龐龐塔礦大傾角松軟厚煤層綜采工作面支架穩(wěn)定性控制技術(shù)

趙 冬

（霍州煤電呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 呂梁033200）

0 引 言

大傾角松軟厚煤層在我國(guó)各大礦區(qū)廣泛分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)大傾角松軟厚煤層的安全開(kāi)采是確保我國(guó)煤炭資源長(zhǎng)久供應(yīng)的有效手段[1-3]。但是，由于煤層傾角較大，綜采工作面液壓支架極易發(fā)生傾倒和下滑風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重制約了工作面設(shè)備和人員生命安全[4-5]。對(duì)此，本文以龐龐塔礦9-801 大傾角松軟厚煤層綜放工作面為研究背景，通過(guò)對(duì)大傾角煤層工作面綜放開(kāi)采的影響因素和支架穩(wěn)定性進(jìn)行分析，對(duì)液壓支架的極限傾倒角和下滑極限傾角進(jìn)行判定，并提出了相應(yīng)的工作面布置方式和支架防倒防滑措施，確保了工作面安全高效生產(chǎn)，為類似工程條件的工作面提供了借鑒。

1 工程概況

龐龐塔礦隸屬于霍州煤電集團(tuán)，現(xiàn)主采9#煤。9#煤賦存于太原組中下部，煤層厚度為10.8 ～12.4m，平均厚度11.8m；煤層傾角為4°～34°，平均傾角19°；普氏系數(shù)f 為1.16，為大傾角松軟特厚煤層。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般含夾矸1～4 層，夾矸厚度0.10～0.38m，夾矸多為炭質(zhì)泥巖。9#煤直接頂為均厚6.7m 的泥質(zhì)灰?guī)r，偽頂為均厚0.5m 的炭質(zhì)泥巖，直接底為均厚1.9m 的泥巖，老底為均厚2.0m的細(xì)粒砂巖。9-801 工作面采用綜采放頂煤一次采全厚走向長(zhǎng)壁采煤法開(kāi)采，機(jī)采高度為3.2m，放頂煤厚度為8.6m，單向割煤，一采一放，采用單輪順序放煤方式，割煤步距和放煤步距均為0.8m。該礦開(kāi)采實(shí)踐表明，大傾角松軟厚煤層開(kāi)采過(guò)程中存在支架下滑與傾倒等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了工作面安全高效生產(chǎn)。

2 大傾角松軟厚煤層綜放開(kāi)采影響因素及措施

2.1 支架對(duì)松軟煤層適應(yīng)性

松軟煤層在進(jìn)行綜放開(kāi)采時(shí)，工作面極易發(fā)生冒頂、片幫事故，頂板控制較為困難[2]。較軟煤層塑性較強(qiáng)，在綜放開(kāi)采期間上覆巖層壓力經(jīng)煤層傳遞作用于工作面支架[5]。常導(dǎo)致2 種情況出現(xiàn)：一是煤層自身承載了一部分上覆巖層壓力，從而減小了支架所需承載的壓力，但支架對(duì)頂板的反作用力也相對(duì)減小，進(jìn)而造成切頂效果較差，容易出現(xiàn)大面積空頂；二是煤層在上覆巖層壓力作用下破碎程度增加，較易因支架空頂而引發(fā)事故風(fēng)險(xiǎn)。

龐龐塔礦9-801 工作面煤層屬松軟煤層（f=1.16），在進(jìn)行綜放開(kāi)采時(shí)，可采取以下措施提高支架對(duì)煤層的適應(yīng)性：①提高工作面支架初撐力，同時(shí)利用整體頂梁以增加支架頂梁前端的支撐能力；②在支架伸縮梁上加護(hù)幫結(jié)構(gòu)，以有效支護(hù)割煤后的頂板和煤壁；③增強(qiáng)支架結(jié)構(gòu)的密封性，為防止放頂期間漏煤和支架空頂現(xiàn)象，借助整體頂梁長(zhǎng)側(cè)護(hù)板對(duì)頂煤全封閉。

2.2 工作面布置方式

煤層厚度不大、傾角相對(duì)較小時(shí)，工作面布置方式通常如圖1a 所示。這種工作面布置方式與水平布置類似，由于工作面水平端無(wú)穩(wěn)定支撐而生產(chǎn)管理復(fù)雜。煤層傾角較大時(shí)，工作面的布置方式直接影響到支架防倒防滑效果。因此，大傾角厚煤層工作面應(yīng)采用圖1b 所示的布置方式，該方式在下端頭應(yīng)有一定的彎曲，并逐步遞減傾角，增大了下端頭支架的穩(wěn)定性，同時(shí)在支架下端頭形成一小傾角或近水平的穩(wěn)定支撐，采用先下后上的順序推移工作面支架，極大降低了支架傾倒和下滑風(fēng)險(xiǎn)。此外，該布置方式簡(jiǎn)化輸送機(jī)與裝載機(jī)間的搭接配合的同時(shí)，極大提高了支架的穩(wěn)定性和安全性。

