堅(jiān)硬頂板大采高工作面壓架事故及支架阻力分析

郭衛(wèi)彬,劉長友,吳鋒鋒,楊培舉,吳升富

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221008;2.中國礦業(yè)大學(xué)深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221008;3.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221008;4.大同煤礦集團(tuán),山西大同 037000)

堅(jiān)硬頂板大采高工作面壓架事故及支架阻力分析

郭衛(wèi)彬1,2,3,劉長友1,2,3,吳鋒鋒1,2,3,楊培舉1,2,3,吳升富4

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221008;2.中國礦業(yè)大學(xué)深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221008;3.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221008;4.大同煤礦集團(tuán),山西大同 037000)

針對(duì)大同晉華宮煤礦堅(jiān)硬頂板大采高綜采工作面生產(chǎn)過程中發(fā)生壓架事故的情況,深入分析壓架事故的類型和原因,并基于大采高綜采工作面覆巖結(jié)構(gòu)特征,采用理論分析方法,分析得到了堅(jiān)硬直接頂關(guān)鍵層的懸頂長度的計(jì)算方法及其影響因素;對(duì)大采高堅(jiān)硬頂板綜采工作面支架工作阻力的確定進(jìn)行了載荷估算法的修正算法;并根據(jù)修正結(jié)果及地質(zhì)條件,計(jì)算得到了402盤區(qū)工作面支架的合理工作阻力為12 184 kN,支護(hù)強(qiáng)度為1.22 MPa,同時(shí)確定了合理的支架架型;通過工業(yè)性試驗(yàn),實(shí)測(cè)分析了所選支架的適應(yīng)性,結(jié)果表明了理論分析計(jì)算結(jié)果和所選架型的合理性,保障了402盤區(qū)大采高綜采工作面的安全高效開采。

堅(jiān)硬頂板;壓架事故;工作阻力;大采高綜采;載荷估算法

有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示[1-6],我國屬于堅(jiān)硬頂板的煤層占1/3左右,且分布在50%以上的礦區(qū),如大同礦區(qū)、山西陽方口礦區(qū)、北京城子煤礦、四川天池煤礦、晉城礦區(qū)等,其中大同礦區(qū)是我國最為典型的堅(jiān)硬頂板礦區(qū),其2號(hào)、3號(hào)、11號(hào)、12號(hào)煤層均賦存有堅(jiān)硬頂板。在堅(jiān)硬頂板條件下,工作面礦壓顯現(xiàn)更為劇烈,基本頂?shù)耐蝗粩嗔押蛣?dòng)載作用易對(duì)工作面支架產(chǎn)生較大的沖擊載荷,易發(fā)生壓架事故。

大同晉華宮煤礦12號(hào)煤層屬于堅(jiān)硬頂板厚煤層,煤層結(jié)構(gòu)簡單,是低硫、低灰、高發(fā)熱量的動(dòng)力用煤。在402盤區(qū)8218及8212工作面回采期間,發(fā)生了多起惡性壓架事故,嚴(yán)重影響了工作面的安全高效生產(chǎn)。因此,深入分析壓架事故的特點(diǎn)和原因,合理確定堅(jiān)硬頂板條件下大采高綜采工作面支架的工作阻力和架型,對(duì)于保障堅(jiān)硬頂板條件下大采高工作面的安全開采,提高生產(chǎn)效率和煤炭資源采出率具有較高的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。

1 壓架事故分析

1.1 工作面地質(zhì)及生產(chǎn)條件

晉華宮煤礦8218工作面為402盤區(qū)首采工作面,8212工作面為第2個(gè)工作面。兩工作面煤層地質(zhì)條件與生產(chǎn)技術(shù)條件均一致,現(xiàn)介紹8218工作面的地質(zhì)生產(chǎn)條件。

8218工作面地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡單,煤層賦存穩(wěn)定,煤層厚度2.1～7.9 m,平均5.0 m;煤層傾角為2°～10°,平均8°;8218工作面存在1層厚度為0.5 m的夾矸。工作面局部存在0.5 m厚的粉細(xì)砂巖偽頂,其上有厚度為1.7 m的粉細(xì)砂巖以及厚度為17.45 m的粉砂巖。工作面直接底為中粗砂巖,厚度為2.8 m。工作面柱狀圖如圖1所示。

