大傾角綜采工作面支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

陳茂東

(大同煤礦集團(tuán) 雁崖煤業(yè)公司，山西 大同 037031)

近30多年來，我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，煤炭需求量的大幅度增加，加速了對煤炭的開采，使得煤炭開采由近水平和緩傾斜煤層逐漸向中斜和急(傾)斜煤層方向轉(zhuǎn)變，特別是有些礦區(qū)資源逐漸枯竭，面臨開采大傾角煤層(即開采埋藏傾角35°～55°的煤層[1])。因此，亟需研究該條件下如何保持綜采工作面支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)工作面的機械化生產(chǎn)，為礦井的高產(chǎn)高效安全生產(chǎn)創(chuàng)造有利條件。

1 工作面概況及開采特點

郝家溝煤礦1301工作面為技術(shù)改造后的首個綜采工作面，地面標(biāo)高+950～+993 m，井下標(biāo)高+746～+815.5 m，走向長度600 m左右，傾向長度約120 m，煤層傾角30°～40°，平均35°。煤層頂?shù)装鍘r性見表1。

1301工作面采用綜合機械化走向長壁后退式綜采放頂煤采煤法及全部跨落法管理頂板，選用MG2×80/378-WD采煤機、ZF2800/16/24B(D)型支架支護(hù)頂板和ZFG3200/18/26B端頭支架、SGZ-630/220刮板輸送機運煤。

在大傾角煤層中，采用綜采工藝進(jìn)行采煤具有以下特點：液壓支架易處于自由狀態(tài)，從而誘發(fā)支架的失穩(wěn)，出現(xiàn)支架的傾倒、支架的移架、調(diào)架困難等現(xiàn)象。當(dāng)處于工作面周期來壓階段時，工作面頂?shù)装逡装l(fā)生滑移，造成支架的傾倒、處于非正常工作狀態(tài)；工作面下部端頭支架較難管理；工作面的刮板輸送機下滑嚴(yán)重，特別是采用綜放采煤法后的刮板輸送機下滑尤為嚴(yán)重。

表1 頂?shù)装鍘r性表

工作面的礦壓顯現(xiàn)特征：工作面頂板垮落后，將會向采空區(qū)滑動、垮落，采空區(qū)填充的不均勻性，將造成工作面來壓順序、強度的不均衡。

作業(yè)環(huán)境：支架及作業(yè)空間容易受到頂煤、工作面煤壁片幫及采煤機的威脅；人員的行走空間狹小，操作設(shè)備比較困難；支架后部放煤時，控制矸石量困難且對刮板輸送機及支架造成沖擊，支架易傾倒。

通過上述研究分析，在大傾角煤層的綜采工藝中，支護(hù)系統(tǒng)(即支架—圍巖)的穩(wěn)定性對于整個采煤工藝起著至關(guān)重要的作用。

2 大傾角綜采工作面的關(guān)鍵技術(shù)

支護(hù)系統(tǒng)由基本頂-直接頂-支架-底板構(gòu)成，其穩(wěn)定性是大傾角綜采工作面成功與否的關(guān)鍵。圍巖的巖層垮落運動對支架的工作狀態(tài)影響較大，相反，支架的工作狀態(tài)對圍巖的運動也具有較大影響。因此，支架-圍巖是相互影響、相互作用的共同體，需要對支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行深入研究。

綜合分析工作面上覆巖層的結(jié)構(gòu)及大傾角工作面的礦壓觀測和巖層移動情況，得到大傾角走向綜采工作面沿傾斜方向的支護(hù)系統(tǒng)的相互作用關(guān)系，見圖1。取沿工作面傾斜方向L的長度進(jìn)行分析。

圖1 大傾角綜采面沿傾斜方向支護(hù)系統(tǒng)作用模型圖

利用結(jié)構(gòu)分析法分析可得[2]：

μP+(Tx-Ts)cosθ+(Rx-Rs)sinθ=(Q+G)sinα

(1)

P+(Tx-Ts)sinθ+(Rx-Rs)cosθ=(Q+G)cosα

(2)

式中:

μ—為支架與頂板間的摩擦因數(shù)。

式(1)、(2)分別為支護(hù)系統(tǒng)沿巖層面、垂直巖層面的平衡條件。由此可得：

1)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與其內(nèi)在特性(α、θ、G)和外載(Q)及支護(hù)阻力(P)有關(guān)。系統(tǒng)沿巖層層面的下滑力隨著α、Q、G的增大而增大。當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)基本確定后，其沿層面的穩(wěn)定條件為：

μP+(Tx-Ts)cosθ+(Rx-Rs)sinθ≥

(Q+G)sinα

系統(tǒng)自穩(wěn)的最大傾角：

當(dāng)a≥[α]時，系統(tǒng)要保持其平衡，僅靠自身條件不能達(dá)到，需增加外部平衡措施加以控制。當(dāng)系統(tǒng)的內(nèi)在特性確定后，支護(hù)阻力隨傾角的增加而減小，系統(tǒng)平衡的最小支護(hù)阻力：