圖1 工作面彎曲布置

工作面在采用彎曲布置的同時(shí)，還應(yīng)確保工作面不垂直于運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷，而是應(yīng)與垂直方向存在一個(gè)角度，采用偽斜布置方式，從而降低工作面傾角，確保綜合機(jī)械化采煤能夠在傾斜及急傾斜煤層中發(fā)揮其最大效益。根據(jù)9-801 工作面實(shí)際情況，設(shè)計(jì)9-801 工作面?zhèn)涡辈贾脜?shù)，9-8011 巷超前9-8012 巷10～15m，偽斜角度為3°～4°，具體布置如圖2 所示。圖2 中1 為工作面?zhèn)涡?；γ為工作面?zhèn)涡苯?，°；L和L偽分別為沿煤層傾向布置的真斜工作面長(zhǎng)度和沿偽斜布置的工作面長(zhǎng)度，m；α和α偽分別為真斜工作面傾角，°；H為工作面回風(fēng)巷與運(yùn)輸巷高差，m。

圖2 工作面?zhèn)涡辈贾?/p>

3 大傾角工作面支架穩(wěn)定性分析及控制措施

3.1 支架穩(wěn)定性分析

如圖3 所示，大傾角工作面支架正常工作時(shí)處于受力平衡狀態(tài)，即支架自重G、初撐力N1、底板反力N2、頂板壓力的合力N、上下鄰支架間擠靠力F1和F2的合力為零[6]。一旦這種受力平衡被打破，上述力的合力大于零且其作用點(diǎn)偏離支架底座，進(jìn)而導(dǎo)致支架失穩(wěn)。

圖3 支架不同狀態(tài)時(shí)受力分析

由力矩極限平衡條件知：

式中：b為支架自重作用方向與支架底座下邊緣的水平距離，mm；H2支架高度，mm；B為支架底座寬度，mm；Hg為支架重心高度，mm。

由式2 可知，支架適應(yīng)傾角和壓力的性能與其重心和底座寬度正相關(guān)。此外，支架自穩(wěn)力臂與底座寬度正相關(guān)，與重心高度負(fù)相關(guān)，如圖1 所示。由于9-801 工作面傾角較大（平均19°），采空區(qū)矸石受重力作用沿底板向工作面下部采空區(qū)堆積、壓密，導(dǎo)致工作面上部的支架因空頂而增大傾倒風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 支架穩(wěn)定性控制措施

支架倒架一般是因其上方冒空導(dǎo)致頂板局部完整性喪失，上部煤層存在向下移動(dòng)的空間，在煤層垮落分力的作用下支架發(fā)生倒架風(fēng)險(xiǎn)。因此，支架傾倒多發(fā)生在支架與上部煤層脫離時(shí)[7-8]。

3.2.1 支架防倒措施

由圖3 可知，支架重心鉛垂線處于其底座范圍內(nèi)，不會(huì)發(fā)生倒架現(xiàn)象，否則支架將會(huì)發(fā)生傾倒。假設(shè)Hg=1 500mm，B=1 750mm，由式2 可得到大傾角綜放支架的極限傾倒角為32.6°，考慮存在一定的安全系數(shù)，認(rèn)為支架傾角大于31°時(shí)工作面支架容易發(fā)生傾倒。9-801 工作面煤層傾角為4°～34°，其局部區(qū)域煤層傾角大于33°，已大于支架的極限傾倒角，故在開(kāi)采時(shí)在工作面采用偽斜布置方式。此外，還應(yīng)采取措施對(duì)支架進(jìn)行防倒防滑，具體有：①支架側(cè)護(hù)板加千斤頂和側(cè)推彈簧以減小支架頂梁間間隙，使之相互靠緊而無(wú)傾倒空間；②在相鄰支架頂梁間安裝調(diào)架千斤（如圖4 所示），可在支架傾倒時(shí)以相鄰支架為支點(diǎn)對(duì)其位置進(jìn)行調(diào)整。

圖4 頂梁防倒裝置

3.2.2 支架防滑措施

支架下滑力和摩擦力的相對(duì)大小決定了支架

前移時(shí)是否發(fā)生下滑。當(dāng)下滑力＞摩擦力時(shí)，支架下滑，否則不下滑。

圖5 支架下滑受力示意圖

在過(guò)程中會(huì)，取決于支架的。當(dāng)支架大于；如圖5 所示，令支架受力為T，滑動(dòng)摩擦系數(shù)為μ，則支架不發(fā)生下滑的條件為：

取支架滑動(dòng)摩擦系數(shù)μ 為0.3，可解得支架下滑極限傾角為20.1°。故當(dāng)工作面傾角大于19°時(shí)，就需對(duì)支架采取防滑措施。9-801 工作面煤層傾角為19°，因此在工作面采取偽斜布置的同時(shí)，還應(yīng)對(duì)支架采取以下防滑措施：①在相鄰支架底座之間安裝防滑千斤頂（如圖6 所示），以相鄰支架為支點(diǎn)來(lái)調(diào)整支架位置；②運(yùn)輸機(jī)與支架之間安裝防運(yùn)輸機(jī)下滑裝置（如圖7 所示），利用防滑千斤頂控制運(yùn)輸機(jī)上移。

圖6 支架間防滑裝置

圖7 運(yùn)輸機(jī)與支架間防滑裝置

4 結(jié) 語(yǔ)

基于對(duì)大傾角煤層工作面支架穩(wěn)定性的理論分析，結(jié)合龐龐塔礦9-801 工作面實(shí)際情況，得到當(dāng)煤層傾角大于31°時(shí)，支架傾角大于其極限傾倒角，支架易發(fā)生傾倒；當(dāng)煤層傾角大于19°時(shí)，支架傾角大于其下滑極限傾角，支架易發(fā)生下滑。結(jié)合該礦實(shí)際生產(chǎn)條件，提出了工作面彎曲布置、偽斜布置和支架防倒防滑措施。