大傾角松軟煤層綜放采場覆巖運移與控制關鍵技術研究

馮 斌

(貴州中鋁恒泰合礦業有限公司，貴州 六盤水 553000)

綜采放頂煤采煤法是我國煤炭工業集約高效生產行之有效的方法，其獨特的高產、高效、低耗和安全生產的優越性在我國礦區已得到充分的體現和證實，但是松軟大傾角綜放工作面因其煤層軟、底板軟及傾角大等疊加因素的相互作用，造成回采時易發生煤壁片幫、冒頂及設備滑移等現象顯著，極大影響了采場圍巖的控制，進而阻礙了煤礦的安全高效生產[1-4]。因此，有必要對于影響工作面上覆巖層運移及控制關鍵因素的進行深入研究。

1 工作面地質概況及出現的問題

1201工作面位于+1200水平，主采煤層2#煤層，厚度4.0～10.0m，平均7.13m；煤層傾角31～48°，平均33°；硬度系數f≈0.1。工作面走向長460m，傾向斜長146m。 直接頂為粉砂巖， 厚5～6.0m，巖層多含泥質或黏土質，易垮落，f=4.00～6.14。直接底泥巖硬度較小，遇水易膨脹，總厚度在7m左右。

1201綜放工作面共有液壓支架98架，其中過渡架7架。2009年6月該礦綜采工作面在初次來壓時，煤壁片幫多達4處，發生了工作面支架從第5架至第38架、49架以上全部支架倒架的大規模倒架現象。

2 大傾角煤層開采覆巖運移機理

大傾角煤層開采巖層在自重作用下，直接頂發生彎曲變形的同時，會受到沿巖層層理方向的分力，使得跨落的直接頂向采空區下山方向移動和滑落，因此覆巖破壞的主要范圍為采空區偏上山方向。

同時，脆性材料的直接頂頂板易被拉斷或剪斷，在采空區上方形成一個梁結構支撐其正方的巖體(sc段)，在直接頂頂板中段易形成懸臂的板(es段)，其中下部由于冒落矸石的充填，對頂板起到支撐作用。整個采場覆巖形成不同形態的平衡力學支撐結構，而覆巖頂板兩端受到未冒落頂板與冒落矸石的支撐形成“廠”型彎曲結構，隨著開采的繼續，形成“廠”型彎曲結構移動拱，如圖1所示[5-7]。

圖1 大傾角煤層開采巖層“廠”型移動模型

在大傾角煤層工作面傾向的回采空間中，上覆直接頂冒落后堆積的矸石對上覆頂板的支撐是運動變化的，上覆直接頂和基本頂隨開采進行所形成的鉸接 “砌體拱”結構也是在變化的，工作面下段礦山壓力顯現主要由直接頂下分層引起，工作面上段則基本頂的“大結構”起關鍵作用。當采場上段巖層處于活動劇烈的不穩定破壞時，采場下段該巖層處于相對穩定的狀態，其對采場空間的影響也沒有中、上段巖層大。

3 提高煤壁支撐穩定性

松軟煤層煤壁自穩性較差，容易發生失穩破壞。綜放工作面開挖后，煤壁靠采空區側是無支護的自由區域，煤體處于二向應力狀態，煤壁受力模型可視為平面應變問題，如圖2所示。由于頂煤較軟且賦存有節理、裂隙，加之頂板壓力和支架反復支撐力作用，頂煤往往會十分破碎，如果支護措施不當，會導致支架空頂現象，影響“煤壁-支架-矸石”支護體系對頂板的控制作用。

h—上覆巖層厚度，m；γ—巖層容重，kN/m3圖2 煤壁受力分析模型

由于大傾角松軟綜放工作面中“煤壁-支架”是頂板控制系統中的組成部分，若要避免煤壁破壞失穩，一方面要提高煤壁的穩定性，另一方要提高工作面支架的適應性，具體措施為有以下幾點。

