大傾角綜采工作面“三機”防滑技術(shù)分析

毛漢林 胡超文

(1.重慶能源集團鹽井一礦；2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院)

大傾角綜采工作面“三機”防滑技術(shù)分析

毛漢林1胡超文2

(1.重慶能源集團鹽井一礦；2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院)

隨著我國煤礦開采強度的不斷加大，特別是前些年不加節(jié)制的“掠奪式”開采，使賦存條件良好的煤層儲量越來越少，賦存條件較為復(fù)雜煤層的開采越來越多，大傾角煤層開采的問題日益突出。大傾角煤層傾角大，側(cè)向力大，工作面支架、輸送機和采煤機的穩(wěn)定性差，易于傾倒下滑。為此，提出工作面“三機”防滑措施，經(jīng)過在鹽井一礦首采工作面現(xiàn)場試驗，獲得了較好的防滑效果，適合推廣應(yīng)用。

大傾角煤層開采 液壓支架 防滑

地下開采煤層，按其傾角分為近水平(0°～8°)、緩傾斜(8°～25°)、傾斜(25°～45°)和急傾斜(45°～90°)4類[1]，而大傾角煤層迄今為止還沒有確切的定義。根據(jù)冒落矸石滑動的自然安息角和一般液壓支架最大適用角度，可以認為大傾角煤層主要是指傾角大于35°的煤層[2]。大傾角煤層都有“支架—圍巖”系統(tǒng)不穩(wěn)定的特點，由于傾角大，上覆巖層重力沿層面(切向)的分量大，沿垂直層面(法向)的分量小，頂?shù)装鍘r層的滑移量增大，導(dǎo)致工作面支架受垂直載荷較小，受側(cè)向力較大，穩(wěn)定性變差，容易傾倒和下滑。工作面上的輸送機和采煤機也遇到同樣的問題，“三機”防滑已經(jīng)成為制約大傾角煤層機械化發(fā)展的重大難題。

1 大傾角煤層開采巖層運動規(guī)律研究

1.1 大傾角工作面上覆巖層斷裂形態(tài)

開采大傾角煤層時，由于煤層傾角大于冒落矸石的自然安息角，當工作面頂板垮落后，處于工作面中、上部區(qū)域內(nèi)的冒落矸石滑落充填到工作面下部區(qū)域，給上覆巖層的進一步運動留出了空間，因此“三帶”形成的層位較高。而工作面下部區(qū)域由于充填較為密實，頂板巖層并不能充分垮落，因此沒有明顯的“三帶”或“三帶”形成的層位相對較低且不充分[3]，見圖1所示。一般情況下，最大冒落點位置大于工作面長度的一半(圖1中曲線1)，當傾角增大，巖性較軟時，最大冒落點位置接近或大于工作面長度，即沿傾斜方向的最大冒高位置會超出工作面的范圍，出現(xiàn)在工作面軌道平巷之外(圖1曲線2)。

圖1 冒落帶高度沿工作面傾斜方向的變化

1.2 大傾角工作面巖層的空間結(jié)構(gòu)與應(yīng)力場分布

工作面推進時，沿煤層走向方向，在工作面中上部區(qū)段，煤壁前的最大主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力都較為集中，頂板呈現(xiàn)出張拉與壓剪的破壞形式。在支架上方大傾角采場的頂板巖梁也明顯地呈現(xiàn)出懸臂梁彎曲下沉的特征，如圖2所示。

圖2 宏觀應(yīng)力拱走向分析模型

沿煤層傾向方向，工作面上部區(qū)段大，礦山壓力較大，而下部較小。沿傾斜方向最大主應(yīng)力的兩個峰值分別位于工作面回風平巷上部和運輸平巷下部的煤巖中。最大剪應(yīng)力峰值分別位于工作面兩頭頂板內(nèi)、下端頭底板內(nèi)和工作面拐點附近的底板內(nèi)。最大應(yīng)力場呈現(xiàn)非對稱特征，采場頂板巖層的位移也具有不對稱的特征(見圖3)，與工作面下端頭相比，上端頭覆巖有較大的水平位移和垂直位移。工作面底板巖石也有較大的(向下山一側(cè))水平位移[4]。

1.3 大傾角工作面底板巖層運動形式

大傾角煤層底板巖層的破壞與底板巖層在開采后引起的應(yīng)力重新分布有關(guān)。隨著工作面的推進，底板巖層由應(yīng)力集中狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樾遁d狀態(tài)，巖層內(nèi)部的節(jié)理裂隙得到進一步擴展和貫通。另外地質(zhì)構(gòu)造、工作面采動影響以及爆破等，都會在底板巖層內(nèi)部產(chǎn)生裂隙，有些構(gòu)成了巖層破壞塊體的滑移面，如圖4所示。