圖1 8218工作面柱狀圖Fig.1 Comprehensive column of 8218 working face

8218工作面采用大采高綜合機(jī)械化長壁采煤方法,液壓支架主要技術(shù)特征見表1。工作面推進(jìn)長度為1 200m,工作面長度為200 m,平均采高為5.0m。

表1 支架詳細(xì)參數(shù)Table 1 Detail parameters of support

1.2 壓架事故狀況及造成的損失

8218及8212工作面在回采期間,頂板不能及時(shí)垮落,現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)支架后方最小懸頂距約為6 m,最大懸頂距約為13 m,平均懸頂距約為9.5m。當(dāng)工作面來壓時(shí),工作面頂板對(duì)支架產(chǎn)生不同程度的沖擊,發(fā)生了多次壓架事故。其中,對(duì)工作面生產(chǎn)影響較大的壓架事故共發(fā)生8次,影響工作面生產(chǎn)共計(jì)81 d。其特點(diǎn)為:頂板下沉量大,經(jīng)?！皦核馈敝Ъ?端面頂板冒頂、煤壁片幫嚴(yán)重,最大片幫深度達(dá)3.2 m;支架前后立柱受力不均,支架“低頭”現(xiàn)象嚴(yán)重;支架呈急增阻狀態(tài),最大壓力達(dá)48 MPa,大部分安全閥開啟,如圖2所示。

壓架事故共影響兩工作面生產(chǎn)81 d,按工作面日產(chǎn)量5 000 t計(jì)算,噸煤利潤取200元,則壓架事故造成的利潤損失為8 100萬元。同時(shí),壓架事故對(duì)支架和采煤機(jī)等工作面關(guān)鍵設(shè)備均有不同程度的損壞,需要在開采過程中做出相應(yīng)的維修。表2為兩工作面支架部件的更換表及維修投入費(fèi)用。對(duì)于采煤機(jī)的維修包括:1件滾筒、6件導(dǎo)向滑靴、58件齒軌、2件調(diào)高缸、3件齒軌輪、3件變頻器、1 890節(jié)電纜夾板,采煤機(jī)頭尾搖臂各1件、3臺(tái)截割電機(jī)及一臺(tái)牽引電機(jī),采煤機(jī)維修累計(jì)投入584萬元。

1.3 壓架事故原因

圖2 支架工作阻力曲線Fig.2 Working resistance curves of support

根據(jù)工作面壓架事故的顯現(xiàn)情況,8218及8212工作面的壓架事故屬于壓垮型冒頂事故。文獻(xiàn)[6]將壓垮型冒頂?shù)臋C(jī)理分為3類:①采場(chǎng)支架工作阻力不足,支架被壓壞導(dǎo)致冒頂;②采場(chǎng)支架初撐力不足,使得直接頂與基本頂發(fā)生離層,基本頂易產(chǎn)生沖擊載荷而導(dǎo)致冒頂;③采場(chǎng)支架的可縮量不足,當(dāng)斷裂帶基本頂斷裂、下沉、旋轉(zhuǎn)、觸矸時(shí),就可能壓壞支架而誘發(fā)冒頂事故。在8218及8212工作面壓架過程中,大部分安全閥開啟表明支架工作阻力不足,支架呈急增阻狀態(tài)表明支架初撐力較小,支架被“壓死”表明支架可縮量過小,所以8218及8212工作面壓架事故是上述3種情況的綜合。

表2 支架部件維修Table 2 Repair of support part

2 支架合理工作阻力的確定

合理的支架工作阻力,是保證工作面安全、經(jīng)濟(jì)、高效生產(chǎn)的理想工作阻力,也是支架控制頂板在下沉允許范圍內(nèi)的最低限度的工作阻力。根據(jù)上述分析,為避免壓架事故的再次發(fā)生,對(duì)于402盤區(qū)其他工作面,需要對(duì)支架重新選型。以402盤區(qū)8218工作面為工程背景,采用理論分析的方法,確定堅(jiān)硬頂板條件下大采高工作面支架合理工作阻力。

