大倾角综采工作面支护系统稳定性分析

2014-07-30陈茂东

山西焦煤科技 2014年7期

陈茂东

(大同煤矿集团雁崖煤业公司，山西大同 037031)

近30多年来，我国经济的快速发展，煤炭需求量的大幅度增加，加速了对煤炭的开采，使得煤炭开采由近水平和缓倾斜煤层逐渐向中斜和急(倾)斜煤层方向转变，特别是有些矿区资源逐渐枯竭，面临开采大倾角煤层(即开采埋藏倾角35°～55°的煤层[1])。因此，亟需研究该条件下如何保持综采工作面支护系统的稳定性，从而实现工作面的机械化生产，为矿井的高产高效安全生产创造有利条件。

1 工作面概况及开采特点

郝家沟煤矿1301工作面为技术改造后的首个综采工作面，地面标高+950～+993 m，井下标高+746～+815.5 m，走向长度600 m左右，倾向长度约120 m，煤层倾角30°～40°，平均35°。煤层顶底板岩性见表1。

1301工作面采用综合机械化走向长壁后退式综采放顶煤采煤法及全部跨落法管理顶板，选用MG2×80/378-WD采煤机、ZF2800/16/24B(D)型支架支护顶板和ZFG3200/18/26B端头支架、SGZ-630/220刮板输送机运煤。

在大倾角煤层中，采用综采工艺进行采煤具有以下特点：液压支架易处于自由状态，从而诱发支架的失稳，出现支架的倾倒、支架的移架、调架困难等现象。当处于工作面周期来压阶段时，工作面顶底板易发生滑移，造成支架的倾倒、处于非正常工作状态；工作面下部端头支架较难管理；工作面的刮板输送机下滑严重，特别是采用综放采煤法后的刮板输送机下滑尤为严重。

表1 顶底板岩性表

工作面的矿压显现特征：工作面顶板垮落后，将会向采空区滑动、垮落，采空区填充的不均匀性，将造成工作面来压顺序、强度的不均衡。

作业环境：支架及作业空间容易受到顶煤、工作面煤壁片帮及采煤机的威胁；人员的行走空间狭小，操作设备比较困难；支架后部放煤时，控制矸石量困难且对刮板输送机及支架造成冲击，支架易倾倒。

通过上述研究分析，在大倾角煤层的综采工艺中，支护系统(即支架—围岩)的稳定性对于整个采煤工艺起着至关重要的作用。

2 大倾角综采工作面的关键技术

支护系统由基本顶-直接顶-支架-底板构成，其稳定性是大倾角综采工作面成功与否的关键。围岩的岩层垮落运动对支架的工作状态影响较大，相反，支架的工作状态对围岩的运动也具有较大影响。因此，支架-围岩是相互影响、相互作用的共同体，需要对支护系统进行深入研究。

综合分析工作面上覆岩层的结构及大倾角工作面的矿压观测和岩层移动情况，得到大倾角走向综采工作面沿倾斜方向的支护系统的相互作用关系，见图1。取沿工作面倾斜方向L的长度进行分析。

图1 大倾角综采面沿倾斜方向支护系统作用模型图

利用结构分析法分析可得[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—为支架与顶板间的摩擦因数。

式(1)、(2)分别为支护系统沿岩层面、垂直岩层面的平衡条件。由此可得：

1)系统的稳定性与其内在特性(α、θ、G)和外载(Q)及支护阻力(P)有关。系统沿岩层层面的下滑力随着α、Q、G的增大而增大。当系统参数基本确定后，其沿层面的稳定条件为：

μP+(Tx-Ts)cosθ+(Rx-Rs)sinθ≥

(Q+G)sinα

系统自稳的最大倾角：

当a≥[α]时，系统要保持其平衡，仅靠自身条件不能达到，需增加外部平衡措施加以控制。当系统的内在特性确定后，支护阻力随倾角的增加而减小，系统平衡的最小支护阻力：

P≥(Q+G)cosα-(Tx-Ts)sinθ+(Rx-Rs)cosθ

2)系统与其外部围岩的接触条件(即系统的约束条件)决定了系统约束力(Tx、Ts、Rx、Rs)，从而影响系统沿层面的稳定性和支护阻力。

由上述分析可得，在大倾角煤层综采工作面的支护系统中，要充分考虑液压支架的支护阻力、重量、采高、工作面的地质条件(工作面的倾角、支架与顶、底板的摩擦因数)等，有利于提高系统的稳定性。

3 大倾角综采工作面的防滑、防倒措施

3.1 工作面顶板稳定措施

大倾角综采工作面回采过程中，由于基本顶、直接顶的垮落下沉，其垮落岩石的重量会施加在支架上，其重量越大，使支架的稳定性越差。特别是工作面周期来压时，顶板大面积的垮落，支架的稳定性更差，因此，需要采取有效的措施来控制顶板的稳定性。应增加液压支架的初撑力和工作阻力，增加支架的稳定性；保证支架垂直顶底板支设，迎山角控制在3°～5°内，防止出现退山现象，避免支架与顶板之间出现空隙或线接触现象；支架要求一次支设到位，防止反复支撑顶板，造成支护困难。

3.2 工作面支架稳定性控制

工作面支架的稳定性应该从单个支架和相邻支架组两方面综合考虑，确保支护系统的稳定性。

3.2.1单个支架稳定性控制

1)合理提高支架的初撑力和支护阻力，提高自身的稳定性。选择支架时，尽可能的选择较大缸的立柱。

2)在井下运输、搬家等条件允许的情况下，尽可能的选用顶梁较宽、中心距较大的支架。

3)尽量选择支架的构件进行合理优化、采用高强度材料，且在保证支护强度的前提下，重量较轻的支架。

4)合理选择支架的高度，支架的高度越大，支架的稳定性越差，易出现工作面的来压大、煤壁片帮严重等现象造成工作面的管理困难。

5)提高支架顶梁、底座的抗滑能力，尽量选取有防滑措施的支架。

6)采用快速的临架移架操作方式，减少支架对顶板的破坏。

3.2.2整个工作面的支架稳定性控制

1)工作面采用伪斜布置(即下端头面超前上端头)，有效地减小工作面的实际倾角，有利于提高整个工作面的支架及相关设备的稳定性。

2)采取带压移架的方式，由于顶板对支架有一定的载荷作用，减少了移架对于顶板的反复支撑破坏，同时提高支架的稳定性。

3)增强支架的调架性能。

3.3 工作面底板稳定措施

大倾角工作面的回采过程中除了对顶板造成破坏，还会引起底板的移动下滑，从而使支架失去良好的支撑基础，使支架具有下滑趋势，增加了支架倾倒下滑的可能性。该种情况出现的影响因素包括：煤层的倾角、支架与底板的摩擦力等。煤层的倾角越大，支架下滑、倾倒、破坏的趋势越大。支架与底板的摩擦力越大，支架的下滑力越小。在现场采取以下措施增加底板的摩擦力：移刮板输送机后，及时清理底板的浮煤，防止因浮煤造成摩擦力降低，造成支架的下滑、倾倒；及时处理工作面顶板淋水，并经常检查工作面的管路及接头，减少因水或液压油造成支架的倾倒、破坏。