m。老顶初次来压步距大。回采初期，工作面上覆岩层沿推进方向形成了大型的板或者梁结构，而且直接顶也很稳定，对维护老顶的稳定性起到了很大的支撑作用，再加上老顶岩层是由细纱岩组成，完整稳定，难以破断，而且动载系数达1.37。

老顶的周期来压步距为11m~21m，平均为15.5m。实测结果表明：老顶的周期来压，沿工作面方向并不是同时来压，而是呈现局部来压、迁移特征。对于长工作面而言，这是一种十分值得关注的特征。

图1 头部9# 测线工作阻力与推进距离的关系

图2 中部6#测线工作阻力与推进距离关系 

图3 尾部3#测线工作阻力与推进距离关系

老顶的来压强度通常用动载系数来衡量，所谓动载系数是指来压时的支护阻力和来压前支护阻力平均值的比值，动压系数反映了老顶来压的强弱，表1给出了老顶历次来压的强度及其来压步距。

表1 4101综放工作面老顶来压步距及强度

以上着重分析了支架整体平均加权工作阻力、平均初撑力与工作面推进度的关系，从而获得老顶来压步距和强度等重要指标，而支架工作阻力的频率分布也是支架工作状况的重要指标。把实测数据总结并绘制图4~5所示支护阻力分布图，对4101工作面所用的四柱支撑掩护式支架支护阻力及其性能进行评价。

图4  4101工作面液压支架初撑力分布图

图5  4101工作面液压支架时间加权平均工作阻力分布图

从以上实测数据，我们可以得到如下一些结论：

（1）实测初撑力平均值为4086KN/架，初撑力平均值与额定初撑力（6300KN/架）的比值为65%。最大初撑力为7400KN/架，比额定值高1100KN/架。

（2）顶板来压时最大工作阻力8200KN/架，为额定工作阻力的102%。但持续时间较短。

（3）时间加权工作阻力平均值为4929KN/架，相当于额定工作阻力（8000KN/架）的61.6％。其最大值为7900KN/架，相当于额定工作阻力的98％。由此看来，该支架在综放工作面正常开采时支护阻力是充足的。

（4）工作面液压支架的初撑力和时间加权工作阻力的分布符合正态分布，如图4、5。

液压支架运转特性曲线是评价支架运行的重要指标。在一个采煤循环内，所用四柱支撑掩护式支架的 曲线有初撑、一次增阻、二次增阻和多次增阻几种类型。其中，一次增阻型占了70.1％，在各类型中频率最高，这表明该支架在4101工作面应用运转特性是良好的。

4、顶煤冒放性的分析

顶煤冒放性的影响是一个多因素交织共同作用的复杂问题，各因素的主次关系和影响权重各不一样。本研究采用太原理工大学采矿工艺所靳钟铭教授的顶煤冒放性的研究成果。其分类的计算公式为：

式中y为顶煤冒放性系数，H为煤层的埋深，Rc为煤层的单轴抗压强度，C为裂隙的发育程度系数，mj为煤层中夹石的厚度，md为顶煤的厚度，反映采放比的影响。

对4＃煤而言，埋深H为150m，煤层的单轴抗压强度为23Mpa，煤层节理发育，C选为0.4，夹石厚度mj为0.2m，顶煤厚度选为3.8m,把上述数据代入公式（1），可得y=0.73。

根据表2顶煤冒放性分类表数据，4＃煤冒放性为中等。但我们通过适当提高支架工作阻力，选择合理的架型和放煤参数，可以从机械破煤的角度，提高顶煤的冒放性。

表2 顶煤冒放性综合指标y分类表

放煤工艺特点选择有利于控制架前冒顶的支架选择合理低位放顶煤支架适当提高支架工作阻力，选择合理的架型和放煤参数需采取专门的顶煤处理措施不适宜放顶煤开采顶煤垮落块度的大小直接影响到顶煤能否有效的放落而被回收，也是评价顶煤冒放性的重要指标。如果顶煤块度过大，那么顶煤很有可能放落到采空区内，即使放落在运输机上，由于块度过大无法拉走，影响到顶煤的回收率。因此研究顶煤放落块度是放顶煤开采的关键所在。

