大倾角斜井煤柱综采支架选型分析

2015-03-09余有存

现代矿业 2015年5期

关键词：矿压采场选型

余有存

(淮南矿业集团有限责任公司谢一矿)

大倾角斜井煤柱综采支架选型分析

余有存

(淮南矿业集团有限责任公司谢一矿)

大倾角煤层开采后采场围岩矿压显现规律、顶板岩层变形、破坏和运动形式不同于近水平煤层。依据谢一矿4671B4大倾角综采工作面地质赋存条件，对该工作面支架的安全性进行了分析。现场监测表明：大倾角综采工作面地质条件确定的支架工作阻力，基本能够控制大倾角采场覆岩运动的矿压显现，满足工作面支架选型的安全性。并针对该工作面倾角较大的特点，提出预防工作面冒顶压架以及支架倒滑的技术措施，以期实现大倾角综采工作面的安全高效开采。

大倾角综采工作面支架选型冒顶压架

我国煤碳资源丰富，但煤层赋存条件复杂，煤层倾角变化较大，开采方法多样。工程实践表明，大倾角煤层开采后，采场顶板岩层的变形、破坏、运动形式与近水平煤层开采后的情况有很大不同。由于倾角和采长的影响，采场围岩在开采中形成的结构也各有特点。国内外学者在大倾角煤层开采方面作了大量的研究工作，涉及大倾角煤层开采工艺、设备、采场围岩控制等诸多方面。尹光志等[1]通过室内光弹性模拟模型试验和工作面现场矿压实测，对大倾角煤层工作面开采后采场围岩矿压分布规律进行了研究。黄建功[2]根据大倾角煤层采场矿压显现特点，对采场顶板岩层运动、破坏形式进行了研究。林忠明等[3]从静力学角度对大倾角条件下综放开采液压支架抗倾覆、滑移、扭斜稳定进行了分析。赵元放等[4]采用FLAC2D模拟了大倾角煤层开采过程中的顶板垮落和围岩应力分布特征。伍永平等[5]采用FLAC3D对大倾角煤层群走向长壁开采进行了数值模拟研究。袁永等[6]对大倾角煤层开采中支架下滑、倾倒、尾部受扭3种主要失稳方式的机制进行了研究。

以上研究主要针对大倾角煤层综采工作面开采采场围岩矿压分布规律的较多，有关大倾角综采工作面的支架选型以及支架防滑措施等相关方面的研究仍需进一步深入。为此，本文针对大倾角煤层开采后采场围岩矿压显现规律、顶板岩层变形、破坏和运动形式的特点，依据综采工作面支架选型经验，结合淮南矿区谢一矿井4671B4大倾角综采工作面地质条件，对工作面支架选型安全性进行了分析，并提出预防工作面冒顶压架以及支架防滑的技术措施，确保大采高综采工作面安全高效开采。

1 大倾角斜井煤柱综采工作面支架选型

1.1 工程概况

淮南矿业(集团)有限责任公司谢一矿4671B4综采工作面，南自Ⅲ—Ⅳ勘探线以南34 m，北至Ⅲ—Ⅱ勘探线以北6.0 m，上限标高-580.0 m，下限标高-670.0 m；工作面平均走向长497 m，工作面长183 m。4671B4综采工作面上覆B6煤层作为保护层(4271B6工作面)已回采完毕，下伏A3煤层尚未回采；上、下阶段B4煤层尚未掘进，北翼B4煤层已回采，南翼尚未回采。4671B4综采工作面所在煤层赋存较稳定，由B4a与B4b上下两层煤组成，中间含0.5～1.1 m(平均0.6 m)厚度不等的泥岩、砂质泥岩夹矸层，其中B4a煤厚0.6～1.6 m(平均1.4 m)，B4b煤厚1.4～2.3 m(平均1.8 m)，工作面煤层平均厚度为3.8 m，煤层倾角20°～26°(平均24°)；直接顶为砂质泥岩(厚约7.2 m)，老顶为中砂岩(厚约14.4 m)；直接底为砂质泥岩(厚约1.6 m)，老底为中粒砂岩(厚约8.8 m)。工作面煤岩层基本特征如表1所示。工作面范围内地质构造条件复杂，中小型断裂构造发育，根据上覆各煤层采掘资料，推断分析目前已知Fd、Fi、F12-13、Fj、F13-4-1断层落差大于全煤厚，对回采影响最为严重；另外，F12-16、F12-15、Fe断层大于1/2煤厚，对回采影响较严重。因此，为防止施工期间顶板、水及瓦斯等事故的发生，应编制过断层施工安全技术措施。另外，4671B4综采工作面上覆B6采空区局部低洼处积水沿裂隙下渗；-647 m总回风石门、-600 m B4回风巷内可能有积水，预计最大涌水量1 m3/h，正常涌水量0.2 m3/h。4671B4综采工作面地面对应位置为原陶圩二矿以东、谢区新六矿以南、刘岗大坝以西的地面塌陷塘，回采将对地面对应位置造成塌陷。

表1 工作面煤岩层基本特征

4671B4大倾角综采工作面采用B4a和B4b两层煤(含夹矸层)一次性回采的综采开采方式。工作面回采过程中，由于回采煤层含夹矸、倾角较大，且与上覆已采煤层距离较近，顶板破碎等原因可能出现片帮、冒顶和局部压架等现象，严重影响工作面的安全开采。

1.2 工作面支架选型

1.2.1 液压支架额定支护强度计算

根据矿压及其控制理论中的采场顶板压力，计算液压支架额定支护强度为

Pn=KMγ,

(1)

式中，K为增载系数，一般取6～11，老顶级别越高K值越大，取8；M为采高，取3.6 m；γ为顶板岩层平均容重，取25 kN/m3。

将数据代入式(1)计算得Pn=720 kN/m2.