2.1 支架載荷的確定

目前,國內(nèi)外學(xué)者廣泛探討了大采高工作面覆巖結(jié)構(gòu)[7-16],普遍認(rèn)為工作面采高加大后,垮落帶巖層高度隨之增加,文獻(xiàn)[7-8,12]根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果得出大采高直接頂?shù)目迓涓叨葹槊簩硬沙龊穸鹊?.0～2.5倍,文獻(xiàn)[16]認(rèn)為大采高直接頂厚度一般為采高的2.0～4.0倍。

為分析晉華宮大采高綜采工作面頂板結(jié)構(gòu),采用RFPA數(shù)值分析軟件模擬對(duì)比分析不同采高條件下巖層的破斷失穩(wěn)規(guī)律。實(shí)驗(yàn)以8218工作面巖層性質(zhì)建立數(shù)值計(jì)算模型,如圖3所示,根據(jù)礦井所提供資料獲得各巖層的物理力學(xué)參數(shù)。

圖3 數(shù)值模型Fig.3 Numerical analysismodel

圖4為不同采高條件下工作面上覆巖層的破斷失穩(wěn)特征。隨著工作面的回采,在3 m采高條件下, 17.45 m粉細(xì)砂巖將形成“砌體梁”結(jié)構(gòu),由于巖層的運(yùn)動(dòng),其上覆巖層呈明顯的彎曲下沉趨勢(shì)(圖4(a))。在5m采高條件下,17.45 m粉細(xì)砂巖斷裂失穩(wěn)時(shí)沒有形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu),而是以“懸臂梁”的結(jié)構(gòu)破斷垮落,而上覆5.1 m細(xì)砂巖則形成了較為穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)(圖4(b),(c))。

這表明隨工作面采高的增大,在普通采高條件下(采高小于3.5 m)可形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)的基本頂,在大采高條件下,將進(jìn)入垮落帶而最終以“懸臂梁”結(jié)構(gòu)破斷運(yùn)動(dòng)的形式存在。

文獻(xiàn)[16]根據(jù)巖層的組合結(jié)構(gòu),將大采高的直接頂分為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型3種類型,并將直接頂中的厚硬巖層定義為“直接頂關(guān)鍵層”,如圖5所示。此類關(guān)鍵層無法鉸接形成平衡結(jié)構(gòu),但由于其具有較大的強(qiáng)度和厚度,破斷時(shí)仍以一定的步距破斷,圖4(c)所示。文獻(xiàn)[15]將直接頂關(guān)鍵層的運(yùn)動(dòng)形式分為3類,即:“懸臂梁”直接垮落式、“懸臂梁”雙向回轉(zhuǎn)垮落式、“懸臂梁-砌體梁”交替式,同時(shí)分析了關(guān)鍵層的運(yùn)動(dòng)形式及其對(duì)礦壓的影響[14]。

圖4 工作面上覆巖層的破斷失穩(wěn)特征Fig.4 Collapse state of overlying strata

圖5 大采高工作面Ⅲ型直接頂示意[15]Fig.5 Immediate roof typeⅢwith largem ining height[15]

在直接頂關(guān)鍵層的3種運(yùn)動(dòng)形式中,“懸臂梁”雙向回轉(zhuǎn)垮落式和“懸臂梁-砌體梁”交替式,直接頂關(guān)鍵層均可形成穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu),此時(shí)直接頂關(guān)鍵層及上覆直接頂?shù)闹亓]有完全作用于支架上。當(dāng)直接頂關(guān)鍵層不能形成穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)時(shí),即直接頂關(guān)鍵層以“懸臂梁”直接垮落式運(yùn)動(dòng),此時(shí)直接頂關(guān)鍵層及上覆直接頂?shù)闹亓ν耆饔糜谥Ъ苌?支架工作阻力最大。

支架阻力應(yīng)在斷裂線剛進(jìn)入煤壁上方時(shí)阻止其大幅度旋轉(zhuǎn)造成的破壞,同時(shí)要防止直接頂關(guān)鍵層在斷裂線處的滑落而造成工作面的臺(tái)階下沉[16],所以最危險(xiǎn)的情況為直接頂關(guān)鍵層不能形成鉸接結(jié)構(gòu),而且直接頂關(guān)鍵層的斷裂線位于煤壁的上方,此時(shí)支架不僅要承受關(guān)鍵層下方的直接頂?shù)闹亓?還要承受關(guān)鍵層及關(guān)鍵層上方直接頂?shù)闹亓?所以可通過載荷估算法計(jì)算支架的合理工作阻力。

