大倾角非稳定软煤综放面倾倒支架的安全复位

贠东风，刘　柱，苏普正，孟晓军，张袁浩

(1.西安科技大学能源学院，陕西 西安 710054；2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054)

大倾角非稳定软煤综放面倾倒支架的安全复位

贠东风1，2，刘柱1，苏普正1，2，孟晓军1，张袁浩1

(1.西安科技大学能源学院，陕西 西安 710054；2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054)

摘要：大倾角非稳定软煤综放开采时，支架与围岩系统的不稳定导致支架易倾倒、下滑。工作面发生倒架事故后，复位难度大，安全隐患多。分析研究长山子煤矿1121大倾角软煤综放工作面倾倒支架在安全复位过程中存在的主要危险源。工作面支架复位时，针对存在的危险源采取相应的安全保障技术，确保人员和设备安全。1121综放工作面严格采用并落实安全保障技术，确保了倾倒支架的复位工作安全顺利进行，支架恢复正常工作，保证了工作面的安全生产。

关键词：大倾角；软煤；综放工作面；倒架；安全复位

由于大倾角煤层赋存的特殊性，大倾角煤层综放开采时存在着很多难题，其中之一就是工作面支架稳定性问题[1]。几乎大倾角综放工作面均发生过支架倾倒的情况[2]，处理倒架事故难度大、时间长。支架复位时存在顶板抽冒、架间漏矸等安全隐患，需要严格采用并落实相应的安全保障技术，保证倾倒支架的复位工作安全顺利进行[4-6]。

甘肃窑街煤电公司长山子煤矿开采大倾角非稳定软煤，首个综放面刚推进不足4m就发生严重倒架事故，导致工作面生产瘫痪，被迫对倾倒支架采取扶正处理，扶架持续了50多天，给矿井造成巨大损失。

1工作面地质和回采工艺

1.1工作面地质条件

长山子煤矿1121工作面位于矿井11采区南翼，主采煤二-2层，煤层厚度2.96～9.96m，平均厚度4.1m，煤层倾角24～29°，平均28°；普氏系数0.6～0.8。工作面设计可采走向长度530.8m，倾斜长度103m。工作面所采煤二-2为三软煤层，工作面伪顶为黑色泥岩、砂岩，厚度为0～2.1m，直接顶为黑色泥岩、粉砂岩，平均厚度为3.51m。老顶为紫红色、杂色含砾粗砂岩，平均厚度为14.9m。工作面直接底为灰黑色泥岩、炭质泥岩，平均厚度为7.48m，煤层底板为灰色、灰绿色砂岩，厚度为0～35.84m。

1.2回采工艺

1121工作面采用走向长壁综合机械化放顶煤采煤法，全部垮落法管理顶板。工作面采用MG250/600-QWD 型采煤机由上向下单向割煤，截深0.6m，工作面前后各安装1部SGZ730/2×200型刮板输送机运煤。工作面安装ZYF5000/18/32型低位放顶煤液压支架59副，ZFG5600/19/32型过渡支架2副，ZFT16000/20/32型端头支架1副。工作面采高2.8m，平均采放比为1∶1，两采一放，放煤步距1.2m。

2倒架过程

1121工作面是长山子煤矿首个综放面，该采面于2013年7月21日结束安装。工作面于7月23日开始回采，8月6日中班工作面下段部分支架出现挤架现象，尤其是端头支架与过渡支架挤架严重，中下段第11#～15#支架出现倒架或咬架现象，8月6日夜班工作面倒架程度进一步加重，由11#～15#扩展到9#～36#支架，且伴有不同程度的咬架现象(上邻架顶梁钻到下邻架支柱侧护板下或支架下侧护板挤压下邻架支柱和连杆)。到8月13日夜班倒架现象扩展至8#～49#支架，倒架角度32～57°，支架无法前移，致使工作面生产瘫痪。

3倒架危害及支架复位困难

3.1支架稳定性分析

大倾角支架在自由状态时，在受到重力G、底板对其反作用力P2和底板对支架摩擦力f1作用下处于平衡状态。此时支架的重心垂线在支架底座内。当煤层倾角较大时，支架的重心将偏离底座的边缘，支架即处于失稳状态，见图1。

图1　支架在不同倾角受力状态

支架在自由状态倾倒力矩M见式(1)[7]。

(1)

式中，b=(B/2)cosα-hsinα。M=0时，支架重心支架的重心线和底座的边缘重合。M>0时，支架即处于失稳状态。M<0时，支架处于稳定状态。

由式(1)可知，支架底座越宽，支架重心越低，支架重量越轻，支架稳定性越好，不易下滑倾倒。

大倾角煤层综放开采时，低位放顶煤支架受到放煤过程中煤流向下的分力的影响，支架尾梁受到侧向力的影响而发生侧向摆动，从而使支架扭斜，支架稳定性降低[7]。

3.2倒架危害

液压支架是工作面数量最多的设备，且其形式为并联但功能属串联系统。支护系统的可靠度随串联的支架数量变大而降低。相对于近水平和缓斜煤层工作面来说，大倾角煤层工作面液压支架沿倾向空间可活动性大、位态复杂以及自稳性差的特点，导致工作面在生产过程中易发生支架倾倒的问题。一旦工作面某个支架发生倾倒，势必会引起相邻支架失稳，导致工作面设备无法正常运行甚至停产，严重制约安全生产。