1.2.2 液压支架额定工作阻力计算

液压支架额定工作阻力为

Fs=PnSsBs/ks,

(2)

式中，Ss为液压支架中心距，取1.5 m；Bs为支架有效控顶距，取6.0 m；ks为液压支架的支撑率，取0.9。

将数据代入式(2)计算得Fs=7 200 kN.

1.2.3 支架选型

考虑大采高工作面顶底板岩性，选取额定支护阻力为7 200 kN，227200/22/45型支撑掩护式综采液压支架，其示意图见图1。

ZZ7200/22/45型支撑掩护式综采液压支架适用于我国厚及中厚煤层的开采，并针对淮南矿区煤层的具体使用条件和特殊要求，在吸收同类型支架优点的基础上设计制造的，可与运输机、采煤机、过渡支架配套使用，实现水平工作面或倾角小于30°的倾斜工作面厚及中厚煤层的割煤、支护、移架和运煤等综合机械化作业。

图1 ZZ7200/22/45型综采液压支架

ZZ7200/22/45型液压支架主要由金属结构件、液压系统和防倒、防滑、调架及抬底座装置等组成。四根立柱支撑顶梁，主要承受顶板的垂直压力；通过掩护梁及前、后连杆与底座各自铰接构成四连杆机构，承受支架所受的水平力和侧向力；顶梁、前连杆和底座分别预设防倒、防滑连接耳座及调架和抬底座装置；顶梁设有伸缩梁和侧护板，伸缩梁前端设有护帮板，防护性能好，支架纵横稳定性强。该支架能起到支护工作面顶板、掩护采煤机及输送机工作空间的作用，使采煤机一次采完工作面高度，并由输送机将采下的煤运出。通过割煤、移架、推溜等工序组成作业循环，实现综采机械化连续生产。

4671B4大倾角综采工作面采用走向长壁后退式综合机械化采煤法，工作面安装120架ZZ7200-22/45型四柱掩护式液压支架(额定工作阻力7 200 kN，初撑力为6 184 kN，可调高度2 200～4 500 mm)，其中上、下各3架ZZG7200/22/45型端头支架，沿工作面倾向直线排列，两支架中心距1.5 m，最大控顶距6.407 m，最小控顶距4.807 m，工作面采用液压支架配合单体支柱及Π梁支护顶板，采用全部跨落法管理顶板。

2 支架工作安全性分析

2.1 支架工作的可行性验证

回采工作面倾角较大时，其上覆岩层形成的结构及其运动规律也发生变化。采用大倾角综采工作面矿压观测，对研究大倾角条件下工作面上覆岩层结构及其运动特征，掌握大倾角工作面初次来压、周期来压规律，探讨大倾角采场支架-围岩关系及其分析支架选型的安全性极为重要。

矿压监测点布置如图2所示，其中，1#位置为工作面下部，2#、3#位置为工作面中部，4#位置为工作面上部。图3为监测位置综采支架工作阻力随工作面推进距离的变化关系，各测点不同时期的来压步距见表2。

从图3可知，工作面初次来压期间，平均支架载荷约为6 920 kN/架，最大为6 970 kN/架；第一次周期来压期间，平均支架载荷约为6 923kN/架，最大为 6 950kN/架；第二次周期来压期间，平均支架载荷约6 960kN/架，最大为6 990kN/架。4671B4综采工作面周期来压期间，平均支架载荷约为 6 941.5kN/架，小于工作面选型支架额定的7 200kN/架的工作阻力，在没有断层构造等复杂地质条件下，基本上能保证工作面的正常回采。

图2 矿压监测点布置平面

图3 各支架工作阻力随工作面推进距离的变化关系

表2 各测点大倾角综采工作面不同时期来压步距 m

由表2可知，4671B4大倾角综采工作面属于Ⅱ级来压明显顶板。中部最先来压(2#位置、3#位置)，其次是工作面上部(4#位置)，工作面下部最后来压(1#位置)，应分区域加强采场顶板的控制。

2.2 大倾角综采工作面支架防倒滑技术

(1)调节工作面推进速度。工作面非来压期间保持正常推进速度，使顶板充分垮落，减小采空区的大面积悬顶空间，避免工作面推进速度过慢，顶板岩梁下沉充分，增大支架工作阻力，导致安全阀多次开启；工作面来压期间快速推进，减小顶板岩梁回转下沉量，以及对支架的冲击载荷，避免在工作面来压期间进行设备检修，造成顶板岩梁下沉较大、支架载荷增大。

(2)保证支架初撑力。由于泵站供油管路及漏液等影响，导致压降大，且第二次注液不及时或不进行注液，支架实际初撑力较低。因此，应加强支架初撑力管理，当初撑力不达标时，应及时检查泵站压力和管路漏液情况，及时补液。

(3)控制工作面回采高度。工作面正常推进过程中要保持顶板平整，支架平衡、承载均匀，控制工作面回采高度不得低于3.5m，保证液压支架活柱有0.8m以上的下缩余量；工作面回采后，必须及时移架进行支护，阻止漏矸，加强工作面端头支护，做好冒顶压架的处理预案。

(4)加强支架工作阻力监测。更换大流量支架安全阀，使支架能维持较高的工作阻力状态；当支架安全阀开启率过高、过频，支架活塞下缩过快，工作面有连续多架工作阻力过高时，应采取适当的技术措施以预防冒顶压架。

(5)及时支护工作面煤壁，保证支架护帮板对煤壁及时强劲有效的支撑，保证煤壁对顶板的有效支撑，从而使煤壁承担更多的上覆岩层压力，减少作用于支架上的载荷。