支架的合理的工作阻力P應(yīng)能承受控頂區(qū)內(nèi)全部直接頂?shù)膸r重Q1,還要承受基本頂來壓時(shí)形成的附加載荷Q[17]。

2其中,hi,li,γi分別為第i層直接頂?shù)暮穸?、懸頂距及體積力。在常規(guī)工作面條件下,直接頂?shù)膽翼斁嘟频扔谥Ъ芸仨斁?。在大采高工作面條件下,尤其是直接頂為堅(jiān)硬巖層時(shí),由于直接頂關(guān)鍵層的存在,當(dāng)懸頂距近似為支架控頂距時(shí),將會(huì)產(chǎn)生較大的計(jì)算誤差,所以應(yīng)通過合理的分析,確定直接頂關(guān)鍵層的懸頂長度,進(jìn)而對(duì)式(1)進(jìn)行修正。

設(shè)直接頂關(guān)鍵層懸頂長度為lf,則式(1)可變成

其中,hi,li,γi分別為直接頂關(guān)鍵層下方第i層直接頂?shù)暮穸?、懸頂距及體積力;hj,lj,γj分別為直接頂關(guān)鍵層上方(包括直接頂關(guān)鍵層)第j層直接頂?shù)暮穸取翼斁嗉绑w積力。由已知條件可知,直接頂關(guān)鍵層下方直接頂?shù)膽翼斁嗫山频扔诳仨斁?li=lk),直接頂關(guān)鍵層上方直接頂?shù)膽翼斁嗫山频扔谥苯禹旉P(guān)鍵層的懸頂長度(lj=lf)。

在一般工作面條件下,周期來壓形成的載荷不超過平時(shí)載荷的2倍[17],而在堅(jiān)硬頂板大采高綜采工作面中,由于頂板有較強(qiáng)的自穩(wěn)能力,周期來壓時(shí)礦山壓力顯現(xiàn)比較明顯[10],動(dòng)壓系數(shù)最大可達(dá)到3.5[5]。

在晉華宮煤礦8218及8212工作面回采期間,采用尤洛卡綜采數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)了支架工作阻力,如圖2所示。對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析,取20組相對(duì)應(yīng)的來壓期間和非來壓期間工作阻力的平均值,并計(jì)算動(dòng)壓系數(shù),見表3。

由表3可知,晉華宮煤礦堅(jiān)硬頂板的大采高綜采工作面動(dòng)壓系數(shù)最大值為2.88,可認(rèn)為堅(jiān)硬頂板大采高工作面動(dòng)壓系數(shù)一般為3。由于堅(jiān)硬頂板工作面易發(fā)生大面積懸頂[5],而且工作面面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造有時(shí)不易探明,為使計(jì)算結(jié)果包含一定的富余量,所以從安全和經(jīng)濟(jì)層面考慮,取安全系數(shù)為1.5,故可認(rèn)為堅(jiān)硬頂板大采高綜采工作面基本頂周期來壓時(shí)形成的載荷不超過直接頂關(guān)鍵層來壓時(shí)載荷的4.5倍,則堅(jiān)硬頂板條件下大采高綜采工作面支架合理支護(hù)阻力為

2.2 直接頂關(guān)鍵層受力分析

對(duì)直接頂關(guān)鍵層懸頂部分進(jìn)行受力分析,從而確定最大懸頂長度,直接頂關(guān)鍵層的懸頂狀態(tài)如圖6(a)所示,其力學(xué)模型如圖6(b)所示。

表3 8218及8212工作面動(dòng)壓系數(shù)Tab le 3 Themain roofm oving pressure coefficient of 8218 and 8212 working face

圖6 直接頂關(guān)鍵層懸頂部分受力分析Fig.6 Stress analysis of the hanging key strata in immediate roof

由圖6(a)可知,直接頂關(guān)鍵層的懸頂部分的受力可簡化成懸臂梁,如圖6(b)所示。選取坐標(biāo)系如圖所示,任意橫截面上的彎矩為

其中,q為關(guān)鍵層的重力及上覆直接頂對(duì)關(guān)鍵層的作用力,N/m;h,h1分別為直接頂關(guān)鍵層及上覆直接頂?shù)暮穸?m。由此可知,當(dāng)x=0時(shí),該截面上的彎矩最大,即懸頂部分靠近支架端的彎矩最大,其值為

