急傾斜仰采中厚煤層工作面支架穩定性因素分析

梁紅瑞

(霍州煤電集團呂梁山煤電公司店坪煤礦, 山西 呂梁 033100)

1 前言

隨著煤礦資源開采深度的不斷加大，近水平、緩傾斜煤層的持續減少，為滿足工業生產及經濟發展需求，深埋傾斜及急傾斜煤層的開采日益普及[1]。急傾斜煤層是世界采礦界一致承認的難采煤層，目前在相當程度上還處于非機械開采階段，其生產條件較差，勞動強度大，采出率低，并伴有較大安全隱患，開采技術難度遠高于緩傾斜煤層[2-3]。如何在急傾斜煤層中推廣實施綜合機械化開采是亟待解決的難題[4]，究其緣由是因為煤層傾角過大會導致工作面液壓支架穩定性降低，支架支護阻力不足，出現頂、幫片幫漏頂，頂梁接頂不實[5-6]，特別是當工作面來壓時，更易出現支架搖擺、歪斜、倒架、壓死等情況[7]。鑒于此，本文研究在龐龐塔礦地質力學環境下，急傾斜中厚煤層仰斜開采工作面液壓支架保持穩定時支護阻力的分布規律及其相關影響因素，為合理優化支架選型提供參考。

2 工程概況

龐龐塔礦井田面積13.263 9km2，井田平面形態基本呈一長方形，井田南北長約9km，東西寬約1.5km。礦井目前為“五進一回”中央分列式通風方式，采用斜井立井混合開拓方式。主采煤層有兩層，厚度分別是6.1m和11.8m，煤層為單一傾斜式，傾角一般在36°～42°，局部可達到45°～63°，煤層結構較簡單，含有兩至三層夾矸，夾矸多是砂質泥巖，厚度為0.10～0.25m。直接頂多為砂質泥巖或泥巖，局部地段為粉砂巖或細粒砂巖，從直接頂到基本頂為軟弱- 堅硬型，再向上是軟弱- 堅硬相間的平行復合結構。直接底多為砂質泥巖或炭質泥巖，局部地段為粉砂巖或細粒砂巖。

3 保持支架穩定的支護阻力

工作面使用支撐掩護式液壓支架[8]，支架在穩定狀態下的受力情況如圖1所示。β為仰采傾角，θ為支架的瞬心夾角，支架頂梁末端o1與瞬心o之間的水平距離為L。假設頂板來壓時作用在頂梁上的力為一集中載荷Q，Q1和Q2分別是Q沿支架頂梁法向和切向的分力，Q1距o1的水平距離為S；P1、P2分別為支架前、后立柱的工作阻力，其距o1的水平距離分別為L1和L2；α1、α2分別為支架前、后立柱的傾角。由于是急傾斜煤層仰斜開采，在礦壓作用下上覆冒落巖層會被徹底地“甩入”采空區，故其作用在支架掩護梁上的壓力可忽略不計[9-10]。

圖1 支架穩定時的受力情況

以整體為分析體，則

(L1+L)P1cosα1-P1sinα1Ltanθ+
P2cosα2(L2+L)+P2sinα2Ltanθ-
Q1(S+L)+Q2Ltanθ=0

(1)

取頂梁為分析體，即

(2)

又因為

Q1=Qcosβ

(3)

Q2=Qsinβ

(4)

其中，工作面初次來壓時，Q=KγHR初；周期來壓時，Q=0.5KγHR周，K為控頂距，γ為工作面上覆巖層平均容重，取25kN/m3，H為煤層埋深，R初和R周分別為頂板初次來壓步距和周期來壓步距。

再假設P1=P2=P，并把式(2)、(3)、(4)代入式(1)中，得支架支護阻力為

(5)

4 影響支架支護阻力的因素

由式(5)可知，急傾斜仰采工作面支架在穩定情形下的支護阻力與開采技術條件(包括煤層埋深、基本頂初次來壓步距、工作面控頂距、仰采傾角)和支架結構參數(包括瞬心夾角、前后柱傾角)有關。根據龐龐塔礦主采煤層的實際情況，取其基本參數，見表1。為研究支護阻力隨某一參數的變化規律，即該參數對支護阻力的影響，可對該參數取一系列變化值，而其余參數仍按基本參數選取。

