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综采工作面液压支架初撑控顶效果影响因素与矿压特征研究 朱 耀 成 （阳煤集团天誉矿业投资有限责任公司 ，山西 忻州 034015 ） 摘要 为了研究 1201 综采工作面液压支架初撑控顶效果， 首先通过数值模拟对支架初撑力控顶效 果影响因素进行了研究， 提出了支架合理初撑力的控制方式， 然后通过现场实测对 1201 工作面支架 初撑力的矿压特征进行分析， 得到了支架初撑力分布规律。 关键词 合理初撑力 ； 控顶效果 ； 矿压特征 中图分类号 TD355.4文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2019 ） 05- 0056- 03 Study on influencing factors and rock pressure characteristics of roof control effect of hydraulic support in fully mechanized mining face ZHUYaocheng （YangCoal Group Tianyu MiningInvestment Co., Ltd. , Xinzhou 034015 ， China ） Abstract In order to study the roof control effect of hydraulic support in 1201 fully mechanized mining face, the influencing factors of roof control effect of support initial support force were studied by numerical simulation, and the control mode of reasonable support initial support force was put forward. Then the ground pressure characteristics ofsupport initial support force in 1201 fully mechanized mining face were an- alyzed byfield measurement, and the distribution lawofsupport initial support force was obtained. Key words Reasonable settingloads ; Roofcontrollingeffect ; Rock pressure characteristics 1工程概况 1201 工作面位于张家窑南东方向， 糜查咀的西 部以及染峪近北方向， 地面沟谷纵横， 黄土覆盖， 局 部有岩石出露。工作面北西部为 1202 工作面， 北东 部为 2 号煤辅运大巷， 南东部为 1204 工作面。 采区地 面标高为 1040～1150m，工作面标高为 1412～ 1522m， 埋深 372～423m， 工作面走向长度为 785m， 倾向长度为 180m。工作面所采 2 煤层煤层厚度为 4.40～6.25m， 平均为 4.65m， 倾角为 10～15， 平均 倾角为 12， 可采储量为 91.36 万 t。 2 号煤层结构较 简单， 含夹矸约 1 层， 其老顶为粗砂岩， 均厚 27.73 m， 局部发育砂质泥岩、 粉砂岩的直接顶， 均厚 3.8m。底 板为泥岩。工作面采用走向长壁法综合机械化采煤 法， 设计采高为 4.65m， 循环进度为 0.8m， 全部垮落法 管理顶板， 工作面安装 101 架 ZY8000- 26/56 型液压 支架， 具体液压支架的参数见表 1。 表 11201 工作面液压支架参数表 2支架初撑力控顶效果影响因素 2.1数值模型的建立及模拟过程 为了研究支架初撑力控顶效果的影响因素， 本 章采用 UDEC 软件进行数值模拟分析。模型根据该 矿 1201 工作面地质情况建立，模型设置为 300m 100m 的矩形截面， 煤层厚度为 4.65m， 底板厚度为 8.5m， 采深为 390m， 模型上方岩层厚度约为 220m， 上方岩体的平均容重 25kN/m3时，上部岩层荷载为 5.5MPa， 模型如图 1 所示。 