本研究采用照相和实测相结合的顶煤块度观测方法，将顶煤垮落的块度分为三个等级：<0.5m、0.5~1.0m、>1.0m。图6为4101工作面顶煤垮落块度分布的饼状图，图中表明：小于0.5m占85%，0.5m~1.0m占13.3%，两者之和达到了98.3%。而大于1m只占1.7%。顶煤垮落块度分布表明： 4101工作面顶煤垮落块度不大，极大部分顶煤能够顺利放落。

统计结果表明：顶煤垮落的块度主要集中在0.3m以下，头部垮落顶煤的平均块度为0.23m，中部垮落顶煤的平均块度为0.27m，尾部垮落顶煤的平均块度为0.29m。工作面的顶煤垮落的平均块度为0.26m。顶煤中也有大于0.8m的煤块，但所占比例极少。

从顶煤垮落块度的实测结果来看，顶煤总体的垮落块度不大，顶煤的冒放性较好。虽然从理论计算结果看，顶煤的冒放性属于中等，但工作面选用了较合适的高工作阻力支架，对顶煤的压裂破碎，起到了一定的辅助作用。

图6 顶煤垮落块度分布的饼状图

5 主要结论

（1）通过对4101工作面头、中、尾3条测线分析可知，工作面老顶初次来压步距较大，为56.8m。老顶的周期来压步距平均为15.5m。虽然煤层埋深较浅，但工作面表现来压强烈，初次来压的动载系数为1.37。

（2）支架初撑力平均值为4086KN/架，初撑力平均值与额定初撑力（6300KN/架）的比值为65%。时间加权工作阻力平均值为4929KN/架，相当于额定工作阻力（8000KN/架）的61.6％。工作面液压支架的初撑力和时间加权工作阻力的分布符合正态分布。支架工作阻力的运行特征基本呈现一次增阻，占70.1%。从工作面支架的初撑力和时间加权阻力的平均值和频度分布，以及运行特性来看，ZFS8000/23/37型正四连杆四柱支撑掩护式低位放顶煤支架对“两硬”条件下4101工作面顶板条件和综放开采具有良好的适应性。

（3）支架最大初撑力为7400KN/架，比额定值高1100KN/架。顶板来压时最大工作阻力8200KN/架，为额定工作阻力的102%。持续时间有3～5循环。工作面支架的工作阻力超过其额定工作阻力。但大流量安全阀保护了支架，有效地支撑了综放开采条件下的坚硬顶板。

（4）通过对顶煤冒放性分类的综合分析4＃煤冒放性分类为中等。但从顶煤垮落块度的实测结果来看，顶煤总体的垮落块度不大，顶煤的冒放性较好。虽然顶煤的冒放性属于中等，但工作面选用了较合适的高工作阻力支架，对顶煤的压裂破碎起到了一定的辅助作用，提高了顶煤的冒放性。

（5）综上分析，4101工作面选用ZFS8000/23/37支架，工作阻力选择比较合适。一方面从支架工作阻力实测结果来看，800吨支架有效地支撑了顶煤和顶板；另一方面，高阻力支架对顶煤的压裂破碎起到了一定的辅助作用，提高了顶煤的冒放性。

参考文献

[1] 钱鸣高，石平五，矿山压力与岩层控制，徐州：中国矿业大学出版社，2003

[2] 刘长友，钱鸣高，曹胜根等，采场支架阻力与顶板下沉量关系的研究，矿山压力与顶板管理，1997（3－4）：13～15

[3] 陈炎光，钱鸣高，中国煤矿采场围岩控制，徐州：中国矿业大学出版社，1994

基金项目：国家自然科学基金（10372111）