近距离煤层采空区下支架工作阻力分析及适应性研究_顼建新.pdf

煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 1工程概况 表 181220 工作面顶底板岩层性质表 同煤集团四台矿 14 号煤层 412 盘区 81220 工作 面， 主采煤层为 14-2煤层， 煤层均厚 2.1m， 煤层平均 倾角 6， 工作面位于 1045 水平 412 采区， 工作面西 邻 14311 盘区， 东邻南郊区高山煤矿， 南部为 81218 工作面， 现正在回采中， 北部为 1481222 工作面未 开拓； 煤层直接顶为中粗砂岩， 均厚 1.93m， 工作面上 覆为 12 煤层的采空区， 14-2 煤层与 12 煤层间的 平均间距为 14m， 81220 工作面的基本顶为细砂页 岩， 均厚 12.61m， 直接底为中细砂岩， 均厚 1m， 具体 煤层顶底板岩层特征如表 1 所示。 工作面采用综合机 械化沿煤层顶底板一次采全高进行开采， 采高 2.1m， 采煤机割深 0.6m。 2支架 - 工作阻力分析 2.1覆岩结构判断 根据 81220 工作面的具体地质条件可知， 14-2 煤层与 12 煤层间的第一层亚关键层为基本顶细砂 页岩， 由于两煤层间存在着厚硬的基本顶结构， 基本 顶会随着 81220 工作面回采作业的进行而出现周期 性的垮落， 进而对 81220 工作面采场矿山压力的显现 造成直接的影响。 81220 工作面在回采过程中， 基本顶的破断形式 为砌体梁式垮落或者悬臂式垮落主要取决于基本顶 在回采过程中块体的回转角是否会超过保证结构稳 定的最大回转角度， 当超过其最大回转角度时， 破断 块体会在回转变形下导致失稳， 进而失去与其他块体 间的横向作用力， 关键块体便会出现直接垮落， 因此 近距离煤层采空区下支架工作阻力分析及适应性研究 顼 建 新 （同煤集团四台矿 ，山西 大同 037003 ） 摘要为对近距离煤层采空区下 81220 工作面液压支架进行合理选型，针对工作面覆岩结构的判 断， 得出基本顶以砌体梁的形式存在， 进而建立 81220 工作面支架的力学模型， 结合的具体情况得出 所需支架的初撑力及工作阻力， 确定采用 ZZ5200/25/47 型液压支架， 并进行矿压监测。结果表明 回 采过程中， 支架的工作阻力在 1772.6kN～4726.9kN之间， 工作阻力的富裕系数为 9.1～65.9， 支架的 适应性较好。 关键词 近距离煤层 ； 采空区 ； 支架适应性 中图分类号 TD355文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 02- 0037- 04 Analysis of Working Resistance and Adaptability of Lower Supports in Short-distance Coal Seam Goaf XU Jianxin （Sitai Coal Mine DatongCoal Mine Group ， Shanxi Datong 037003 ） Abstract In order tomake a reasonable selection ofthe hydraulic support ofthe 81220 workingface in the short- distance coal seam goaf, the basic top is in the ofmasonry beam, and the mechanical model of the 81220 working face support is established. The specific conditions of the combination are used to determine the initial support force and working resistance of the required bracket. It is determined that the ZZ5200/25/47 hydraulic support is used and the mine