模型建立完后，选取支架初撑力 Pc5、 10、 15、 20、 25、 30MPa 几种条件下进行煤层模拟开采， 支架 额定工作阻力设置为 P31.5MPa，开采煤层全高 4.65m， 工作面控顶距取为 4.95m， 沿工作面方向每 次推进 5m， 累计推进 85m， 对煤层开采过程中的支 架下缩量进行监测。 图 1数值模拟模型图 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 项目参数单位 液压支架型号ZY8000- 26/56 最大初撑力6412kN 额定工作阻力8000kN 支护高度2.6～5.6m 支护面积7.26～8.66m2 工作面支架数量101组 56 ChaoXing 2.2支架刚度对支架初撑控顶效果的影响 在工作面与支架型号确定的情况下， 液压支架 刚度主要取决于立柱的密封性。支架在初撑和升压 阶段处于密封状态， 支架刚度不变； 当顶板压力过 大时， 出于安全考虑， 支架安全阀开启， 此时立柱处 于非密封状态， 立柱内工作液回流， 支架刚度小于 初撑升压阶段[1]。 2.2.1 非来压期间支架初撑控顶效果对比 取距工作面开切眼 20m 处 （即非来压阶段） ， 支 架在不同初撑力作用下活柱下缩量随时间的变化 情况如图 2 所示。非来压期间的顶板并未受到大荷 载扰动而处于相对稳定的状态， 当支架工作于顶板 给定变形阶段时， 也就是虚线前之前的部分， 不同 初撑力条件下的活柱下缩量趋势几乎相同[2]； 当支 架已经将原本下沉的直接顶抬起时， 也就是虚线前 之后的部分， 支架与上部顶板形成共同受力整体来 承担上部岩体载荷， 支架进入增阻升压阶段， 较大 初撑力的活柱下缩量增加幅度较小， 也就是说较大 的初撑力能够使顶板与支架更快的形成一个整体， 因此在一定范围内增加初撑力， 可以缩短支架与顶 板形成稳定状态的时间。 图 2增阻阶段支架活柱下缩量随时间变化情况 2.2.2来压期间支架初撑控顶效果对比 与非来压阶段不同， 来压阶段支架不仅受到上 部岩层载荷作用，还受到顶板在动压扰动下的冲 击， 此时支架受力显著增大。选择距工作面开切眼 65m 处 （即来压阶段） ， 支架在不同初撑力作用下活 柱下缩量随时间变化情况如图 3 所示。当支架为顶 板已形成的定量变形工作时， 也就是虚线之前的增 阻部分， 不同初撑力条件下的活柱下缩量趋势基本 相同； 但当顶板来压过大时安全阀开启， 立柱内工 作液回流， 导致支架整体刚度下降各初撑力下的支 柱下缩量都显著增加， 并且初撑力越大的支架支柱 的下缩量也越大。因此， 初撑力较大的支架， 在顶板 承受较大载荷时会使安全阀较早打开， 增加了安全 阀的开启频率， 导致了支架整体刚度的下降， 不利 于支架对顶板的控制作用。 图 3恒阻阶段支架活柱下缩量随时间变化情况 2.3直接顶强度对支架初撑控顶效果的影响 上一节已经分析了不同顶板压力情况下支架 初撑的控顶效果， 查阅相关资料可知， 直接顶的岩 性和厚度也对支架初撑控顶效果影响显著， 由于在 实际的地质条件下， 煤层的直接顶并不是稳定不变 的单一岩体， 而是随着开采工作面的推进发生一定 程度的改变[3]。本章根据 1201 工作面建立模型， 查 阅相关地质资料可知，所采 2 号煤层结构较简单， 其老顶为粗砂岩， 局部发育砂质泥岩、 粉砂岩的直 接顶， 均厚 3.8m。 因此， 本节主要研究直接顶为粗砂 岩、 砂质泥岩、 粉砂岩三种岩性的情况， 通过支架初 撑力与活柱下缩量的关系对支架的初撑控顶效果 进行分析。 （a） 非来压期间（b） 来压期间 图 4直接顶岩性变化对合理初撑支护强度的影响 查阅相关资料可知， 不同岩性的直接顶强度不 同， 强度大小的顺序为 粗砂岩 ＞ 粉砂岩 ＞ 砂质泥 岩[4]。由图 4 （a） 可以看出， 非来压期间， 砂质泥岩的 合理初撑支护强度为≥807.3kPa，粉砂岩的合理初 撑支护强度为≥813.5kPa，粗砂岩的合理初撑支护 强度为≥831.1kPa。支架的合理初撑强度随着直接 顶强度的增加变化较小，不过直接顶岩性的增加， 会使支架后方产生一定长度的悬梁， 所以随着悬梁 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 57 ChaoXing 长度的增加， 支架的初撑强度也会增大。