該截面上的最大正應(yīng)力為

其中,W為抗彎界面系數(shù),與截面的幾何形狀有關(guān),m3;對(duì)于高為h、寬為b的矩形截面,則

根據(jù)彎曲的強(qiáng)度條件[18],對(duì)抗拉和抗壓強(qiáng)度不等的材料(如巖石),則拉和壓的最大應(yīng)力都不超過各自的許用應(yīng)力。

其中,[σ]為材料的最大許用應(yīng)力,MPa。對(duì)于巖石,其抗壓強(qiáng)度大于抗拉強(qiáng)度,只需保證最大應(yīng)力不超過其抗拉強(qiáng)度[σt]即可。

聯(lián)立式(4)～(9)可得,直接頂關(guān)鍵層懸頂長度范圍為

其中,k為關(guān)鍵層上方直接頂與關(guān)鍵層厚度的比值。對(duì)于巖體的抗拉強(qiáng)度,很難通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到,可采用經(jīng)驗(yàn)公式得通過巖塊抗壓強(qiáng)度得到巖層的抗拉強(qiáng)度。Hoek和Brown根據(jù)巖體性質(zhì)的理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),用試驗(yàn)法導(dǎo)出了巖塊的抗拉強(qiáng)度[19]為

其中,m,s為與巖性及結(jié)構(gòu)面情況有關(guān)的常數(shù),可查資料求得;σc為巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度,MPa。則式(10)可變成

根據(jù)式(13)可得,直接頂關(guān)鍵層懸頂?shù)臉O限長度與直接頂關(guān)鍵層厚度h、巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度σc(巖性)以及k值的關(guān)系曲線如圖7所示。

由圖7可知,直接頂關(guān)鍵層的懸頂長度隨巖層厚度、巖塊單軸抗壓強(qiáng)度的增加而增加,隨上覆直接頂厚度的增加而減小。

綜上所述,堅(jiān)硬頂板條件下大采高綜采工作面支架合理工作阻力為

圖7 地質(zhì)條件對(duì)直接頂關(guān)鍵層懸頂長度的影響Fig.7 Influence of geological conditions on key strata hanging length in immediate roof

2.3 實(shí)例分析

根據(jù)上述分析,首先應(yīng)判斷8218工作面的頂板結(jié)構(gòu)。8218工作面直接頂?shù)淖钚±碚摵穸?0 m,最大理論厚度為20 m[16],所以煤層上方3.05 m的中細(xì)砂巖將進(jìn)入垮落帶。本文采用文獻(xiàn)[13]提出的判別準(zhǔn)則,確定煤層上方17.45 m的粉細(xì)砂巖是否進(jìn)入斷裂帶。

式中,h′i為自下而上第i層基本頂?shù)姆謱雍穸?m;H為煤層采高,m;ki為基本頂及其上附加巖層的碎脹系數(shù),取1.15～1.33,文中取1.15;∑h為直接頂?shù)暮穸?m;kz為直接頂巖層的碎脹系數(shù),一般為1.33～1.50[13],8218工作面直接頂為中細(xì)砂巖,取1.5[18]。

代入相應(yīng)數(shù)據(jù)可得

煤層上方17.45 m的粉砂巖為堅(jiān)硬巖層,而且整層厚度較大,并根據(jù)式(16)可知,該巖層將進(jìn)入斷裂帶,成為工作面的基本頂,而煤層上方3.05 m的中細(xì)砂巖將作為直接頂關(guān)鍵層。

在直接頂關(guān)鍵層的3種運(yùn)動(dòng)形式中,“懸臂梁”雙向回轉(zhuǎn)垮落式和“懸臂梁-砌體梁”交替式,直接頂關(guān)鍵層均需形成穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)[15],所以可根據(jù)錢鳴高院士提出的巖層形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的條件[17],判斷8218工作面上覆直接頂關(guān)鍵層的運(yùn)動(dòng)形式。

