大傾角松軟煤層綜放支架傾倒機理研究

孟建喜

(大同煤礦集團同忻煤礦,山西 大同 037001)

大傾角(35°～55°)煤層由于其特殊的賦存條件，長期以來，走向長壁綜采和綜放工藝一直沒有得到較好的解決。工作面移架、推溜、放煤等工序都比緩傾斜煤層復雜，特別是支架的穩(wěn)定性受到很大影響[1]。隨著煤炭開采強度的不斷加大，煤層賦存條件較好的煤炭儲量不斷減少，對大傾角煤層的綜放高效開采研究也不斷深入推進[2-3]。甘肅靖遠王家山煤礦把走向長壁綜放開采工藝成功應用到急傾斜煤層當中，有效解決了支架傾倒等技術難題，極大地提高了回采效率[4-5]。本文以某礦大傾角綜放工作面支架傾倒現(xiàn)象為基礎，分析支架傾倒機理，以期探尋防治的針對性措施。

1 工程概況

井田整體地質構造為單斜構造，平均傾角37°，巷道布置在2號煤層，上距K3砂巖3～5m，下距L3石灰?guī)r30～50m。煤厚0.40～11.25m，平均7.13m屬厚煤層，結構簡單，煤層下部含0.3m厚的夾矸，頂板為泥巖及砂質泥巖，底板為砂質泥巖或泥巖。煤層較軟，f系數(shù)在0.1左右，屬極軟煤。工作面采用走向長壁后退式開采；采用MG200/500QWD無鏈交流變頻電牽引采煤機落；采用SGZ730/400中雙鏈刮板輸送機運煤；采用ZF6000/17.5/28型放頂煤支架支護；采高2.3m，循環(huán)進度為0.6m。

工作面回采過程中，支架前移工作時工作面中部和上部的部分支架出現(xiàn)頻繁倒架，頂煤從支架間隙冒漏并堵塞工作面，影響通風，導致回采工作不能正常進行。每次扶架工作經(jīng)常占用1～2個工作班的時間，極大地影響了工作面回采效率。

2 支架穩(wěn)定性分析

液壓支架在大傾角工作面上正常工作時，在支架自重G、初撐力N1、底板反力N2、頂板壓力的合力N、上下鄰架間擠靠力P1和P2的共同作用下處于平衡狀態(tài)。

若上述支架平衡狀態(tài)被打破，表明支架所受合力作用點偏出底座，此時支架會失穩(wěn)。支架失穩(wěn)傾覆的瞬間，底板反力N2作用于O處，根據(jù)力矩極限平衡條件可得

b=(B/2)cosα-Hgsinα

式中:H為支架高度；B為支架底座寬度；Hg為重心高度；b為支架自重作用方向與支架底座下邊緣的水平距離。

由上式可以看出，b與Hg成反比，與 B成正比，與 a成反比。即支架重心越低，底座越寬，支架適應傾角和壓力的能力越強[6]。因此，大傾角煤層應盡量采用較寬的輕型支架，并控制采高，避免支架重心過高。

支架自穩(wěn)力臂b隨支架底座寬度增加而變大，隨支架重心高度增大而減小。因此支架底座越寬、重心越低、支撐高度越低，支架的自重穩(wěn)定力矩越大，則支架適應能力越強。上述受力分析中，忽略了支架尾梁所受來自滑落頂煤和矸石的外載作用力。若此外載的水平合力大于了支架正常工作時的摩擦力，支架在水平方向上的受力不平衡，支架就會失穩(wěn)，甚至傾倒。對于1201這種“三軟”且煤層平均傾角為37°的工作面而言，采空區(qū)冒落矸石在重力作用下，會沿底板向工作面下段移動，使得工作面下部采空區(qū)充填密實，上部采空區(qū)矸石充填不充分，造成工作面上部液壓支架傾倒的風險性與復雜性增大。

3 支架傾倒機理

3.1 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

為實際測定工作面來壓步距，工作面回采過程中進行了礦業(yè)觀測，通過對十個支架的壓力觀測分析得知：工作面初次來壓時，工作面平均進尺在39.75～54.75m之間，基本頂平均初次來壓步距約為50m。基本頂?shù)谝淮沃芷趤韷簳r，工作面平均進尺在67～84.5m之間，周期來壓步距平均值為24.45m，如表1所示。由此看出此工作面的初次來壓和周期來壓步距離散性較大，并且工作面兩端頭的來壓時間滯后于工作面中部。

