特厚煤层强矿压工作面综采支架及超前液压支架研究与应用

特厚煤层强矿压工作面综采支架及超前液压支架研究与应用0 前言华亭煤矿目前开采煤5层，该煤层标高+860.7m～+1023.9m，地表标高+1557m～+1580m，开采深度719.3m。

煤层平均厚度36.9m。

煤层层理明显，裂隙较发育，倾角5～8º。

250101工作面配备的是ZF7500/18/35型低位放顶煤支架，实践证明在开采过程中该型号支架立柱损坏，支架压死，造成工作面移架和推拉溜困难、支架安全阀大量失爆、工作面推进速度慢，支架维护费用高以及两顺槽超前支护段压力大，区域作业危险性高，对矿井的安全生产带来了一定的困难。

为解决这些困难，公司与天地科技股份有限公司合作，从开采方法、矿山压力及支架的参数等方面进行研究、设计，最终确定出合理的分层厚度、最佳开采方法、设计制造出参数合理的工作面液压支架及两顺槽超前液压支架，从根本上解决了以上出现的各类问题。

1 冲击倾向性测定及危险性评价(1) 煤、岩样的物理力学性质煤、岩样的物理性质。

测试煤5中层煤及顶、底板试样的视密度、真密度、含水率和自然吸水率。

煤、岩样的力学性质。

测试煤5中层煤及顶、底板试样的单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、单轴抗拉强度、变角剪强度、内摩擦角及内凝聚力。

(2) 冲击倾向性鉴定煤5中层煤的冲击倾向性鉴定：测试煤5中层煤试样的动态破坏时间、弹性能量指数和冲击能量指数，依此判定该煤层的冲击倾向性。

(3) 顶板岩层冲击倾向性鉴定：测试并计算煤5顶板各个分层的弯曲能量指数，依此计算复合顶板弯曲能量指数，判定顶板的冲击倾向性。

2、特厚煤层不同分层开采方案比较制定三个分层方案进行比较：方案（一）为分两层各层厚度为18m均采用放顶煤开采；方案（二）为分三层开采，各层厚度为12m，均采用放顶煤开采；方案（三）为首先布置顶部4.0m大采高，后分两层各16m进行放顶煤开采。

3、特厚煤层综放开采合理布置方式的数值模拟研究（1）工作面垂直应力（Szz）分析（2）工作面破坏区分析（3）工作面顶板位移分析4、特厚煤层分层综放工作面矿压显现规律研究（1）首采工作面矿压观测研究（2）观测站设置及观测内容（3）支架工作阻力观测（4）煤柱应力观测（5）顶板位移观测5、冲击地压条件下支架支护强度的确定（1）放顶煤支架工作阻力统计回归公式（2）建立在支架工作阻力构成分析基础之上的顶板结构分析估算法（3）特厚煤层综放支护强度计算方法6、超前支架适应性研究（1）结合支架围岩关系，设计适合的超前支架。

（2）分析现有支护方式的适应性，并在支架设计中进行改进。

（3）超前支架结构优化设计和三维动态优化分析。

（4）超前支架主要参数确定；（5）超前支架控制系统优化设计。

一、华亭煤矿煤5中层煤试样冲击倾向鉴定（1）华亭煤矿煤5中分层属于3类，为具有强冲击倾向性的煤层；（2）华亭煤矿煤5顶板岩层属于2类，为具有弱冲击倾向性的岩层；（3）考察该点到六个中心坐标的距离，其距离5个中心坐标的距离见表2-3。

根据最小距离原则易知冲击地压危险性等级为4级(较强冲击危险)。

表2-3 华亭煤矿冲击危险等级确定表1级V1(0.39，-0.28，-0.72，0.37) 0.242级V2(0.32，-0.36，-0.96，0.24) 0.203级V3(0.24，-0.12，-0.83，0.22) 0.254级V4(0.24，-0.21，-0.95，0.47) 0.125级V5(0.14，-0.23，-0.85，0.32) 0.156级V6(0.10，-0.35，-0.78，0.34) 0.21（4）通过利用数量化理论建立的冲击地压危险性评价模型在华亭煤矿的实际应用，说明该理论用于建立冲击地压危险性评价模型是可行的，评价结果和实际情况基本吻合。

（5）对冲击地压危险性进行评价的结果表明华亭煤矿需要开展相关预测防治工作。

二、特厚煤层不同分层开采方案比较制定三个分层方案进行比较：方案（一）为分两层各层厚度为18m均采用放顶煤开采；方案（二）为分三层开采，各层厚度为12m，均采用放顶煤开采；方案（三）为首先布置顶部4.0m大采高，后分两层各16m进行放顶煤开采。

三、特厚煤层综放开采合理布置方式的数值模拟研究1、工作面垂直应力（Szz）分析通过对两种方案的垂直应力云图（Szz）进行分析发现：(1) 初采期间，两种方案沿工作面面长方向和推进方向均存在应力降低区、支承压力区和原岩应力区，并沿面长方向出现两个峰值区域；(2) 两种方案在开切眼时均在工作面煤壁上方出现应力集中，应力集中范围大致相等；(3) 随着工作面的推进，两种方案均在工作面处出现应力降低区，应力值约为2MPa，在工作面煤壁前方出现应力集中，工作面超前支承应力峰值距煤壁约为15~20米，第二种方案超前支承应力的超前距离较第一种方案大，且应力值较大，由于超前支承应力峰值点为综放开采顶煤破碎运移的始动点，因此第二种方案顶煤的破碎效果较第一种方案好；从工作面应力分布的角度进行分析发现，第二种方案较第一种方案优越。

