大采高工作面过陷落柱回采工艺及支架适应性研究

朱 晔（中国矿业大学　（北京）力学与建筑工程学院，北京市海淀区，100083）



大采高工作面过陷落柱回采工艺及支架适应性研究

朱 晔
（中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京市海淀区，100083）

摘 要针对成庄矿5310大采高工作面推进过程遇到陷落柱的特殊开采条件，提出了过陷落柱的浅截深回采工艺，确保了工作面的连续推进；通过对过陷落柱期间液压支架工作阻力的监测分析，得出了过陷落柱期间工作面顶板压力显现规律，并对支架进行了适应性验证。

关键词大采高工作面 过陷落柱 开采工艺 浅截深 支架适应性

陷落柱是由于岩溶现象而产生的一种特殊的地质现象，可溶性岩层在地下水的剧烈溶蚀作用下产生溶洞，由于溶洞的存在，上覆岩层会产生失稳和塌陷，最终发育成一个筒状柱体。成庄矿5310工作面地质条件复杂，开采范围内有多个陷落柱直接影响到工作面推进，大采高工作面采煤方法适应性强，在复杂地质条件下能够满足工作面的回采要求。为满足安全高效生产的需要，工作面在过陷落柱阶段必须采用特殊的回采工艺。液压支架作为维护采场安全生产的关键设备，其对特殊地质条件的适应性是保证大采高工作面安全生产的关键因素。

1　工程概况

5310工作面是成庄矿首个大采高工作面，该工作面埋深311～461.4 m，工作面走向长度2540.06 m，工作面长245.75 m，平均采高5.75 m。在5310工作面开采范围内共有7个不同规模的陷落柱，其中，4个陷落柱会对工作面的开采造成直接影响。陷落柱的存在造成其周围出现煤体与顶板的破碎带，给工作面的正常推进造成一定程度的影响。各陷落柱的发育情况详见表1。

表1　陷落柱发育情况

2　过陷落柱期间回采工艺

2.1 过陷落柱采高调整

陷落柱周围的煤体及顶板会出现异常破碎带，5310工作面从切眼开始按5.5 m采高正常推进，推进116 m后遇到X121陷落柱，工作面保持沿底推进，同时开始调整采高。工作面继续推进10 m后，工作面整体采高调整至5.0 m。过陷落柱期间39#～69#支架与陷落柱直接接触，在调整采高的同时，工作面推进至距切眼127 m时，以底板抬起的方式将该区段采高调整为4.0 m。陷落柱两端各10架支架范围为采高过渡区，过渡区适当留底煤，并与陷落柱区域支架保持一个坡度，有效防止了支架钻底现象的发生。

2.2 采煤机割矸

工作面回采过程中遇到的陷落柱岩性为泥岩，泥岩强度较低，5310工作面配备的JOY 7LS6C型采煤机切割能力较强，具有切割陷落柱区域泥岩的能力。为保证大采高工作面安全高效生产，工作面应快速通过陷落柱构造带。经分析研究，选择采煤机割矸直接过陷落柱为安全可行的方案。

过陷落柱期间工作面将会通过矸石断面，一般采用两种破矸方法，当陷落柱矸石较软时，可使用采煤机直接破矸，但采用此方法采煤机将受到较大损害；当陷落柱矸石较硬时，可先采用震动爆破松动矸石，然后再用采煤机扫矸。但无论是哪一种方法，采煤机如果采用全截深一次进刀都会在煤体破碎区内增大端面距，容易引起煤体片帮，甚至冒顶。因此，通过对回采工作面地质情况与开采设备的分析研究，提出过陷落柱的浅截深回采工艺。

第一步进刀。顶板支护支架采用最小控顶距，采煤机截深0.45～0.5 m，采用工作面端头斜切进刀方式，采煤机往返一次割两刀煤，正常割煤时采煤机牵引速度为8～12 m/min，过陷落柱时速度降为2～4 m/min。

第二步采煤机割第一刀煤。前滚筒收起至护帮板下方0.1 m左右，前滚筒通过之后，若空间充足，先调整好伸缩梁，将一级护帮板外伸至煤壁，二级护帮板紧贴煤壁护帮；若空间不允许，可先伸出一级护帮板，待采煤机后滚筒通过之后再将剩余护帮板外伸至煤壁。然后将刮板输送机成组推进0.45～0.5 m，割煤时，若顶煤离层掉落，及时伸出伸缩梁，并在合适的地方伸出护帮板，以防冒顶，采煤机沿工作面割煤过程中，当采煤机距陷落柱约10 m时，开始调整采高，保证采煤机破落陷落柱矸石时采高控制在5.0 m，根据陷落柱矸石坚硬程度，采煤机牵引速度控制在2～4 m/min。