1)控制采高。隨著采高的增加，煤壁的穩定性逐漸變差，片幫程度越來越劇烈，因此應合理控制采高。

2)加快推進速度。工作面推進速度慢，煤壁暴露的時間長，煤壁片幫加劇。加快工作面推進速度，減少支承壓力對煤壁的作用時間，從而降低煤壁的損失破壞，避免或減小片幫的可能性。

3)支架增設伸縮梁加護幫機構。采煤機割煤后，支架應及時支撐護幫板，對煤壁進行預應力支護，防止煤壁塑性破壞的產生。

4)適當加強支架支護能力。合理提高支架初撐力和工作阻力，能有效減小工作面前方煤體的拉應力影響，緩減工作面煤壁片幫冒頂。

4 保證支架支護能力

大傾角工作面由于傾角的存在，支架受到自重及破碎煤(巖)沖擊的作用，極易發生下滑和傾倒現象，導致頂板失穩破壞。經統計，倒架、支架下滑基本上是當支架脫開頂板(降柱行走過程)時出現的，所以重點研究支架前移過程中防倒防滑問題。

4.1 支架防倒技術研究

如圖3所示，在大傾角綜放工作面上，支架正常工作時，支架自重G、底板反力N作用下處于平衡狀態。當支架所受合力作用點偏出支架下邊緣時，會導致支架傾覆[8-10]。支架處于極限平衡時，根據力矩極限平衡條件，底板反力N作用于O處，此時有式(1)。

G·sinα·H-G·cosα·B/2=0

(1)

即，α=arctan B/(2 H)

式(1)中，支架重心高度H按1500mm，支架寬度B按1360mm計算，支架極限傾倒角α為24.4°，考慮安全系數時，支架在傾角大于20°的工作面會出現傾倒。

圖3 支架工作時受力分析

圖4 開切眼傾斜-圓弧過渡-水平布置

1201工作面傾角33°，現場將水平分段放頂煤和傾斜煤層放頂煤開切眼相結合，采用開切眼傾斜-圓弧過渡-水平的非線性偽斜布置方式，如圖4所示，不僅減小了工作面實際的傾角，而且圓弧段能夠對上部支架的傾倒下滑起到限制作用。

除此之外，支架還增設了防倒裝置，包括：①支架側護板千斤頂、側推彈簧使支架頂梁相互緊靠，保證支架頂梁間沒有間隙，始終保持有足夠的扶正力，防止倒架；②在鄰架頂梁間增設了調架千斤頂，當支架出現傾倒時，以支撐頂板的相鄰支架作支點，用千斤頂調整該支架位置。

4.2 支架防滑技術研究

支架在大傾角工作面上不下滑的條件是下滑力小于摩擦力，見式(2)。

G·sinα<μ·G·cosα

(2)

式(2)中，取支架底座與底板間摩擦系數μ為0.3，計算得下滑極限角為18.6°。一般來說，工作面傾角大于15°就要采取防滑措施，具體措施如：①將工作面布置為非線性偽斜，減小工作面實際傾角；②推移桿和底座間隙控制在15～20mm(單側)，間隙保持不變，控制運輸機下滑；③支架推移桿是和輸送機連在一起的，因此防止刮板輸送機下滑。現場使用中，可以通過控制推移運輸機的順序來調整運輸機的位置；④相鄰支架底座間設置防滑千斤頂，以有初撐力的支架為支點，調整相鄰支架的位置；⑤運輸機和支架間設置防滑裝置，每隔五架一組，推移運輸機時，通過控制防滑千斤頂動作，牽動運輸機上下移動。

圖5 底座防滑裝置

5 結語

本文針對某煤礦1201工作面煤層軟、底板軟且傾角大的特殊地質條件，在認真研究覆巖運移機理的基礎上，通過建立煤壁受力力學模型，提出了控制采高、加快推進速度、增加互幫機構、加強支護能力措施；通過對支架的穩定性分析，提出了加寬支架寬度、工作面偽斜布置、控制支架間隙及增設放倒、防滑裝置等措施。通過以上措施，1201工作面基本杜絕工作面片幫、支架倒(滑)等現象，有效控制了采場頂板下沉，確保了安全、高效生產。

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