pressure monitoring is carried out. The results showthat during the mining process, the working resistance of the bracket is between 1772.6kN and 4726.9kN, and the richness coefficient of the working resistance is 9.1～65.9. The adaptabilityofthe bracket is good. Key words Short- distance coal seam; goaf ; stent adaptability 顶底板 名称 岩性 厚度 m 岩性特征 基本顶 细砂页岩 互层 12.61 灰色到深灰色， 岩性变化复杂， 局部变厚为中砂 岩， 局部夹煤线 直接顶 中粗砂岩 互层 1.93灰色， 局部有白色中砂岩， 夹煤线 直接底中细砂岩1.0 灰色到灰白色， 断面平坦状， 植物碎片化石， 水平 层理 老底粉砂岩3.43 灰白色， 巨厚层状， 块状构造， 含有暗色矿物钙质 胶结， 坚硬 37 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 可基于破断块体的回转量能够对基本顶结构的形态 进行有效判断， 对于关键块体是否形成 “悬臂梁” 结构 其判别公式如下 Mkp- 1∑hi＞h- 2ql 2 σc■ （1 ） 式中 kp为直接顶垮落岩块的碎胀系数，取值在 1.05～1.8； M为煤层的采高， m； h 为关键层的厚度， m； q 为关键层及其上覆岩层的载荷， MPa； ∑hi为关键层 下部直接顶的厚度， m； σc为关键层破断岩块的单轴 抗压强度， MPa。当式 （1 ） 成立时， 即表明上覆基本顶 细砂页岩破断时以 “悬臂梁” 的形式存在， 当式 （1 ） 中 的不等式不成立时， 即表明基本顶关键块体以砌体梁 的形式存在。 根据 81220 工作面的具体地质条件， 工作面上方 为 12 煤层采空区，上覆岩层第一亚关键层为 12.61m 的细砂页岩, 取直接顶的碎胀系数 Kp1.4， σc83.11MPa， l36.8m， q1200.7kPa， 计算得出上述等 号左边为 2.9， 等号右侧为 9.61， 故基于此可知 81220 工作面基本顶岩层不符合悬臂梁的形成层条件， 所以 能够认为 81220 工作面在回采过程中， 基本顶会形成 砌体梁的结构。 2.2支架工作阻力确定 根据上述分析知 81220 工作面与上覆煤层采空 区间存在着基本顶， 并且基本顶岩层的破断结构回转 下沉量较小，岩块间在铰接作用下形成砌体梁结构， 下煤层的顶板在支架的支撑作用下， 支架后方的顶板 岩层较为破碎， 具体层间砌体梁结构支架支护阻力的 计算模型如图 1 所示。 图 1近距离煤层采空区下砌体梁结构力学模型 根据近距离煤层采空区下砌体梁结构的力学模 型可知， 下煤层工作面的基本顶在下煤层回采后会形 成砌体梁的结构形态， 下煤层工作面液压支架的工作 阻力主要由两部分组成， 其中一部分为平衡基本顶砌 体梁结构岩块 A 所需的平衡力 PH，该平衡力会避免 砌体梁岩块沿着工作面形成切顶， 致使出现大量的台 阶下沉； 另外一部分为液压支架基本顶下方岩层的重 量， 该部分重量即为支架控顶范围内的直接顶岩层的 重量。 基于上述分析可知基本顶砌体梁结构下液压支 架的工作阻力的计算公式如下 PQ1 2- L1tanφ-θ 2H-δ （）Q2 P初≥ MLmBγ K p-1cosα （2 ） 式中 P 为支架的工作阻力， kN； P 初为支架的初 撑力， kN； L1为基本顶的破断块度，取为 5m； Q1为直 接顶的重量，为 3000kN; H 为基本顶的厚度取为 12.61m； δ 为基本顶的回转下沉量，取为 2m； Q2为基 本顶的重量，为 1164.35kN; Lm 为控顶及悬顶距， 16m; B 为支架的宽度， 1.6m; θ 为支架立柱与底板法 线之间的夹角，取为 20； γ 为上覆岩层的容重， 21kN/m3,M为煤层的采高， 取为 2.1m； α 为煤层倾角， 取为 6； φ 为岩层内摩擦角， 取为 50； Kp为垮落矸 石的碎胀系数， 取为 1.4； 根据上述数据能够计算得出 支架的工作阻力 P5012kN，支架的初撑力 P初 2822.4kN。 