①巖塊的長度應(yīng)大于層厚的2倍,即

②巖塊的厚度應(yīng)遠(yuǎn)大于巖塊下沉量,即

其中,l為關(guān)鍵層的斷裂步距,m;Δ為關(guān)鍵層的下沉量,m;其他參數(shù)與上文相同。根據(jù)8218工作面綜合柱狀圖,可計(jì)算得到直接頂關(guān)鍵層的下沉量約為4.15 m,不滿足條件②,所以直接頂關(guān)鍵層不能形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),其運(yùn)動(dòng)方式為“懸臂梁”直接垮落式。

根據(jù)8218工作面的生產(chǎn)地質(zhì)條件,確定直接頂關(guān)鍵層厚度h=3.05 m,中細(xì)砂巖巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度σc=65 MPa,支架控頂距l(xiāng)k=5.45 m,γi≈γj≈27 kN/m3[17],k=0,m=12.5,s=0.1。根據(jù)式(13),確定直接頂關(guān)鍵層的懸頂長度約為10.3 m,此結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)相符合。根據(jù)式(14)可計(jì)算得到支架合理的工作阻力P=12 184 kN,則支護(hù)強(qiáng)度p= 1.22 MPa,這說明8218工作面現(xiàn)用支架工作阻力不足。

3 支架合理選型

根據(jù)壓架事故的特點(diǎn),支架的選型還應(yīng)具備以下幾個(gè)要求:①需要有較強(qiáng)的承載能力和切頂能力;②能夠抵抗基本頂較強(qiáng)的沖擊;③能在工作面來壓期間保持穩(wěn)定。根據(jù)上述要求,確定選擇四柱支撐掩護(hù)式液壓支架。支撐掩護(hù)式液壓支架不僅具有支撐式液壓支架的工作阻力大、切頂性能好、工作面空間大的優(yōu)點(diǎn),而且具備掩護(hù)支架的擋矸性能好、支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、能較好地抵抗基本頂產(chǎn)生的層面方向的推力的優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)上文的分析與討論,確定選用ZZ13000/28/ 60型支撐掩護(hù)式液壓支架,該支架為四柱支撐掩護(hù)式支架,支架的工作阻力P=13 000 kN,初撐力P0= 10 128 kN,P0/P=77.9%,支架支護(hù)強(qiáng)度大,切頂能力強(qiáng),具備合理的工作阻力及初撐力。圖8為ZZ13000/28/60型液壓支架的結(jié)構(gòu)形式,表4為液壓支架的主要技術(shù)參數(shù)。

圖8 ZZ13000/28/60型液壓支架的結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of ZZ13000/28/60 hydraulic support

表4 支架主要技術(shù)參數(shù)Table 4 Main technical parameters of support

4 工業(yè)性試驗(yàn)

為了驗(yàn)證所選架型的合理性,在402盤區(qū)8210工作面進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。在工作面共布置7條測(cè)線,采用尤洛卡綜采壓力自動(dòng)記錄儀連續(xù)記錄支架的壓力情況。

在回采過程中,初撐力實(shí)測(cè)平均值占額定初撐力的61.7%,表明支架初撐力仍可進(jìn)一步提高,以達(dá)到充分利用初撐力的目的。支架末阻力實(shí)測(cè)最大值為12 611 kN,末阻力實(shí)測(cè)平均值及時(shí)間加權(quán)工作阻力平均值分別占額定工作阻力的67.2%和65.7%,表明在工作面正?；夭善陂g,支架能提供較充足的支護(hù)阻力。

ZZ13000/28/60型液壓支架采用雙伸縮形式的立柱,在來壓期間,只有中部少數(shù)安全閥開啟,提高了支架的抗沖擊能力。在整個(gè)回采期間,8210工作面沒有發(fā)生壓架事故,表明所選架型合理,能夠較好的滿足402盤區(qū)大采高綜采工作面頂板的支護(hù)要求。

5 結(jié) 論

(1)根據(jù)工作面壓架事故的顯現(xiàn)情況,工作面壓架事故屬于壓垮型冒頂事故,其冒頂機(jī)理是由工作面支架初撐力、工作阻力以及可縮量的不足共同引起的。

