綜放工作面過陷落柱支架穩(wěn)定性控制技術(shù)研究

史曉帆

(山西長平煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 晉城 048000)

綜采放頂煤技術(shù)是我國現(xiàn)階段的主要采煤方法之一,如何實(shí)現(xiàn)綜放工作面安全高效生產(chǎn)是眾多煤礦技術(shù)工作者的研究課題,液壓支架支得住、走得動,是實(shí)現(xiàn)工作面安全高效開采的核心[1-3]。

1　工程概況

III4323綜放工作面位于3#煤四盤區(qū),井下標(biāo)高509 m～545 m,地面標(biāo)高932 m～978 m,走向長526.71 m(幫—停),傾斜長135.7 m(幫—幫),工作面由切眼到停采線附近兩邊低中間高,煤層總厚度為5.84 m,含有一層夾矸厚度為0.32 m,煤層傾角2°～10°,平均傾角6°。煤為黑色,似金屬光澤,內(nèi)生裂隙發(fā)育,亮煤為主,含暗煤,屬光亮型煤,夾矸為泥巖,變異系數(shù)0.08%,可采指數(shù)1。老頂為中粒砂巖,平均厚度為11.23 m,淺灰色,中層狀,成分以石英為主,長石次之,含巖屑,硅泥質(zhì)膠結(jié),夾泥巖條帶于薄層,具波狀層理;直接頂為砂質(zhì)泥巖,平均厚度為2.94 m,黑色,參差狀斷口,具有垂直節(jié)理,內(nèi)部有擦痕,含白云母片和大量植物化石;直接底為泥巖,平均厚度為0.50 m,黑色,參差狀斷口,含有云母片和大量的植物化石;老底為砂質(zhì)泥巖,平均厚度為0.34 m,黑色,中厚層狀,含云母片,具水平紋理。

工作面使用MG450/1020-WD型雙滾筒采煤機(jī),滾筒截深0.8 m,ZF7200/17/33.5型液壓支架(86架),ZPG10000/18.5/33.5型排頭、尾架(7架)。采用走向長壁、全部垮落、后退式綜合機(jī)械化放頂煤采煤方法,割煤高度2.8 m,放煤高度3.04 m,采放比1:1.09。

2　支架傾倒失穩(wěn)分析

2.1　支架受力狀態(tài)分析

支架傾倒失穩(wěn)主要是由于支架所受到的合力作用點(diǎn)偏離支架下邊緣,即支架合力作用點(diǎn)處的力矩不平衡,引起支架沿某一點(diǎn)或某條軸線轉(zhuǎn)動,實(shí)質(zhì)是由于支架受到傾斜向下的分力與垂直斜面的分力力矩不平衡。支架受力模型見圖1。

圖1　支架受力模型Fig.1　Mechanical model of the support

圖中B表示支架寬度;C表示支架重心高度;h表示支架高度,O點(diǎn)表示力矩極限平衡條件下底板反力作用點(diǎn)。當(dāng)處于力矩極限平衡時(shí),支架達(dá)到繞O點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)的臨界穩(wěn)定條件。

支架在工作面處于工作狀態(tài)時(shí),支架受到支架自身自重G,上覆巖層對支架壓力(支架支護(hù)阻力)P,支架與頂板的摩擦力f2(支架與頂板的摩擦系數(shù)為μ),以及支架與底板的摩擦力f1共同作用。支架在工作面斜面上不發(fā)生傾倒,保持穩(wěn)定,需要滿足支架受到傾斜向下的分力與垂直斜面的分力力矩平衡。表達(dá)式為:

f2=μPcosα.

運(yùn)算得:

由上式可以看出,支架在工作狀態(tài)時(shí),支架傾倒的穩(wěn)定性與支架架寬B、支架自重G、支架高度h、支架重心高度、上覆巖層對支架壓力(支架支護(hù)阻力)P等因素有關(guān)。支架架寬B和支架自重G由支架自身結(jié)構(gòu)決定,不受回采地質(zhì)條件變化影響,而支架高度h、支架重心高度C及支架支護(hù)阻力P受回采地質(zhì)條件影響較大,是工作面液壓支架發(fā)生傾倒失穩(wěn)的主要影響因素[4]。

2.2　過陷落柱時(shí)支架傾倒分析

長平礦Ⅲ4323工作面發(fā)育以下構(gòu)造:SX86陷落柱,Ⅲ4323工作面回采至39 m左右將揭露SX86陷落柱,回采至94 m左右陷落柱在工作面內(nèi)完全通過,陷落柱在工作面推進(jìn)方向影響55 m左右,采面內(nèi)最大影響50 m左右;DX20陷落柱,Ⅲ4323工作面回采至345 m左右將揭露DX20陷落柱,長軸約118 m,短軸約75 m,回采至445 m通過該陷落柱。

