綜放工作面過陷落柱支架穩定性控制技術研究

史曉帆

(山西長平煤業有限責任公司,山西 晉城 048000)

綜采放頂煤技術是我國現階段的主要采煤方法之一,如何實現綜放工作面安全高效生產是眾多煤礦技術工作者的研究課題,液壓支架支得住、走得動,是實現工作面安全高效開采的核心[1-3]。

1　工程概況

III4323綜放工作面位于3#煤四盤區,井下標高509 m～545 m,地面標高932 m～978 m,走向長526.71 m(幫—停),傾斜長135.7 m(幫—幫),工作面由切眼到停采線附近兩邊低中間高,煤層總厚度為5.84 m,含有一層夾矸厚度為0.32 m,煤層傾角2°～10°,平均傾角6°。煤為黑色,似金屬光澤,內生裂隙發育,亮煤為主,含暗煤,屬光亮型煤,夾矸為泥巖,變異系數0.08%,可采指數1。老頂為中粒砂巖,平均厚度為11.23 m,淺灰色,中層狀,成分以石英為主,長石次之,含巖屑,硅泥質膠結,夾泥巖條帶于薄層,具波狀層理;直接頂為砂質泥巖,平均厚度為2.94 m,黑色,參差狀斷口,具有垂直節理,內部有擦痕,含白云母片和大量植物化石;直接底為泥巖,平均厚度為0.50 m,黑色,參差狀斷口,含有云母片和大量的植物化石;老底為砂質泥巖,平均厚度為0.34 m,黑色,中厚層狀,含云母片,具水平紋理。

工作面使用MG450/1020-WD型雙滾筒采煤機,滾筒截深0.8 m,ZF7200/17/33.5型液壓支架(86架),ZPG10000/18.5/33.5型排頭、尾架(7架)。采用走向長壁、全部垮落、后退式綜合機械化放頂煤采煤方法,割煤高度2.8 m,放煤高度3.04 m,采放比1:1.09。

2　支架傾倒失穩分析

2.1　支架受力狀態分析

支架傾倒失穩主要是由于支架所受到的合力作用點偏離支架下邊緣,即支架合力作用點處的力矩不平衡,引起支架沿某一點或某條軸線轉動,實質是由于支架受到傾斜向下的分力與垂直斜面的分力力矩不平衡。支架受力模型見圖1。

圖1　支架受力模型Fig.1　Mechanical model of the support

圖中B表示支架寬度;C表示支架重心高度;h表示支架高度,O點表示力矩極限平衡條件下底板反力作用點。當處于力矩極限平衡時,支架達到繞O點的旋轉的臨界穩定條件。

支架在工作面處于工作狀態時,支架受到支架自身自重G,上覆巖層對支架壓力(支架支護阻力)P,支架與頂板的摩擦力f2(支架與頂板的摩擦系數為μ),以及支架與底板的摩擦力f1共同作用。支架在工作面斜面上不發生傾倒,保持穩定,需要滿足支架受到傾斜向下的分力與垂直斜面的分力力矩平衡。表達式為:

f2=μPcosα.

運算得:

由上式可以看出,支架在工作狀態時,支架傾倒的穩定性與支架架寬B、支架自重G、支架高度h、支架重心高度、上覆巖層對支架壓力(支架支護阻力)P等因素有關。支架架寬B和支架自重G由支架自身結構決定,不受回采地質條件變化影響,而支架高度h、支架重心高度C及支架支護阻力P受回采地質條件影響較大,是工作面液壓支架發生傾倒失穩的主要影響因素[4]。

2.2　過陷落柱時支架傾倒分析

長平礦Ⅲ4323工作面發育以下構造:SX86陷落柱,Ⅲ4323工作面回采至39 m左右將揭露SX86陷落柱,回采至94 m左右陷落柱在工作面內完全通過,陷落柱在工作面推進方向影響55 m左右,采面內最大影響50 m左右;DX20陷落柱,Ⅲ4323工作面回采至345 m左右將揭露DX20陷落柱,長軸約118 m,短軸約75 m,回采至445 m通過該陷落柱。