(2)基于大采高工作面的覆巖結(jié)構(gòu)特征,采用理論分析的方法,分析得到了堅(jiān)硬直接頂關(guān)鍵層的懸頂長度的計(jì)算方法,計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)相符合;同時(shí)分析了巖性、層厚以及上覆直接頂厚度對(duì)直接頂關(guān)鍵層懸頂長度的影響規(guī)律,分析結(jié)果表明,直接頂關(guān)鍵的懸頂長度隨巖層厚度、巖塊單軸抗壓強(qiáng)度的增加而增加,隨上覆直接頂厚度的增加而減小。

(3)根據(jù)上述分析及堅(jiān)硬頂板條件下工作面來壓特點(diǎn),對(duì)大采高堅(jiān)硬頂板綜采工作面支架工作阻力的確定進(jìn)行了載荷估算法的修正。根據(jù)402盤區(qū)的地質(zhì)條件,確定了工作面支架的合理工作阻力為12 184 kN,支護(hù)強(qiáng)度為1.22 MPa,同時(shí)確定選用ZZ13000/28/60型支撐掩護(hù)式液壓支架。

(4)通過工業(yè)性試驗(yàn)得到,支架工作阻力最大值為12 611 kN,末阻力平均值及時(shí)間加權(quán)工作阻力平均值分別占額定工作阻力的67.2%和65.7%,沒有發(fā)生壓架事故,8210工作面實(shí)現(xiàn)了安全高效開采,表明了理論分析計(jì)算結(jié)果和所選架型的合理性。

[1] 靳鐘銘,徐林生.煤礦堅(jiān)硬頂板控制[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1994.

Jin Zhongming,Xu Linsheng.Control of hard roof in mining[M].Beijing:China Coal Industry Publishing House,1994.

[2] 王高利.厚硬頂板破斷規(guī)律及控制研究[D].淮南:安徽理工大學(xué),2008.

[3] 朱德仁,錢鳴高,徐林生.堅(jiān)硬頂板來壓控制的探討[J].煤炭學(xué)報(bào),1991,16(2):11-18.

Zhu Deren,Qian Minggao,Xu Linsheng.Discussion on control hard roof[J].Journal of China Coal Society,1991,16(2):11-18.

[4] 宋永津.大同煤礦采場(chǎng)堅(jiān)硬頂板控制方法與工程效果[J].煤炭科學(xué)技術(shù),1991,19(12):18-22.

Song Yongjin.Controllingmethods and engineering effects of strong roof in Datongmining area[J].Coal Science and Technology,1991, 19(12):18-22.

[5] 王 開,康天合,李海濤,等.堅(jiān)硬頂板控制放頂方式及合理懸頂長度的研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28(11):2320-2327.

Wang Kai,Kang Tianhe,Li Haitao,et al.Study of control cavingmethods and reasonable hanging roof length on hard roof[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28 (11):2320-2327.

[6] 竇林名,鄒喜正,曹勝根,等.煤礦圍巖控制與監(jiān)測(cè)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2007.

[7] 郝海金,張 勇,袁宗本.大采高采場(chǎng)整體力學(xué)模型及采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)的影響[J].礦山壓力與頂板管理,2003,20(S1):21-27.

[8] 郝海金,吳 健,張 勇,等.大采高開采上位巖層平衡結(jié)構(gòu)及其對(duì)采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)的影響[J].煤炭學(xué)報(bào),2004,29(2):137-141.

Hao Haijin,Wu Jian,Zhang Yong,et al.The balance structure ofmain roof and its action to immediate roof in large cutting height workface[J].Journal of China Coal Society,2004,29(2):137-141.

[9] 弓培林,靳鐘銘.大采高采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)特征及運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2004,29(1):7-11.

Gong Peilin,Jin Zhongming.Study on the structure characteristics and movement laws of overlying strata with largemining height[J].Journal of China Coal Society,2004,29(1):7-11.

[10] 文志杰,趙曉東,尹立明,等.大采高頂板控制模型及支架合理承載研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2010,27(2):255-258.

Wen Zhijie,Zhao Xiaodong,Yin Liming,et al.Study on mechanicalmodel and reasonable working-condition parameters in mining stope with largemining height[J].Journal of Mining&Safety Engineering,2010,27(2):255-258.

[11] 伍永平,郭振興,馬彩蓮,等.堅(jiān)硬頂板大采高采場(chǎng)支架阻力的確定[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào),2010,30(2):127-131.

Wu Yongping,Guo Zhenxing,Ma Cailian,etal.Study on support’s resistance of high mining height face based on simulation experiment[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology, 2010,30(2):127-131.