圖3 宏觀應(yīng)力拱傾向分析模型

圖4 底板巖層破壞形式示意

2 大傾角煤層綜采工作面現(xiàn)場試驗

鹽井一礦首采工作面為K14開采煤層，K14煤層賦存穩(wěn)定，厚度變化小。上覆巖層依次為0.5 m的細砂巖，20.45 m的泥巖和11.44 m的石灰?guī)r，直接底為5.5 m厚的深灰色黏土質(zhì)泥巖，老底為13.2 m厚的灰色薄至中厚層狀細砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，水平層理。煤層平均傾角為37°，傾角最大處超過了40°。工作面煤層具體狀況見表1。

表1 首采工作面K14煤層狀況

由于開采煤層傾角較大，工作面推進過程中不僅要防止采煤機、輸送機和液壓支架的傾倒和下滑，還要防止竄矸對正常工作的影響。根據(jù)以往大傾角綜采工作面的成功經(jīng)驗，結(jié)合該礦的實際地質(zhì)條件和工作情況，提出以下措施。

2.1 液壓支架防倒、防滑措施

(1)加強工作面端頭1#～4#支架防滑，在1#～4#相鄰支架的底座上安設(shè)一組拉緊液壓缸鎖緊支架，用于防倒防滑。

(2)拉架時支架不得降得過大，一般為100～150 mm。當頂板破碎時，應(yīng)帶壓移架或少降快移。在降架和拉架過程中要高度注意本架與鄰架的位置接觸情況，嚴防背架。

(3)移架過程中支架發(fā)生傾倒時應(yīng)停止移架，進行調(diào)架處理。

(4)支架掩護梁前端上方出現(xiàn)空頂現(xiàn)象時，必須用木料絞架接頂。

(5)出現(xiàn)支架底座下插情況時，采用單體支柱支撐支架頂梁提升支架，待支架提升一定程度及時在底座下墊入枕木。

(6)工作面出現(xiàn)倒架、壓架情況時，可用單體支柱從上至下逐架處理。調(diào)架前，先用單體支柱對相鄰支架進行加強支護，并用笆片、排材背緊架間活矸。后用單體支柱從傾向?qū)Ρ局Ъ苁┝σ员３制胶?，再用走向單體支柱調(diào)架。

(7)在刮板輸送機尾部加裝防滑錨固措施，當支架下滑時，可使支架復(fù)位。

液壓支架防倒措施見圖5，防滑措施見圖6。

圖5 液壓支架防倒示意

圖6 液壓支架防滑錨固裝置

2.2 運輸機防滑措施

(1)推移工作面運輸機。嚴格按照由機頭向機尾的順序依次推移，彎曲長度不得低于20 m，推移運輸機時，要隨時觀察頂板及煤壁情況，以確保安全。

(2)沿工作面傾斜方向，每隔10架設(shè)置一組防滑裝置，采用伸縮液壓缸結(jié)合圓環(huán)鏈條，將液壓支架底座與刮板運輸機“十字連接頭”鏈接收緊，防滑鏈至少跨4個支架(如10#架底座拉7#架對應(yīng)“十字連接頭”，液壓缸操作把手設(shè)置在10#架，每隔10架安設(shè)一組)，以保證向上的角度，增大防滑力。

(3)在工作面支架與運輸機不垂直時，及時調(diào)整支架，保證支架與運輸機垂直，確保支架對運輸機的向上分力，以此來減少工作面運輸機的下滑力。

(4)保持工作面運輸機機頭始終與運輸巷上幫煤壁對齊，處于硬底上，增加工作面運輸機與底板的摩擦力，減少工作面運輸機的下滑力。刮板輸送機防滑措施見圖7。

圖7 刮板輸送機防滑

2.3 采煤機防滑技術(shù)措施

(1)根據(jù)采煤機高度及下滑力，選取采煤機防滑鏈。防滑鏈的一端通過大魚口與煤機機身連接，另一端垂在運輸機槽內(nèi)。采煤機下滑時推拉桿一端可戧住工作面運輸機刮板槽，阻止其下滑。

(2)工作面傾角在35°以上時只采取推機割煤，空刀提機，工作面提機時，采取分段停機推移，每20～40節(jié)停機推移工作面運輸機。

(3)采煤機停機時，在停機前把煤機下方幾節(jié)支架護幫板收成垂直狀態(tài)，讓支架護幫板頂住煤機，防止煤機下滑。

2.4 防竄矸措施

端頭支護除正常使用4.4 m的π型梁支護外，沿切頂線從支架邊界到巷道幫打設(shè)密集支柱；切頂線上密集支柱的數(shù)量根據(jù)支架與外幫的距離而定，確保柱間距不大于300 mm，支柱間隙不能過矸石；在支柱的后方用1.2～2.0 m的木料背實，增加密集支柱擋矸的效果；放頂時，要堅持從一端向另一端進行，不得從中間開始回收單體液壓支柱；嚴格控制兩支架的間距，保證支架后部的空隙在正常范圍內(nèi)，對間距較大和有竄矸可能的要用背板或網(wǎng)堵死背嚴；在拉架過程中，要時刻注意支架后座有無竄矸，如有則施行分次拉架，亦可用背板或網(wǎng)封堵；每隔10架在相鄰液壓支架的掩護梁下安裝柔性擋矸裝置，形成一個密閉空間，可有效地阻擋從采空區(qū)垮落的矸石涌向工作面。