P≥(Q+G)cosα-(Tx-Ts)sinθ+(Rx-Rs)cosθ

2)系統(tǒng)與其外部圍巖的接觸條件(即系統(tǒng)的約束條件)決定了系統(tǒng)約束力(Tx、Ts、Rx、Rs)，從而影響系統(tǒng)沿層面的穩(wěn)定性和支護(hù)阻力。

由上述分析可得，在大傾角煤層綜采工作面的支護(hù)系統(tǒng)中，要充分考慮液壓支架的支護(hù)阻力、重量、采高、工作面的地質(zhì)條件(工作面的傾角、支架與頂、底板的摩擦因數(shù))等，有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 大傾角綜采工作面的防滑、防倒措施

3.1 工作面頂板穩(wěn)定措施

大傾角綜采工作面回采過程中，由于基本頂、直接頂?shù)目迓湎鲁?，其垮落巖石的重量會施加在支架上，其重量越大，使支架的穩(wěn)定性越差。特別是工作面周期來壓時，頂板大面積的垮落，支架的穩(wěn)定性更差，因此，需要采取有效的措施來控制頂板的穩(wěn)定性。應(yīng)增加液壓支架的初撐力和工作阻力，增加支架的穩(wěn)定性；保證支架垂直頂?shù)装逯гO(shè)，迎山角控制在3°～5°內(nèi)，防止出現(xiàn)退山現(xiàn)象，避免支架與頂板之間出現(xiàn)空隙或線接觸現(xiàn)象；支架要求一次支設(shè)到位，防止反復(fù)支撐頂板，造成支護(hù)困難。

3.2 工作面支架穩(wěn)定性控制

工作面支架的穩(wěn)定性應(yīng)該從單個支架和相鄰支架組兩方面綜合考慮，確保支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2.1單個支架穩(wěn)定性控制

1)合理提高支架的初撐力和支護(hù)阻力，提高自身的穩(wěn)定性。選擇支架時，盡可能的選擇較大缸的立柱。

2)在井下運輸、搬家等條件允許的情況下，盡可能的選用頂梁較寬、中心距較大的支架。

3)盡量選擇支架的構(gòu)件進(jìn)行合理優(yōu)化、采用高強度材料，且在保證支護(hù)強度的前提下，重量較輕的支架。

4)合理選擇支架的高度，支架的高度越大，支架的穩(wěn)定性越差，易出現(xiàn)工作面的來壓大、煤壁片幫嚴(yán)重等現(xiàn)象造成工作面的管理困難。

5)提高支架頂梁、底座的抗滑能力，盡量選取有防滑措施的支架。

6)采用快速的臨架移架操作方式，減少支架對頂板的破壞。

3.2.2整個工作面的支架穩(wěn)定性控制

1)工作面采用偽斜布置(即下端頭面超前上端頭)，有效地減小工作面的實際傾角，有利于提高整個工作面的支架及相關(guān)設(shè)備的穩(wěn)定性。

2)采取帶壓移架的方式，由于頂板對支架有一定的載荷作用，減少了移架對于頂板的反復(fù)支撐破壞，同時提高支架的穩(wěn)定性。

3)增強支架的調(diào)架性能。

3.3 工作面底板穩(wěn)定措施

大傾角工作面的回采過程中除了對頂板造成破壞，還會引起底板的移動下滑，從而使支架失去良好的支撐基礎(chǔ)，使支架具有下滑趨勢，增加了支架傾倒下滑的可能性。該種情況出現(xiàn)的影響因素包括：煤層的傾角、支架與底板的摩擦力等。煤層的傾角越大，支架下滑、傾倒、破壞的趨勢越大。支架與底板的摩擦力越大，支架的下滑力越小。在現(xiàn)場采取以下措施增加底板的摩擦力：移刮板輸送機后，及時清理底板的浮煤，防止因浮煤造成摩擦力降低，造成支架的下滑、傾倒；及時處理工作面頂板淋水，并經(jīng)常檢查工作面的管路及接頭，減少因水或液壓油造成支架的傾倒、破壞。

4 結(jié) 論

1)大傾角煤層綜采工作面回采的關(guān)鍵技術(shù)是支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。煤層傾角越大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性越差，通過合理選擇支架及相關(guān)設(shè)備，提高支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2)工作面的支架并非是孤立的，應(yīng)該將工作面支架與圍巖一起考慮，即支架、頂?shù)装宓目迓?、移動等運動密切聯(lián)系。

3)該礦工作面采用偽斜布置，選用的支架、相關(guān)設(shè)備，及相應(yīng)的工作面頂?shù)装宀贾么胧?，取得了較好的開采效果及經(jīng)濟效益，為類似條件的開采提供了借鑒。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 杜計平，孟憲銳.采礦學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2009：137-139.

[2] 伍永平，員東風(fēng)，張淼豐.大傾角煤層綜采基本問題研究[J].煤炭學(xué)報，2000，25(5)：465-468.