第三步采煤机割第二刀煤。滚筒采取挑顶卧底的方式割煤，采煤机截深保持不变，为方便采煤机后滚筒正常割煤，前滚筒割2～3架支架宽度的煤之后再移支架，一个完整循环包括及时支护、护帮、成组推移输送机。

2.3 支架控制及顶板管理技术措施

由于陷落柱的影响，陷落柱矸体及周围的煤体较破碎，坡度、倾角变化较大，顶板控制较困难。5310工作面过陷落柱期间重点采取控制支架进行顶板管理。

（1）确保液压支架处于良好的工作状态，过陷落柱期间液压支架初撑力维持在26 MPa以上，除护帮板必要的转动空间外，支架尽量不留伞檐，支架移架后处于最小控顶距状态。

（2）保证支架在端头及陷落柱两侧采高过渡区处于良好接顶状态，避免倒架、咬架情况的发生。

（3）顶板及时支护，应采取带压擦顶移架，片帮时，一级护帮板护帮困难或空间太小时，可采取伸缩梁外伸以支护顶板。

（4）留顶煤区域，采高控制在4.5 m以上，过渡段底板抬起，顶板留设煤体。

（5）顶板破碎掉矸、漏矸时，及时穿板梁控制顶板，防止范围扩大。工作面大面积来压时，马上停工，加强支护，情况严重时立即向调度室和值班人员汇报并撤出人员。

（6）坚持矿压观测、支架工作阻力观测，分析支架工作状态、来压步距及来压强度，提前、及时采取相关措施。

3　现场实测与矿压显现规律分析

3.1 工作面测点布置

在5310工作面共选取6架液压支架作为测点，其中工作面上端部2架，工作面中部2架，工作面下端部2架。自工作面揭露第一个陷落柱开始直至工作面推过最后一个陷落柱，监测记录工作面推进过程中支架阻力，分析5310工作面顶板压力显现规律。

3.2 过陷落柱阶段支架工作阻力实测与分析

以支架平均循环末阻力及其均方差之和作为评判顶板周期来压的主要依据，其数学表达式为:

式中:P′t——顶板来压判据，k N；

-Pt——循环末阻力的平均值，k N

σp——循环末阻力平均值的均方差，k N；

n——总循环数；

Pti——循环末阻力实测值，k N。

各支架来压判据计算结果如表2所示。

表2　周期来压评判依据　k N

自工作面揭露陷落柱时开始记录推过所有陷落柱期间的支架工作阻力，结合表2求得的顶板来压判据，可做出支架循环末阻力及时间加权平均工作阻力曲线图。由于篇幅所限，现仅作出53#支架过X123陷落柱期间支架的循环末阻力与时间加权平均工作阻力曲线图，如图1所示。

图1　53#架循环末阻力与时间加权平均工作阻力曲线图

由图1可知，工作面过X123陷落柱及正常推进期间，老顶没有来压时，支架末阻力及时间加权平均工作阻力均处于低支护阻力状态。总体时间加权平均工作阻力为工作面中部较大，机头及机尾较小。过X123陷落柱期间，由于液压支架与破碎顶板支架不能完全接触，故该阶段过该陷落柱期间支架的时间加权平均工作阻力明显低于正常推进时的时间加权平均工作阻力。

工作面过X123陷落柱及正常推进期间，当老顶来压时，即图1中的波峰处，循环末阻力与时间加权平均工作阻力明显增大，已经达到来压的评判准则，其中，支架最大工作阻力已接近支架的额定工作阻力12000 k N。受X123陷落柱构造的影响，过陷落柱期间支架的时间加权平均工作阻力较正常开采期间明显增大。

过X123陷落柱期间5310大采高工作面各支架周期来压步距分布范围为7.3～29 m，各支架周期来压平均步距分布为9.1～18.9 m，总体平均来压步距为12.6 m。其中，工作面机尾周期来压步距相对较小，为10 m左右；工作面机头处周期来压步距明显大于机尾，平均达13.9 m。工作面不同部位支架周期来压动载系数达1.16～1.46，支架的平均动载系数为1.31。工作面机头平均动载系数相对较均匀，中部及机尾随位置的不同有波动现象，中部平均动载系数最大。

3.3 液压支架适应性分析

工作面支架的受力情况与顶板的支护效果密切相关，在工作面的不同部位支架的受力情况也呈现一定的差异性，反映了支护效果及顶板来压与支架适应性的相互作用关系。通过对工作面过所有陷落柱期间支架工作阻力和初撑力的监测记录，统计分析支架受力在不同区间的分布情况，对支架适应性进行分析研究。