受煤層起伏變化、地質構造、應力集中及鄰近工作面動壓作用等多種因素影響,工作面回采過程中局部頂板節理裂隙發育,煤體疏松破碎,特別是在陷落柱影響區域,煤層及頂底板圍巖結構發生變化,頂煤及頂板破碎。此期間,長平礦綜放工作面支架易發生傾倒的原因為:工作面割煤后煤壁易發生片幫,破碎頂煤不易控制,導致割煤高度增大,支架不能及時護頂,易引起大范圍的頂煤及頂板的嚴重冒落,在多個支架頂梁上方形成空洞,使得支架實際支撐力很小[5],此時支架高、重心高,加上煤層傾斜影響,支架所受到的合力作用點偏離支架下邊緣,引起支架沿某一點或某條軸線轉動,支架易發生失穩傾倒。

3　支架穩定性控制

3.1　控制措施

通過以上對支架受力狀態及影響因素和過陷落柱時支架傾倒失穩的原因分析,結合長平礦Ⅲ4323綜放工作面開采條件及支架的實際情況,為保證過陷落柱期間支架的穩定性,采取的控制措施如下。

1)嚴格控制采高,及時支護。采煤機割煤后先移支架,后移輸送機,移架后及時伸出伸縮梁護頂,有效防止冒頂;工作面片幫嚴重、頂板破碎時,要及時拉超前架,防止冒頂漏矸;當超前架拉出后,梁端距仍然超過標準時,應采取超前采煤機進行移架,使支架頂梁頂住煤壁,不讓頂板暴露出來。

2)提高支架支護阻力,帶壓擦頂拉架。保證泵站有足夠的壓力,拉架時少降快拉,確保支柱保持一定工作阻力,使頂梁貼著頂板擦頂前移,實現不降架前移,快速擦頂移過,立即升緊,及時支護因片幫而增加的空頂面積,可減輕移架時頂板巖層的活動,減少因移架而造成的頂板破壞。

3)控制好支架間距,充分利用支架的側護板。通過支架側護板,及時調整支架間距和方向,減少支架間漏矸,使支架充分接頂、受力均勻,防止支架歪斜傾倒。

4)加強對煤壁和頂板的管理。提前進行注漿加固,控制煤壁片幫,直立的煤幫能有效控制上部頂煤和頂板的冒落,確保支架能有效接頂。

3.2　控制效果

長平礦Ⅲ4323工作面過SX86陷落柱、DX20陷落柱及頂板破碎帶期間,采用以上控制措施進行了試驗,礦壓觀測結果表明:試驗期間支架初撐力和工作阻力均呈正態分布,說明支架初撐力和工作阻力分布均勻,支架受力狀態良好,工作面支架最大阻力達到6 381 kN,平均5 985 kN,分別達到額定工作阻力的88.6%和83.1%,支架的工作阻力能夠得到有效利用,支護狀態良好;過陷落柱及頂板破碎帶期間,支架沒有發生歪斜傾倒現象。

4　結束語

1)根據支架受力分析,結合長平礦實際情況分析可知:割煤高度增大,煤壁片幫引起的破碎頂煤嚴重冒落,支架頂梁上方形成空洞,使得支架實際支撐力很小,加上煤層傾斜影響,是支架歪斜傾倒的原因。

2)通過采用嚴格控制采高、及時支護,調高支架支護阻力、帶壓擦頂拉架,利用側護板控制好支架間距及防止漏矸,加強對工作面頂板管理等相關措施,可以有效控制支架傾倒。

3)礦壓觀測表明,試驗期間支架初撐力和工作阻力均呈正態分布,說明支架初撐力和工作阻力分布均勻,支架受力狀態良好,過陷落柱及頂板破碎帶期間,支架沒有發生歪斜傾倒現象。