基于上述分析得出的支架工作阻力与支架初撑 力的数值， 并考虑到一定的安全系数， 选择 81220 工 作面采用 ZZ5200/25/47 型液压支架，该支架的工作 阻力为 5200kN， 支架的初撑力为 4653kN。 3支架适应性分析 3.1工作面矿压监测方案 为充分掌握 81220 工作面的矿压显现规律， 并有 效验证分析液压支架选型的合理性， 从工作面轨道巷 开始，沿着工作面的面长方向布置 3 个矿压观测测 站， 每个矿压观测站内设置 3 条测线， 即每个测站内 对 3 台液压支架的工作状态进行监测， 监测作业时通 过安装在液压支架上的数显压力计对工作面液压支 架的工作状态进行有效监测， 得出每个工作面循环末 支架后柱的工作阻力，上部测站位于 3、 13 和 24 支架， 中部测站位于 46、 68 和 90 支架， 下部测站 位于 100、 112 和 138 测站，具体矿压监测站的布 置方式如图 2 所示。 图 281220 工作面矿压监测站布置图 38 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 3.2矿压监测结果分析 3.2.1液压支架平均工作阻力分布 81220 工作面采用 ZZ5200/25/47 型液压支架， 该 支架的工作阻力为 5200kN， 初撑力为 4653kN， 通过 对 3 个矿压监测站进行持续 1 个月的观测记录作业， 得出 3 个测站支架循环末阻力的的观测结果， 通过整 理分析， 能够得出各个测站内支架的前柱与后柱载荷 的平均值， 具体工作面推进不同距离下， 液压支架平 均的载荷如图 3 所示。 （a ） 1 测站 （b） 2 测站 （c） 3 测站 图 3各测站液压支架平均阻力 - 工作面推进距离曲线图 通过具体分析图 3 可知，在 81220 工作面回采 过程中， 液压支架的最低压力约为 10MPa， 最高压力 约为 30MPa， 支架在此压力范围内波动较大， 通过换 算可知支架的最大工作阻力为 4997.23kN， 并未超过 支架的额定工作阻力；根据 3 个观测站液压支架平 均工作阻力的变化趋势知，工作面回采过程中受到 上覆主关键层、基本顶岩层及 12 煤层基本顶岩层 的综合控制作用，使得液压支架并未表现出明显的 周期来压现象； 另外根据图中数据可知， 工作面回采过程中支架 后柱的压力均小于支架前柱的压力，相差最大时， 支 架后柱的压力约为前柱压力的 59.8， 据此可知近距 离煤层采空区下开采，破碎顶板的载荷以静态为主， 支架的主要受力集中于工作面煤壁侧， 另外据此可知 支架的后柱的支撑效率较低， 在随后工作面推进过程 中需加强对支架的管理作业。 3.2.2液压支架载荷分布频度 根据矿压监测结果能够得出支架工作阻力分布 频度图，在监测期间之间支架在 8 月 5 日和 8 月 20 日时支架所受载荷较大， 现对这两日的支架载荷分布 频度分布进行具体分析， 8 月 5 日与 20 日的支架载 荷分布频度如图 4 所示。 （a ） 8 月 5 日 （b） 8 月 20 日 图 4液压支架支护阻力频度分布直方图 通过具体分析图 4 可知， 工作面回采期间支架的 载荷基本分布在 12～32MPa 之间， 及液压之间的工作 阻力在 1772.6kN～4726.9kN 之间，富裕系数为 9.1 ～65.9，工作阻力处于该范围的支架占到总数的 60， 支架载荷下于 12MPa 的占到总数的 30， 支架 载荷大于 32MPa 的占到 10，故基于此可知液压的 工作阻力总体比较富裕， 在顶板压力较大时， 支架的 工作阻力基本与支架的初撑力 4653kN相持平。 根据上述分析可知， 12 煤层的开采影响了下煤 层 81220 工作面的矿压规律， 81220 工作面在在回采 过程中压力显现趋于平缓，利于工作面的端头支护， 工作面回采过程中液压支架工作阻力未超过额定工 作阻力， 且富裕系数较大， 据此可知支架的选型合理， （下转第 43 页 ） 39 ChaoXing （上接第 39 页 ） 回采过程中支架适应性较好， 但应加强回采过程中支 架的管理作业。 