3.3.1 液压支架初撑力分析

液压支架初撑力是工作面顶板稳定性的一个重要因素，若初撑力太小将导致顶板支护的安全性降低，当顶板大面积来压时立柱将迅速下降，容易引发安全事故。限于篇幅仅作出53#支架过X123陷落柱阶段的初撑力分布如图2所示。

图2　53#支架初撑力频率分布直方图

通过对支架初撑力频率分布统计发现，液压支架初撑力过低，工作面液压支架额定初撑力为7917 k N，所监测的液压支架初撑力多分布在2626.7～4143.5 k N，为额定初撑力的2.1%～44.5%，平均只有2888.3 k N，为额定初撑力的36.5%，说明初撑力整体过低。因此，在支架操作过程中，要加强管理，提高支架初撑力，充分利用支架初撑力对围岩的控制作用。

3.3.2 液压支架工作阻力分析

液压支架的工作阻力在不同区间的百分比分布可作为支架性能与顶板冲击程度的评价标准，理想的工作阻力分布应该呈正弦波分布。限于篇幅仅作出53#支架过X123陷落柱期间工作阻力频率分布直方图，如图3所示。

图3　53#支架工作阻力频率分布直方图

通过对过X123陷落柱阶段各支架的工作阻力分布情况进行分析发现，53#支架为较合理的正态分布。支架工作阻力频率分布峰值为左侧峰值，这是由于支架架设时多数处于低初撑力状态，因而不能完全发挥其对顶板的支撑作用，从而导致大多数支架处于低工作阻力状态；其他支架工作阻力频率分布均出现双峰值分布，5000 k N以下的工作阻力占半数以上且10000 k N以上有较少分布，说明支架在整个工作过程中呈两种工作状态，即平时低初撑力、低工作阻力状态和来压状态，矿压显现明显。

对支架工作阻力在不同受力区间的分布统计分析可以发现，支架承载多数低于其额定阻力，支架受载不均造成支架承载能力难以发挥。通过对各支架的工作阻力分布对比发现，工作面端头支架受力情况较工作面中部明显较差，该区域支护质量差，支架难以发挥其对顶板的控制作用，因此，对端头支架应加强管理。

3.3.3 液压支架合理工作阻力验算

根据现场监测数据，以现场实测数据为基础，以顶板来压时液压支架平均最大工作阻力和来压期间支架平均最大工作阻力标准均方差来验算支架的合理工作阻力:

式中:P——支架合理的工作阻力，k N；

Pm——周期来压时平均最大工作阻力，k N；

σm——周期来压时平均最大工作阻力标准均方差，k N；

K——置信度系数，取1.5。

根据表2可知，过陷落柱阶段支架平均最大工作阻力Pm为6179.52 k N，来压期间支架平均最大工作阻力标准均方差σm为1880.18 k N，带入式（3）可得支架合理的工作阻力为8999.79 k N，所得结果与支架的额定工作阻力12000 k N的比值为75%。经过验算可得，在过陷落柱顶板周期来压阶段，支架的工作阻力有一定的富余，可以应对非正常条件下顶板压力突然增大的情况。

4　结论

（1）根据大采高工作面回采的技术特征，在工作面过陷落柱时，提出并制订了一系列相关的回采工艺和安全措施，经过生产验证取得良好经济效益，不仅确保了工作面正常开采，还保证了设备安全运行。

（2）过陷落柱期间5310大采高工作面各支架周期来压平均步距分布为9.1～18.9 m，各支架周期来压时液压支架平均动载系数分布在1.27～1.38之间。回采工作面顶板周期来压具有不同步性，工作面下端部周期来压步距较小，工作面上端部周期来压步距相对较大。

（3）工作面过陷落柱阶段，液压支架工作阻力平均值分布在3000～6000 k N区间中，两端头支架工作阻力较低，支架初撑力和末阻力为线性关系，经验算该工作面支架的工作阻力具有一定的富余量，能满足工作面安全生产。

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（责任编辑 张毅玲）

Research on mining technology and adaptability of supports during passing collapse column in working face with large mining height

Zhu Ye
（School of mechanics& Civil Engineering，China University of Mining& Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

AbstractAiming at the special mining conditions during passing collapse column in 5310 working face with large mining height in Chengzhuang Mine，mining technology with shallow cutting depth during passing collapse column was put forward，which ensured the face＇s continuous advance.By monitoring and analyzing the working resistance of hydraulic supports during passing the collapse column，the roof pressure behaviors of working face during passing the collapse column were achieved，and the adaptability of supports was verified.

Key wordsworking face with large cutting height，passing collapse column，mining technology，shallow cutting depth，adaptability of support

中图分类号TD823

文献标识码A

作者简介：朱晔（1993－），男，硕士，研究方向为地下结构与工程设计。