表1 工作面來壓數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

根據(jù)礦壓觀測記錄，當頂板來壓時，煤壁偏幫嚴重，支架前部冒漏比平時嚴重，架架縫隙漏煤也同樣加劇，并伴隨頂板涌水量增大的現(xiàn)象。來壓期間，支架前移過程中倒架現(xiàn)象嚴重，頂煤和矸石冒落量增大導致工作面堵塞，嚴重影響通風。頂煤冒空導致支架不能受到頂板壓力，更易傾倒，造成冒空—傾倒—冒空的惡性循環(huán)。因此，應更加重視頂板來壓期間的頂板管理和支架前移工作，防止倒架進范圍一步擴大。

3.2 頂煤運移規(guī)律

為研究頂煤在走向和傾向的運移規(guī)律和進一步研究其對支架的影響，采用PFC軟件對回采過程中的頂煤受力狀態(tài)和運移方向進行了模擬。

頂煤放出后，支架上方頂煤出現(xiàn)不同程度的損傷破壞，當煤體顆粒單元之間接觸點的剪切力達到準則確定的最大值時，顆粒間的接觸點發(fā)生塑性剪切破壞，表現(xiàn)為顆粒流介質的流動。采場上方煤體顆粒流介質間的受力區(qū)域依次為散體冒落區(qū)—拉剪破壞區(qū)—壓縮變形區(qū)—原始應力區(qū)。

散體冒落區(qū)的煤體處于完全破碎狀態(tài)，即將滾落放出，放出后其上方頂板支撐解除，處于懸頂狀態(tài)。拉剪破壞區(qū)的煤體沒有完全破壞，顆粒介質流存有殘余的拉應力和剪應力。壓縮變形區(qū)的煤體處于彈性變形階段，沒有發(fā)生塑性破壞。通過在模型中設定模擬觀測點，記錄放煤過程中，不同頂煤區(qū)域內頂煤豎直(垂直)方向應力變化，得以下結果：

在散體介質區(qū)，豎直(垂直)方向波動十分劇烈，位于散體區(qū)內的上部介質波動明顯強于中部，中部強于下部。說明該區(qū)域煤體破碎充分，上部的破碎較下部更充分。

拉剪破壞區(qū)的頂煤在垂直應力波動相對散體介質區(qū)平緩，其上部介質波動明顯強于中部，中部強于下部。因此，拉剪破壞區(qū)內煤體破碎不充分，上部的破碎較下部更明顯。

在壓縮變形區(qū)，頂煤豎直(垂直)方向應力波動平緩甚至消失，因此，頂煤的整體位移不大。且在此區(qū)域形成了支承壓力的峰值區(qū)，本數(shù)值模擬得出工作面超前支承壓力峰值位置為距煤壁16.6m左右，與現(xiàn)場所得15～22m相符。

模擬結果表明，工作面傾斜方向上，越靠近上部的部分散體冒落區(qū)范圍越大，煤體破壞得也更充分，更容易冒落，在回采過程中容易提前冒空，這也是中、上部支架更容易傾倒的主要原因。因此，要研究合理的放煤步距和放煤順序，避免工作面中上部支架失去頂板壓力而發(fā)生倒架。

3.3 支架自身缺陷分析

支架前梁為鉸接分體頂梁。頂梁前端與頂板接觸效果較好，支架整體運輸尺寸小。但鉸接分體頂梁支架前端支撐力小，不利于維護頂板以及抑制煤壁片幫。同時鉸接分體頂梁由于前端架間鉸接前梁無活動側護板，對頂板(頂煤)密封性差，不適應極軟不穩(wěn)定煤層放頂煤工作面要求。

支架前梁變窄，架間空隙大。由于該工作面煤層松軟，頂煤松散，極易從架間縫隙露出，而前梁變窄，呈梯子型，越靠近煤壁空隙越大。工作面推進過程中，煤壁上方煤體先從前梁縫隙冒出，導致支架失去工作阻力而出現(xiàn)倒架。

支架缺少防倒構件。架間沒有設置防倒千斤頂?shù)热魏畏赖箻嫾Ｓ捎陧斆好翱眨Ъ芮耙七^程中受沿煤層傾向的自重分力的影響，支架雖然與刮板輸送機底部相連，但不足以阻止支架傾倒。

