三軟厚煤層綜采支架失穩機理及防治措施

文/車云立

三軟厚煤層綜采支架失穩機理及防治措施

文/車云立

平頂山礦區煤炭采掘已經進入到深部開采階段，與淺部開采相比,深部開采不僅大大提高了采礦成本,而且隨著深度的增加,采礦環境也隨之發生了變化,尤其是高溫、高地應力的影響，增加了開采難度。尤其是開采三軟厚煤層時，隨著煤壁和綜采支架高度的增加，會極大影響采場圍巖與支架穩定性。綜采支架倒架、下滑和歪斜等事故發生的幾率也遠高于一般采高的綜采工作面。如再遇到其他復雜地質條件（如斷層、節理、褶曲、陷落柱、煤層局部傾角變大、水、火、瓦斯等）更增加了開采難度和經濟成本投入。因此，深入、系統地開展三軟厚煤層大采高回采工藝研究，是實現礦區安全、高效生產所必須解決的難題。本文對該條件下的綜采支架失穩機理進行了探討,并經過實踐檢驗，有效控制了支架失穩,對于今后其他類似煤層開采提供了有益的參考。

一、工程地質條件概況

平煤天安十一礦己16-17-24011工作面風巷平均標高-659.04m；機巷平均標高-687.39m。采面傾斜長平均150m，可采走向平均長1625m。煤層傾角為0～32°,平均12.6°。采面煤層厚度較穩定，煤厚3.80～10.5m，一般8.00m。在掘進過程中共揭露13條斷層，最小為0.50m，最大為4.00m。坑透探測構造發育區1個，推斷斷層6條。其中，KF2斷層、向斜軸部褶曲發育區、KF5斷層、KF6斷層附近構造相對復雜，對回采影響較大。

煤層直接頂板為細砂巖或砂質泥巖，厚度為1.50～3.10m，平均2.60m，局部夾1～2層厚度為0.10～0.20m的煤線。其中，56勘探線以東直接頂以細砂巖為主；以西以泥巖或砂質泥巖為主，層理及節理發育，易冒落。老頂為砂質泥巖或砂巖與砂質泥巖互層。煤層直接底為8.0m厚的泥巖，遇水膨脹，局部存在0.20～0.30m厚的煤線。老底為10.0m左右厚的灰巖。

工作面設計采高3.5m～4.0m。安裝100組ZY6400-23.5/45型掩護式支架支護頂板。采用MG-300/700-WD型雙滾筒采煤機與1臺SGZ-764/2× 250型刮板輸送機和1臺SZZ-764/200型轉載機配合使用。

二、綜采支架失穩機理分析

綜采支架失穩形式主要有三種：橫向失穩（傾倒）、縱向失穩（下滑）和支架扭斜。

1.橫向失穩

支架橫向失穩具體表現為支架傾倒，它受工作面傾角、支架自重、頂底板約束力、支架重心高度、采高、相鄰支架擠壓力等要素影響。

當采場支架受向上的力大于等于向下的力時，支架保持穩定狀態，即：

式中：Ts—來自相鄰支架上方的擠壓力，kN；

Tx—來自相鄰支架下方的擠壓力，kN；

h—支架支護高度，m；

B—支架底座寬度，m；

C—支架重心高度度，m；

P—支架頂板壓力，kN；

W—支架自身的重量，kN；

α—工作面傾角，度；

R—底板所受的反力，kN；

f1—頂板與支架磨擦系數，0＜f1＜1；

f2—底板與支架磨擦系數，0＜f2＜1。

當單個支架傾倒時，傾倒支架的左右相鄰約束都為0，即：Ts＝Tx＝0。

當頂板破碎，支架空頂，頂板約束力P＝0，則，式（1）化簡為：

當支架受頂板約束時，即P≠0。支架橫向失穩臨界角為：

由式（1）（3）可知：當頂、底板磨擦系數越大，支架底座寬度越大、重心更小，則支架更穩定。反之，當頂板冒空，失去頂板約束p＝0，當α大于失穩臨界角，支架的相鄰左約束小于相鄰右約束時，即：Tx＜Ts時，支架更易發生傾倒。

2.縱向失穩

支架縱向失穩具體表現為支架下滑，建立如下模型：

式中：G—采煤機、溜子和溜子滿煤時總重量，T。

式中：L—采煤機移動時溜子對支架的拉力，kN；

D—采煤機上行時的牽引力，kN。

支架下滑條件為：當支架向下滑動力大于支架的抗滑，則支架發生縱向失穩。

當左右相鄰擠壓力為0時，即Tx＝Ts＝0，為一個支架發生下滑。

當頂板破碎，支架空頂，頂板約束力P＝0且L＝0，化簡式（6）得出式（7），得出支架自重情況下不發生下滑的條件。

當支架上方頂板完好，接頂嚴實，P≠0，L≠0時，式（6）化簡為：

式中：k—工作面內支架個數。

由以上（4）至（9）公式可知，支架受頂底板約束越好，支架自重越大，支架受的拉力越大，下滑角度越大，反之下滑角度越小。當支架接頂時，盡量加大支架的工作阻力。

3.支架扭斜

己16-17-24011工作面支架發生扭斜，主要有以下幾種因素：

（1）工作面遇到地質構造。當采面遇到地質構造，則巖石段刮板輸送機和支架易發生滯后。滯后的支架發生擠架，支架導桿不垂直輸送機，移架推溜更加困難。即使支架立柱升緊，支架尾部也易發生扭斜。

