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(fù)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(yīng)用到急傾斜煤層當中，有效解決了支架傾倒等技術(shù)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(chǔ)，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(zhì)構(gòu)造為單斜構(gòu)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(jié)構(gòu)簡單，煤層下部含0.3m厚的夾矸，頂板為泥巖及砂質(zhì)泥巖，底板為砂質(zhì)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(dǎo)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(yīng)傾角和壓力的能力越強[6]。因此，大傾角煤層應(yīng)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(yīng)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(fù)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(dǎo)致工作面堵塞，嚴重影響通風。頂煤冒空導(dǎo)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(yīng)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(zhì)的流動。采場上方煤體顆粒流介質(zhì)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(yīng)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(zhì)流存有殘余的拉應(yīng)力和剪應(yīng)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(shè)定模擬觀測點，記錄放煤過程中，不同頂煤區(qū)域內(nèi)頂煤豎直(垂直)方向應(yīng)力變化，得以下結(jié)果：

在散體介質(zhì)區(qū)，豎直(垂直)方向波動十分劇烈，位于散體區(qū)內(nèi)的上部介質(zhì)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(yīng)力波動相對散體介質(zhì)區(qū)平緩，其上部介質(zhì)波動明顯強于中部，中部強于下部。因此，拉剪破壞區(qū)內(nèi)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(yīng)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(jié)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(cè)護板，對頂板(頂煤)密封性差，不適應(yīng)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(dǎo)致支架失去工作阻力而出現(xiàn)倒架。

支架缺少防倒構(gòu)件。架間沒有設(shè)置防倒千斤頂?shù)热魏畏赖箻?gòu)件。由于頂煤冒空，支架前移過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(dǎo)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(zhì)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(shè)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(zhì)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(shè)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(shè)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(cè)護板的保護范圍之內(nèi)，避免架間出現(xiàn)空隙導(dǎo)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(shù)、經(jīng)濟效益明顯。

5 結(jié)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(dǎo)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(dǎo)致倒架現(xiàn)象加劇。支架頂部鋪設(shè)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。

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