受煤層起伏變化、地質(zhì)構(gòu)造、應(yīng)力集中及鄰近工作面動壓作用等多種因素影響,工作面回采過程中局部頂板節(jié)理裂隙發(fā)育,煤體疏松破碎,特別是在陷落柱影響區(qū)域,煤層及頂?shù)装鍑鷰r結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,頂煤及頂板破碎。此期間,長平礦綜放工作面支架易發(fā)生傾倒的原因?yàn)?工作面割煤后煤壁易發(fā)生片幫,破碎頂煤不易控制,導(dǎo)致割煤高度增大,支架不能及時(shí)護(hù)頂,易引起大范圍的頂煤及頂板的嚴(yán)重冒落,在多個(gè)支架頂梁上方形成空洞,使得支架實(shí)際支撐力很小[5],此時(shí)支架高、重心高,加上煤層傾斜影響,支架所受到的合力作用點(diǎn)偏離支架下邊緣,引起支架沿某一點(diǎn)或某條軸線轉(zhuǎn)動,支架易發(fā)生失穩(wěn)傾倒。

3　支架穩(wěn)定性控制

3.1　控制措施

通過以上對支架受力狀態(tài)及影響因素和過陷落柱時(shí)支架傾倒失穩(wěn)的原因分析,結(jié)合長平礦Ⅲ4323綜放工作面開采條件及支架的實(shí)際情況,為保證過陷落柱期間支架的穩(wěn)定性,采取的控制措施如下。

1)嚴(yán)格控制采高,及時(shí)支護(hù)。采煤機(jī)割煤后先移支架,后移輸送機(jī),移架后及時(shí)伸出伸縮梁護(hù)頂,有效防止冒頂;工作面片幫嚴(yán)重、頂板破碎時(shí),要及時(shí)拉超前架,防止冒頂漏矸;當(dāng)超前架拉出后,梁端距仍然超過標(biāo)準(zhǔn)時(shí),應(yīng)采取超前采煤機(jī)進(jìn)行移架,使支架頂梁頂住煤壁,不讓頂板暴露出來。

2)提高支架支護(hù)阻力,帶壓擦頂拉架。保證泵站有足夠的壓力,拉架時(shí)少降快拉,確保支柱保持一定工作阻力,使頂梁貼著頂板擦頂前移,實(shí)現(xiàn)不降架前移,快速擦頂移過,立即升緊,及時(shí)支護(hù)因片幫而增加的空頂面積,可減輕移架時(shí)頂板巖層的活動,減少因移架而造成的頂板破壞。

3)控制好支架間距,充分利用支架的側(cè)護(hù)板。通過支架側(cè)護(hù)板,及時(shí)調(diào)整支架間距和方向,減少支架間漏矸,使支架充分接頂、受力均勻,防止支架歪斜傾倒。

4)加強(qiáng)對煤壁和頂板的管理。提前進(jìn)行注漿加固,控制煤壁片幫,直立的煤幫能有效控制上部頂煤和頂板的冒落,確保支架能有效接頂。

3.2　控制效果

長平礦Ⅲ4323工作面過SX86陷落柱、DX20陷落柱及頂板破碎帶期間,采用以上控制措施進(jìn)行了試驗(yàn),礦壓觀測結(jié)果表明:試驗(yàn)期間支架初撐力和工作阻力均呈正態(tài)分布,說明支架初撐力和工作阻力分布均勻,支架受力狀態(tài)良好,工作面支架最大阻力達(dá)到6 381 kN,平均5 985 kN,分別達(dá)到額定工作阻力的88.6%和83.1%,支架的工作阻力能夠得到有效利用,支護(hù)狀態(tài)良好;過陷落柱及頂板破碎帶期間,支架沒有發(fā)生歪斜傾倒現(xiàn)象。

4　結(jié)束語

1)根據(jù)支架受力分析,結(jié)合長平礦實(shí)際情況分析可知:割煤高度增大,煤壁片幫引起的破碎頂煤嚴(yán)重冒落,支架頂梁上方形成空洞,使得支架實(shí)際支撐力很小,加上煤層傾斜影響,是支架歪斜傾倒的原因。

2)通過采用嚴(yán)格控制采高、及時(shí)支護(hù),調(diào)高支架支護(hù)阻力、帶壓擦頂拉架,利用側(cè)護(hù)板控制好支架間距及防止漏矸,加強(qiáng)對工作面頂板管理等相關(guān)措施,可以有效控制支架傾倒。

3)礦壓觀測表明,試驗(yàn)期間支架初撐力和工作阻力均呈正態(tài)分布,說明支架初撐力和工作阻力分布均勻,支架受力狀態(tài)良好,過陷落柱及頂板破碎帶期間,支架沒有發(fā)生歪斜傾倒現(xiàn)象。