[12] 陸明心,郝海金,吳 健.綜放開采上位巖層的平衡結(jié)構(gòu)及其對(duì)采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)的影響[J].煤炭學(xué)報(bào),2002,27(6):591-595.Lu Mingxin,Hao Haijin,Wu Jian.The balance structure of main roof and its action to top coal in longwall top coal caving workface [J].Journal of China Coal Society,2002,27(6):591-595.

[13] 侯忠杰.斷裂帶基本頂?shù)呐袆e準(zhǔn)則及在淺埋煤層中的應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào),2003,28(1):8-12.

Hou Zhongjie.The criterion on determining main roof in breaking zone and its app lication to the shallow seam[J].Journal of China Coal Society,2003,28(1):8-12.

[14] 閆少宏.特厚煤層大采高綜放開采支架外載的理論研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2009,34(5):590-593.

Yan Shaohong.Theory study on the load on support of long wall with top coal caving with great mining height in extra thick coal seam[J].Journal of China Coal Society,2009,34(5):590-593.

[15] 鞠金峰,許家林,王慶雄.大采高采場(chǎng)關(guān)鍵層“懸臂梁”結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)型式及對(duì)礦壓的影響[J].煤炭學(xué)報(bào),2011,36(12):2115-2120.

Ju Jinfeng,Xu Jialin,Wang Qingxiong.Cantilever structure moving type of key strata and its influence on ground pressure in largemining height workface[J].Journal of China Coal Society,2011, 36(12):2115-2120.

[16] 弓培林,靳鐘銘.大采高綜采采場(chǎng)頂板控制力學(xué)模型研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(1):193-198.

Gong Peilin,Jin Zhongming.Mechanicalmodel study on roof control for fully-mechanized coal face with large mining height[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008, 27(1):193-198.

[17] 錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[18] 劉鴻文.材料力學(xué)Ⅰ[M].北京:高等教育出版社,2004.

[19] 蔡美峰.巖石力學(xué)與工程[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

Analyses of support crushing accidents and support working resistance in largem ining height work face w ith hard roof

GUOWei-bin1,2,3,LIU Chang-you1,2,3,WU Feng-feng1,2,3,YANG Pei-ju1,2,3,WU Sheng-fu4

(1.School ofMines,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221008,China;2.Key Laboratory ofDeep Coal Resource Mining,Ministry of Education,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221008,China;3.State Key Laboratory ofCoal Resourcesand SafeMining,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221008,China;4.Datong Coal Mine Group,Datong 037000,China)

According to the support crushing accident in the largemining height fully-mechanized face with hard roof condition in Jinhuagong Mine,the type and cause of the accidentwas given by thorough analyses.Based on the structure of overlying strata,the calculatingmethod for hanging length of the key strata in immediate roof and its influencing factors were put forward with theoretical analyses.The load-estimate-method wasmodified to obtain the reasonable support working resistance in the largemining height fully-mechanized face with hard roof condition.In accordance with themethod and the geological condition of 402 panel,the reasonable working resistance of support is 12 184 kN,the supporting strength is1.22 MPa and the support type was determined.With these results,the largemining height fullymechanized face in 402 panel achieved safety and high efficiencymining,which shows that the theoretical analyses and the selected support type are reasonable.

hard roof;support crushing accidents;working resistance;fully-mechanized workface with large mining height;load-estimate-method

TD322

A

0253-9993(2014)07-1212-08

郭衛(wèi)彬,劉長友,吳鋒鋒,等.堅(jiān)硬頂板大采高工作面壓架事故及支架阻力分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(7):1212-1219.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1143

Guo Weibin,Liu Changyou,Wu Fengfeng,et al.Analyses of support crushing accidents and support working resistance in large mining heightworkface with hard roof[J].Journal of China Coal Society,2014,39(7):1212-1219.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1143

2013-08-06 責(zé)任編輯:常 琛

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51174192);江蘇省研究生創(chuàng)新工程資助項(xiàng)目(CXZZ11-0310);江蘇省“333工程”培養(yǎng)基金資助項(xiàng)目(BRA2010024)

郭衛(wèi)彬(1988—),男,山東鄄城人,博士研究生。E-mail:cumtgwb@163.com