（2）支架操作不當。己16-17-24011工作面屬于上分層開采，支架需要沿頂、丟底煤開采。因此，采面支架需要經常抬架。當采面頂板破碎、頂底板不平、煤壁片幫、頂板冒空、局部傾角過大，抬架過程中極易發生支架扭斜和仰架等問題。

（3）移架推溜次序。移架推溜的正常工序為：采煤機割煤—追機移架—推移刮板輸送機。其中，追機移架由支架工負責，移架處離采煤機保持10架以上距離，嚴禁刮板輸送機出現急彎。如果輸送機經常從機尾向機頭處推移，易造成刮板輸送機下滑，進而影響支架，發生支架扭斜。因此，移架時盡量采取帶壓擦頂移架。

（4）偽斜管理不當。己16-17-24011工作面必須嚴格監控偽斜，當偽斜管理不當時，刮板輸送機易發生弓背、上竄或下滑，進而造成支架扭斜。

三、防治支架失穩的關鍵技術

1.加強預控管理，嚴格落實措施

安全、高效回采，需要對采場有超前預控能力。預見問題、分析問題和解決問題，這就需要一線的區隊管理者們有著較高的理論知識和實踐經驗。

（1）針對可能發生地質變化，提前預測預報。區隊管理和技術人員有針對性制定專項防治措施，并狠抓落實。

（2）定期嚴格對支架進行檢修。備品、備件兩套。減少支架失穩造成的事故時間，保證有效支護，提高開機率。

（3）對崗位工人進行安全技術培訓，煤機司機頂底板割平，雙向割煤，落實偽斜控制；支架工提高頂板維護、處理倒架、咬架和扭架等綜合技能。

（4）優化勞動組織。實行“四六制作業”，現場交接班。減少大采高條件下人員的勞動強度。

2.防治支架失穩關鍵技術

（1）三軟厚煤層大采高條件下，頂板易離層破碎，采用高水速凝材料馬麗散注漿加固工作面破碎煤壁和頂板，提高破碎煤巖體的強度。沿煤層走向剖面注漿孔布置如圖1所示，沿煤層傾向剖面注漿孔布置如圖2所示。

圖1　沿煤層走向剖面注漿孔布置圖

圖2　沿煤層傾向剖面注漿孔布置圖

（2）對工作面煤質強度低、煤層層理發育紊亂、頂板破碎等地段，采用打開支架護幫板、頂板鋪網（單層或雙層），緊挨著上大板或圓木等方法，控制煤壁片幫以及頂板破碎處冒頂的發生。

（3）采高越大，發生片幫、冒頂的事故率越高。合理降低采高，可以有效控制煤壁片幫和頂板冒漏。實踐表明，己16-17-24011工作面合適的采高在3.5～4m。

（4）三軟煤層由于頂板、底板和煤層強度低，加快工作面推進速度，可以減少煤壁前方超前壓力的受壓時間，降低煤壁和頂板的破壞程度。

（5）根據理論計算，結合現場實踐，找出合理的偽斜角度，增加支架和刮板輸送機的穩定性，并加強管理。防止支架隨著刮板輸送機上竄、下滑而發生扭斜。

（6）支架3～5架進行分組管理，機尾局部傾角變化較大（最大處35度）時，要有防滑防倒千斤頂控制，機尾刮板輸送機要有錨固裝置。分組間隔交錯式移架，嚴格監控支架變化。

（7）在采面下端頭使坡度變緩，留設防滑平臺，有效阻止輸送機和支架下滑。并保證刮板輸送機與轉載機的合理搭接。

（8）支架側護板可調整架間間距和方向，防止架間錯臺，避免露矸和支架扭斜等問題的發生。因此，可利用支架側護，減小架間間距。

（9）提高支架的初撐力和工作阻力。泵站采用雙回路供液方式，加快移架速度。移架時，應采用“帶壓移架”或“少降快拉”的方式進行。

（10）頂板破碎處若發生倒架，將對調架造成難度。為加強該段頂板管理，要對該段采用人工做超前的方法控制頂板。采用打眼爆破施工，人工清煤，沿傾向架設長度3米工字鋼，棚距600mm，在傾向工字鋼下用長度3米的工字鋼沿走向架設，一頭插在支架頂梁上，伸入支架頂梁長度不少于300mm，一頭在煤墻側用單體柱支護。

四、結論

三軟厚煤層、局部傾角過大條件下，支架咬架、倒架、扭斜等頻發。根據具體問題，必須有針對性的制定應對措施。也為類似條件回采提供有益的參考。其中，在支架最初選型上，應合理提高支架工作阻力和初撐力。選用重心低，底座更寬的支架。

總之，通過對該關鍵技術的研究，形成一套較為完善的三軟厚煤層大采高綜采技術，為實現安全、高效回采提供可靠的技術保障。

（作者系平頂山天安煤業股份有限公司十一礦礦長）

（責任編輯：周瓊）