4 防治措施及效果

通過分析頂板礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、頂煤運移規(guī)律和支架自身缺陷，工作面支架傾倒是由多種因素導致的。本工作面的支架選型不適合大傾角松軟厚煤層的特定地質條件，但由于支架的重新選型和工作面的重行安裝費時費力，采取一定的補救措施是較合適的選擇。

1) 支架上方鋪設金屬網(wǎng)。通過在支架上方鋪金屬網(wǎng)防止漏頂，提高頂煤的整體性、穩(wěn)定性。鋪網(wǎng)選擇小孔菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)間用穿簧聯(lián)接，確保聯(lián)網(wǎng)質量。為了維護頂煤的整體性，避免在支架推進中的撕網(wǎng)現(xiàn)象，必要時需鋪設雙層網(wǎng)。在頂煤破碎嚴重處，為更有效的維護頂板，在網(wǎng)下、支架上架設半圓木，并保證支架的及時跟進。

2) 采取擦頂帶壓移架。移架時，適當降低工作阻力，并保證支架下沉量在側護板的保護范圍之內，避免架間出現(xiàn)空隙導致漏煤。

3) 工作面?zhèn)涡辈贾谩９ぷ髅嫦马槻鄢吧享槻郏瑢崿F(xiàn)工作面?zhèn)涡辈贾茫ＷC支架與工作面保持垂直。這樣相當于降低了煤層傾角，降低自重的下滑分力對倒架的影響程度。同時可以有效降低工作面落煤下滑速度，避免煤體堵塞工作面影響通風。

4) 采用從下至上的移架順序。可以保證移架過程中每架支架的前移過程中都有穩(wěn)定的下部支架的支撐，降低倒架的可能性。

5) 嚴格控制采高，采用自上而下的單向割煤方式。嚴格控制采高，保持支架重心高度，可有效降低倒架現(xiàn)象。采用上端頭斜切進刀→下行割煤→上行清浮煤的單向割煤工藝。下行割煤時，煤壁的反作用力通過采煤機傳遞于輸送機，阻止輸送機的下滑趨勢。

6) 采用“自下而上，兩采一放”的放煤方式。采用至下而上的放煤方式，避免工作面上部長時間處于空頂狀態(tài)，降低倒架的機率。根據(jù)工作面實際生產(chǎn)經(jīng)驗，采用兩采一放的放煤方式頂煤的回收率最高。

7) 架間增加防倒千斤頂。通過增加防倒千斤頂，提高支架的整體性，達到力矩平衡，減少倒架的發(fā)生。

采取以上措施以后，工作面倒架現(xiàn)象急劇減少，只是在頂板來壓時出現(xiàn)個別支架傾倒現(xiàn)象，工作面的回采工作得以正常組織生產(chǎn)，提高了回采效率和資源回收率，同時減少了扶架過程的體力勞動，技術、經(jīng)濟效益明顯。

5 結論

鉸接頂梁放頂煤支架不適合大傾角松軟厚煤層

特定的賦存條件。支架前梁間隙較大導致工作面中上部頂煤冒空是造成倒架的主要原因，頂板來壓期間會導致倒架現(xiàn)象加劇。支架頂部鋪設金屬網(wǎng)、帶壓擦頂移架、偽斜布置工作面、從下至上移架、控制采高、自上而下單向割煤、自下而上和兩采一放放煤方式、增加防倒千斤頂?shù)却胧┛捎行П苊獾辜艿陌l(fā)生。

[1]鄭維強.急傾斜煤層綜放開采液壓支架穩(wěn)定的工藝措施及應用[J].煤,2011,20(4):17-19.

[2]黃志增，任艷芳，張會軍．大傾角松軟特厚煤層綜放開采關鍵技術研究[C]∥紀念“綜采”四十年學術研討會論文集.2010.

[3]伍永平，員東風．大傾角煤層綜采基本問題研究[J]．煤炭學報，2000，25(5):465-468.

[4]張淼豐，王軍，伍永平．大傾角煤層巷道支護方式設計與應用[J].西安科技學院學報，2000，20(2):97-100.

[5]李淵海.王家山礦大傾角綜放工作面平巷錨網(wǎng)支護技術研究[D].西安:西安科技大學，2007.

[6]林忠明，陳忠輝，謝俊文，等．大傾角綜放開采液壓支架穩(wěn)定性分析與控制措施[J]．煤炭學報，2004，29(3):264-268．