因此， 为保 证不同直接顶在非来压期间的支架初撑控顶效果， 支架的合理初撑支护强度应该≥831.1kPa。 由图 4 （b） 可以看出， 来压期间， 砂质泥岩的合 理初撑支护强度为≥542kPa，粉砂岩的合理初撑支 护强度为≥512.4kPa，粗砂岩的合理初撑支护强度 为≥502.8kPa。 因为直接顶受到的荷载加大， 从而支 架受力增加。为了使支架更好的为增阻阶段工作， 随着直接顶强度的增大， 支架的合理初撑强度将减 小。因此， 为保证不同直接顶在来压期间的支架初 撑控顶效果，支架的合理初撑支护强度应该≥ 542kPa。 3矿压实测数据分析 上一节通过数值模拟， 研究了支架刚度和直接 顶强度对支架初撑控顶效果的影响。为了对 1201 工作面支架初撑力进行监测， 在工作面布置五个测 区， 每个监测区域提取一个支架的初撑力进行分析 [5]， 分别为 11 支架、 33 支架、 55 支架、 77 支架、 99 支架， 支架初撑力的观测方案如图 5 所示。 因工 作面泵站最大工作压力为 31.5MPa，所以将初撑力 频率分布为 6 个范围， 支架初撑力在 15d 内的频率 分布见表 1。 图 51204 工作面观测方案 表 1支架初撑力频率分布表 由表 1 可知， 初撑力的分布并不均匀， 主要分 布在 20～30MPa 区间，其中 20MPa 以上区间占到总 数的 50以上。由此看出， 在煤层回采过程中， 支架 的初撑力在 20MPa 以下区间分布较少，多集中在 20MPa 以上区间。 而支架的额定初撑力为 31.5MPa， 实际的支架初撑力只有 10左右达到了额定初撑 力， 因此， 大部分支架升柱初撑操作还要由工人手 动控制支架完成。 4结论 1） 通过六组不同支架刚度下的数值模拟得 出， 非来压期间增大支架初撑力， 可以缩短支架与 顶板形成平衡状态的时间， 提高顶板稳定性； 来压 期间增大支架初撑力， 支架工作液回流致使安全阀 频繁开启， 支架的整体刚度将有所降低， 不利于支 架对顶板的控制。 2） 通过对三组不同岩性直接顶的数值模拟得 出， 非来压期间， 当工作面直接顶由强度较小的砂质 泥岩顶板向强度较大的粗砂岩顶板过渡时， 支架的合 理初撑支护强度应增大约 20 kPa； 来压期间， 当工作 面直接顶由砂质泥岩顶板向粗砂岩顶板过渡时， 支 架的合理初撑支护强度应减小 40kPa 左右。 3）通过对矿压实测分析得出， 1201 工作面回 采期间支架初撑力虽然在各个区间都有分布， 但主 要集中在 20MPa 以上区间。 并且工作面自动化程度 较低， 未达到额定初撑力的支架仍需要人工操作。 参考文献 [1] 周宁,郭卫彬,张满社,杨彬.初撑力对仰采综放面围岩稳 定性的影响研究[J].中州煤炭,2012 （06） 6- 728. [2] 郭俊庆,杨永康,康天合.综放采场控顶区顶煤下沉量影响 因素的数值试验研究[J].中国煤炭,2012,38 （03） 62- 65. [3] 刘长友,万志军,曹胜根.直接顶岩层力学特性对综放采场 煤岩破坏的影响规律[J].矿山压力与顶板管理,2002 （01） 64- 66. [4] 高峰,钱鸣高,缪协兴.采场支架工作阻力与顶板下沉量类 双曲线关系的探讨 [J]. 岩石力学与工程学报,1999 （06） 658- 662. [5] 万峰,张洪清,韩振国.液压支架初撑力与工作面矿压显现 关系研究[J].煤炭科学技术,2011,39 （06） 18- 2025. 作者简介 朱耀成 （1987-） ， 男， 山西忻州人， 2012 年 7 月毕业于大 同大学煤炭工程学院采矿工程专业， 采煤助理工程师， 现从 事煤炭生产技术工作。（收稿日期 2019- 1- 18） 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 初撑力区 间 /MPa 频率分布 / 1133557799平均 0～1017.760.0025.0020.7321.8217.06 10～157.040.0013.7920.739.4910.15 15～209.728.418.4315.6719.3812.48 20～2513.0025.4315.1819.1521.8218.87 25～3049.9010.5436.0123.7126.0329.22 ＞303.7755.621.590.001.4712.22 58 ChaoXing