2 工作面破坏区分析通过对两种工作面布置方案的破坏区图进行分析发现：(1) 两种方案的顶煤破碎效果均较好，不仅顶煤破碎充分，且部分直接顶也发生了破坏，但第一种方案的直接顶破坏区比第二种方案较小，因此在工作面初次来压及周期来压时第一种方案的冲击载荷较大，从此角度进行分析，第二种方案较优越；(2) 第一种方案由于采高大（4.5m），从破坏区图进行分析发现，其片帮情况要比第二种方案严重，从此角度进行分析发现，第二种方案较优越。

从破坏区的角度进行分析发现，第二种方案（分三层）比较优越。

3 工作面顶板位移分析通过对两种工作面布置方案的顶板位移图进行分析发现：：(1) 第一种方案的工作面位移速率及位移量均较第二种方案大，即第一种方案的顶板位移量大，顶板下移支架需要承载的载荷大，又由于第一种方案的顶煤（13.5m）较第二种方案（9m）厚，因此支架所需支承的顶煤载荷要大，经过经验估算法需要的支架工作阻力也要比第二种方案大的多；(2) 由于采深较大，地应力较大，且第一分层开采时底板为十几米的煤层，通过数值分析发现，底板底鼓现象十分严重，应当在开采中引起足够的注意。

从位移的角度进行分析发现，第二种方案（分三层）比较优越。

四、特厚煤层分层综放工作面矿压显现规律研究观测研究结果（1）工作面上方顶煤在距工作面10m左右即开始移动，距工作面4m左右时移动更加剧烈，顶板岩层的断裂具有周期性，老顶的悬顶在30m以上，断裂周期与工作面周期来压具有一致性。

顶煤移动周期性不明显，在距工作面6m 左右开始移动，工作面推过2m左右时即处于支架上方移动剧烈。

（2）工作面来压具有周期性。

每次来压持续时间较长，两次来压间隙短。

周期来压步距为31～51m。

工作面超前支撑压力影响范围13～21m.，剧烈影响范围为4.8～10.6m，应力集中系数Ka 1.05～1.72。

采动在煤柱中引起的应力集中峰值位于煤柱内12m左右处。

五、冲击地压条件下支架支护强度的确定综合计算结果如下表所示：根据研究计算结果，最后确定华亭煤矿250102工作面应用ZF12000/23/35H反四连杆低位放顶煤支架，支护强度为1.14-1.15Mpa，支架中心距为1.75米，本液压支架的使用成功解决了华亭煤矿250101工作面使用的ZF7500/18/35型低位放顶煤支架时，立柱损坏，支架压死，造成工作面移架和推拉溜困难、支架安全阀大量失爆、工作面推进速度慢，支架维护费用高等现象，使用效果很好。

六、超前支架适应性研究1、主要研究内容：（1）结合支架围岩关系，设计适合的超前支架。

（2）分析现有支护方式的适应性，并在支架设计中进行改进。

（3）超前支架结构优化设计和三维动态优化分析。

（4）超前支架主要参数确定；（5）超前支架控制系统优化设计。

2、支架特点（1）本超前支架为锚固支架加两组超前支架前后置布置，支架采用条梁结构，顶梁和底座间采用调架千斤顶调架，顶梁间还设有护顶板防止漏矸。

（2）锚固支架采用四连杆稳定机构，用于支护巷道，保证巷道的安全不变形，确保安全生产。

（3）因为两组超前支架顶梁比较长接近11m,为保证支架的稳定性，支架设计为铰接刚性整体顶梁和底座，采用四连杆稳定机构和二立杆机构，保证了支架稳定性。

（4）该巷道超前支架条梁式底座间距为1200mm。

3、安装及使用情况2008年12月26日始装车运输，至2009年元月8日完成安装。

其中12月26日至元月1日每天三班安装，从2日矿井恢复生产以来，每天中班检修时安装，共用7个工日完成了超前支护支架的场面装车、井下运输安装。

支架自安装使用以来，一直运行良好，且解决了华亭煤矿250102回风顺槽超前支护的难题采用端头液压支架和超前液压支架联合支护，实现顺槽超前完全机械化支护。

我国目前只有神东矿区和晋城寺河矿等赋存条件好的矿区采用。

使用从国外引进的先进设备,实现高产高效。

使用端头液压支架是解决工作面端头支护问题的有效途径，由于端头处设备汇集，配套关系复杂，使端头支架结构设计难度很大。

现用端头支架的型式主要有两架一组偏置式、两架一组中置式、三架一组中置式和前后两架组合式。

目前,大同塔山、鲁能河曲、兖州、陕西亭南、甘肃华亭等矿区已开始推广应用上述新型工作面端头与超前支护液压支架，这项成果为解决综采综放工作面端头与顺槽超前支护重大技术难题提供了一条新途径。

本液压支架的使用成功解决了华亭煤矿250101工作面使用的ZF7500/18/35型低位放顶煤支架时，立柱损坏，支架压死，造成工作面移架和推拉溜困难、支架安全阀大量失爆、工作面推进速度慢，支架维护费用高等现象，使用效果很好。

在250102工作面回风顺槽安装超前支护支架一套，总长度为26.976m。

基本架型为两架一组，即一组锚固支架ZH12000/24/36C再加两组超前支架ZH24000/24/36A及ZH24000/24/36B组成。

在回风顺槽使用了超前液压支架，增强了该区段的安全性，减少了作业人员对该区段的工作量，保证了工作面的安全生产，提高了整体矿井的安全性。