3 偽傾斜開采試驗及分析

為了減小大傾角的影響，將工作面調(diào)成偽傾斜開采，經(jīng)過5個月的現(xiàn)場工業(yè)試驗，運輸平巷超前于回風平巷8～10 m時，工作面工作情況最好。機組(三機)性能均穩(wěn)定，各項技術(shù)指標達到了預(yù)期效果。

3.1 液壓支架適應(yīng)性分析

評估機構(gòu)的設(shè)立條款，除符合《合伙企業(yè)法》《公司法》所規(guī)定的基本條件外，還應(yīng)當符合法律、行政法規(guī)的特別要求。本條在梳理各專業(yè)領(lǐng)域評估機構(gòu)的評估師人數(shù)要求后，對評估機構(gòu)的設(shè)立條件作出了統(tǒng)一規(guī)定。

首采工作面共采用60架ZQY2800/09/23型液壓支架，設(shè)3個測站，分別是下部(3#、10#、16#)、中部(21#、28#、34#、40#)和上部(46#、52#、58#)安裝10臺YHY60煤礦用壓力連續(xù)監(jiān)測記錄儀，自動監(jiān)測綜采支架的工作阻力。液壓支架主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 液壓支架主要技術(shù)參數(shù)

3.1.1 液壓支架初撐力

各支架初撐力分布情況統(tǒng)計見表3。

表3 支架初撐力頻率分布情況

由表3可以看出，工作面支架整體初撐力較高，對工作面頂板起到了有效支護，工作面沒有出現(xiàn)端面頂煤破碎漏頂現(xiàn)象，也未出現(xiàn)支架明顯下滑和倒架現(xiàn)象。

3.1.2 液壓支架平均循環(huán)末阻力

各支架工作阻力分布情況統(tǒng)計見表4。

表4 支架工作阻力頻率分布

由以上數(shù)據(jù)分析可以看出，支架工作阻力發(fā)揮比較好，且有一定的富裕系數(shù)。

3.2 采煤機和輸送機防滑效果

采煤機上行空載，下行采煤效率較高，而且工作面調(diào)斜以后，機械振動明顯減小;刮板輸送機“十字鏈接”防滑效果良好，上行推溜減少了輸送機的下滑，運輸效果良好，向轉(zhuǎn)載機輸煤效果優(yōu)良。

4 結(jié) 論

(1)通過調(diào)整工作面沿煤層偽傾角推進，減小了工作面的傾斜程度，為工作面的正常推進提供了條件。需要指出的是，偽斜工作面需要在實踐中調(diào)整、試驗，才能得出最佳方案。

(2)通過一系列的防滑措施，液壓支架工作情況良好，工作面頂板控制達到了滿意的效果。

(3)輸送機和采煤機的防滑效果良好，滿足了實際生產(chǎn)要求。

(4)試驗期間，“三機”整體運行效果良好，為同類煤層開采提供了借鑒經(jīng)驗。

[1] 胡紹祥.礦山地質(zhì)學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.

[2] 關(guān)錫鑌.大傾角煤層主要采煤方法[D].焦作：河南理工大學(xué)，2010.

[3] 伍永平.大傾角煤層開采“R-S-F”系統(tǒng)動力學(xué)控制基礎(chǔ)研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2003.

[4] 劉慶林,孟祥瑞,趙光明，等.大傾角綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[J].煤礦安全，2008(1):22-24.

Analysis of Anti-slipping Technology of the "Three Machines" Greater Tilt Angle Fully Mechanized Mining Face

Mao Hanlin1Hu Chaowen2

(1. Yanjing No.1 Coal Mine, Chongqing Energy Group; 2. Institute of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology)

With the increasing of the coal mining strength continuously in our country, especially the with out restraint "predatory" mode of production a few years ago, which makes the coal reserves with good occurrence conditions lesser and lesser, more and more coal seams with complex occurrence conditions are mined, so, the mining problem of greater tilt angle increasingly prominent. The dip angle of the coal seam is large, and its lateral fore is big, besides that, stability of the face support, conveyor and coal winning machine are poor, and easy to dump. Thus, the slippery measures of "three machines" are proposed, the field test results of the mechanized mining face of Yanjing No.1 coal mine show that, good anti-slipping effects is obtained, and the above measures,is suitable for promotion.

Greater tilt angle coal mining, Hydraulic support, Anti-slipping

2014-11-06)

毛漢林(1982—)，男，生產(chǎn)技術(shù)部部長，助理工程師，401531 重慶市合川區(qū)鹽井鎮(zhèn)。