表1 基本參數

4.1 開采技術條件的影響

圖2 支護阻力與煤層埋深的關系

圖2、圖3和圖4所示分別為支架支護阻力隨煤層埋深、工作面來壓步距以及控頂距的變化而變化關系。深部煤層巖體的原巖應力較大，開采活動引起的作用在支架上的基礎應力自然也大；來壓步距，特別是初次來壓步距較大時，表明基本頂較硬不易垮落、頂板巖梁懸露較長，給工作面前方煤壁或工作面上覆巖層造成較大壓力，壓力通過直接頂傳遞給支架，從而帶動支架支護阻力的增加；為防止頂板來壓時工作面前方煤壁被切割，導致工作面與煤體分離的情況發生，有時會適度增大控頂距，雖然這有利于將壓力作用位置從煤壁引向采空區，但增大的作業空間也對支護強度提出了更高要求。此外，從圖中可知，埋深、來壓步距和控頂距每增加1m，支護阻力分別增加5kN、120kN和533.3kN，表明相比埋深和來壓步距，控頂距的變化對支架支護阻力的影響更為顯著，因此合理確定控頂距對提高支架穩定性有重要意義。

圖3 支護阻力與初次來壓步距的關系

圖4 支護阻力與控頂距的關系

圖5所示為支護阻力隨仰采傾角的變化規律。由于是急傾斜煤層，當仰采傾角從40°開始增大時，支架支護阻力呈線性規律減小，仰采傾角80°時，支護阻力降為零，傾角每增大1°，支護阻力減小562.5kN。這是因為大傾角仰采時工作面上覆巖層在重力作用下更易向采空區冒落，使頂板巖梁的懸露長度大大減小，從而明顯降低來壓強度，使維持支架穩定的支護阻力顯著降低；尤其是傾角足夠大、巖層巖性軟時，工作面上覆巖層因擠壓形成高抗壓能力的平衡拱形結構，或形成穩定的拱形空穴，理論上使得巖層不再需要支架的支護，故支架上的壓力降為零。

圖5 支護阻力與仰采傾角的關系

4.2 支架結構參數的影響

圖6 支護阻力與瞬心夾角的關系

支架支護阻力隨支架瞬心夾角的變化規律如圖6所示。可以看出，瞬心夾角增大，支護阻力呈冪指數關系減小，當瞬心夾角為0°時，支撐掩護式支架可等效成支撐式支架，原先掩護梁對頂梁的支撐作用轉由支柱承擔，此時支護阻力最大；當瞬心夾角增大，掩護梁的支撐作用逐漸顯現，支護阻力也就相應地減小，直至夾角增至45°時支護阻力降為零，這表明從理論上講，若要使急傾斜仰采支架穩定且支護阻力合理，可通過增大瞬心夾角的方法來實現，但夾角最大不能超過45°。圖7所示為支架阻力與支護傾角的關系，支架支護阻力隨支架前柱傾角的增加呈冪指數關系增大；隨支架后柱傾角的增加先減小后增大，當后柱傾角為12°時，支護阻力最小。當前、后柱傾角小于11°時，后柱支護阻力大于前柱支護阻力；當前、后柱傾角大于11°時，后柱支護阻力小于前柱支護阻力，且前、后柱傾角大于30°時，支護阻力均明顯增大。可見，從支護成本的角度考慮支柱的傾角是不宜過大的。

圖7 支護阻力與支柱傾角的關系

5 結論

通過理論分析龐龐塔煤礦急傾斜中厚煤層工作面液壓支架受力特征，得出以下結論：

(1)支架支護阻力與煤層埋深、工作面初次來壓步距及控頂距成正比例關系，與仰采傾角成反比例關系，其中控頂距為最顯著的影響因素。

(2)支架支護阻力與支架瞬心夾角呈冪指數關系減小，與支柱傾角呈冪指數關系增大，其中前柱支護阻力的增速明顯大于后柱支護阻力的增速。

(3)經綜合分析發現，支架前、后柱傾角及瞬心夾角均取12°時，保持支架穩定所需的支護阻力最小。