4结论 通过建立近距离煤层采空区下液压支架的力学 模型，得出了支架工作阻力及合理初撑力的表达式， 结合 81220 工作面的具体情况， 计算得出支架的工作 阻力 P5012kN， 支架的初撑力 P 初 2822.4kN， 选择 采用 ZZ5200/25/47 型液压支架，根据矿压监测结果 知 ， 工 作 面 回 采 过 程 中 支 架 的 工 作 阻 力 在 1772.6kN～4726.9kN 之间， 支架后柱的压力均小于支 架前柱的压力， 回采过程中支架的适应性较好， 但同 时应加强回采过程中支架的管理作业。 参考文献 [1]黄庆享,贺雁鹏,罗利卜等.浅埋极近距离煤层采空区垮 落顶板活化结构及支架阻力研究[J].采矿与安全工程学 报,2018,35 （03） 561- 566. [2] 黄庆享,曹健,贺雁鹏.浅埋极近距采空区下工作面顶板结 构及支架载荷分析 [J]. 岩石力学与工程学报,2018,37 （S1） 3153- 3159. [3] 周坤友,张宏伟,李云鹏等.近距离采空区下工作面矿压显 现 分 区 特 征 研 究 [J]. 煤 炭 科 学 技 术 ,2018,46（03） 54- 60154. [4] 杨科,孔祥勇,陆伟等.近距离采空区下大倾角厚煤层开采 矿压显现规律研究 [J]. 岩石力学与工程学报,2015,34 （S2） 4278- 4285. 作者简介 顼建新 （1983-） ， 男， 山西朔州人， 工程师， 现从事煤矿生 产技术工作。（收稿日期 2019- 4- 23） 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 面需采用高质量的焊丝，并在焊接车间配置焊接烟 尘、 排烟除尘系统， 提高电焊工人的焊接技术， 管理方 面焊接前确保周边防毒措施已达标准、 通风条件已经 满足， 并进行有效检测验证， 当发生中毒时， 立即停止 作业， 采取应急措施进行施救， 控制有毒气体扩散。 3.2.2一般危险源控制 对于一般危险源的划分及其控制对策见表 6 表 6一般危险源控制方案 3.2.3轻微危险源控制 对于横梁生产线机械手焊系统中的轻微危险源 为当地电压与驱动额定电压不符的情况， 风险代号为 FN11， 针对该项风险， 确定控制方案为在图纸上明确 当地电压， 设计资料必须经多方确定， 严格执行。 4结论 针对鑫钜煤业机械加工设备的具体特点， 以横梁 生产线手焊系统为例，通过对风险评价方法分析， 再 结合灰色关联理论与模糊理论， 通过发生率、 影响度 和不可预知度进行具体风险评价， 并结合评价结果具 体给出风险控制措施， 充分保障了生产线手焊系统在 使用过程中安全生产作业， 同时避免了生产过程中存 在的风险。 参考文献 [1] 马斌.炼化机械设备检维修的风险管理[J].设备管理与维 修,2019 （01） 10- 12. [2] 陈大千. CL 公司 A 项目特种设备风险管理研究[D].青岛 大学,2018. [3] 周高轩,邵高杰.设备安装工程项目风险管理方法研究[J]. 数字通信世界,2018 （03） 279- 280. [4] 金强国.圆梁山隧道进口揭煤防突施工技术研究[J].隧道 建设,2004 （05） 61- 65. 作者简介 郭燕艳 （1980.10.1-） ， 女， 汉族， ， 山西洪洞人， 本科， 2014 年 7 月毕业于山西省委党校， 从事工作安全及培训工作， 现 职称助理工程师。 （收稿日期 2019- 4- 26） 风险因素代号管理对策技术对策 （FN1） 焊丝购买时严格把关对焊丝各项参数进行明确说明 （FN2） 焊接时严格按照工艺焊接工艺中明确各项参数 （FN4） 焊接工人必须带防护面具制定焊接操作规程 （FN5） 加工必须按照工艺零件加工工艺严格执行 （FN6） 机械手设备必须经审核机械手设计时需进行试验 （FN7） 焊接程度保证编写步骤程序编写完成后进行模拟操作 （FN9） 电机选型经严格校核电机选型确保安全系数 （FN10） 保证尺寸一致保证连接件配合尺寸 （FN 12 ）按说明书定期保养 驱动结构保养位置明确说明 （FN13） 经常进行保养审定保证检测设备安全可靠 43 ChaoXing