液压支架倾倒是指顶梁与底座之间沿倾向发生相对线位移并使支架沿倾向偏离煤层底板的法线方向。支架倾斜角度由坡度规测量立柱的铅垂夹角得到。为了定量反映支架相对于工作面倾斜面的倾倒程度，定义支架倾倒程度判定参数倾斜度[2]，见式(2)。

(2)

式中：β为工作面支架倾倒后倾斜角(°)；α为工作面支架正常工作时倾斜角(°)。

当时，支架倾倒；当时，支架未发生失稳倾倒；当时支架上仰。

液压支架支架倾倒的同时，支架常发生摆动(偏斜)。支架偏斜角为支架立柱与工作面的夹角。为了定量反映支架偏斜程度，定义支架摆动程度判定参数偏斜度[2]，见式(3)。

(3)

式中：γ为工作面支架摆动后倾斜角(°)。Δγ>0时，支架尾部下摆；当Δγ=0时，支架未下摆；当Δγ<0时，支架尾部上摆。

3.3支架复位困难

在支架复位过程中，支架降架使架间缝隙变大，漏矸严重，架间隙维护更加困难，扶架难度急剧增大。顶煤的漏冒容易导致支架顶梁失去顶板(煤)约束而发生倾倒，然后支架受力状态恶化、承载性能下降又造成采面顶板(煤)发生进一步漏冒。

支架在扶正后但未进入实体煤之前，支架自稳能力差，不易保持稳定状态，发生缓慢下滑或倾倒，倾斜角缓慢变大，导致支架二次倾倒或下滑。

复位过程中支架顶部煤或矸石会大量漏冒，砸坏管线和照明与通讯设备并堆积在支架间和机道，不但加大了劳动量，还会影响工作面的通风和工作人员安全。

倒架期间工作面生产陷入瘫痪，工作面设备遭受损坏，工作人员安全受到严重威胁，严重影响了矿井安全生产，给矿井造成了巨大损失。

4支架复位主要危险源

大倾角非稳定软煤综放面支架复位过程中，主要存在以下危险源。

2)钢丝绳崩断。倾倒支架由绞车牵引扶正，受到煤层倾角和支架自重的影响，工作面下部支架倾倒力矩增大，绞车所提供的拉力增大。支架扶正时，当钢丝绳受到的拉力大于其破断拉力时，钢丝绳崩断后出现伤人、损坏设备等安全问题。挂钩受较大载荷后变形破坏，导致钢丝绳脱落伤人安全问题。

3)架间漏矸。扶架时，倾倒支架被逐渐拉至正常倾角，被扶正的支架与下方倾倒支架会出现一个较大的间隙。当间隙宽度超过侧护板伸出长度时，支架顶梁上方的煤矸会从间隙漏冒下来，容易砸伤工作人员和损坏设备。

4)单体支柱失稳。单体支柱配合绞车上调倾倒支架，单体支柱斜撑时受到较大的作用力，易出现打滑、崩柱、断裂等现象。支架扶正后，由于支架接顶不实并不能够实现自稳，单体支柱斜撑在支架顶梁上，维持支架稳定。

5)锚链破断。采用绞车拉顶梁、拉溜千斤顶拉尾梁和单体支柱配合调架。拉溜千斤顶与支架采用Φ26mm×92mm锚链连接，锚链一端用20t的“U”型环固定在拉溜油缸上，另一端环绕在支架尾梁千斤顶上。支架扶正后，利用锚链在已扶起的每两付支架中，将支架底座进行捆绑，增强支架稳定性。锚链受到较大载荷时，易变形破断。

6)支架后部下滑。扶架时采用绞车牵引支架顶梁，由于支架后部较重，加剧支架尾部下摆。支架下滑后增大扶架工作量并带来安全隐患。

7)冒落煤岩块下冲。大倾角综放面在扶架期间冒落煤岩块沿工作面机道和人行道下冲时有发生，安全隐患极大。

在支架复位期间，严格执行动态扶架方案，确保扶架质量，每班由质量验收员跟踪验收，严格测量支架的倾斜度和偏斜度，动态掌握扶架效果，及时排查并消除安全隐患。

5安全保障技术

支架复位时必须针对上述危险源采取相应的安全保障技术，确保扶架安全可靠。

2.3.3 开放性意见 在开放性意见一栏中，49名受访者给出了建议，其中14名受访者表示希望能加强宣传，认为目前国内共识及指南普及不足，获取途径不畅。其他意见包括希望指南更加细化、给出具体讲解；希望指南制定流程更规范等。

1)预防顶板抽冒。工作面冒顶后造成支架顶梁上方形成空洞，增加了支架的自由度。为了防止支架顶部冒空造成支架倾倒，在全工作面煤帮和支架顶梁前方顶板挂双层金属网，并打锚杆固定顶板防止抽冒。锚杆采用Φ20mm×1800mm左旋无纵筋玻璃钢锚杆，间距为1.5m，排距与刷帮后的深度一致，见图2。支架尾梁通过架缝挂单层金属网，防止尾梁顶部及采空区侧煤矸冒落。通过移架，当前梁侧的金属网处于尾梁部位时，停止尾梁侧的挂网工作。

1—液压支架；2—锚链；3—单体支柱；4—金属网；5—锚杆图2　用戗柱及锚链稳固已扶正支架

2)预防钢丝绳拉断。钢丝绳使用之前必须检查钢丝绳的磨损、腐蚀、断丝程度，严禁使用不合格钢丝绳。绞车底座要稳固，绞车运行必须可靠，杜绝误操作。拉挂点要选择适当，使用高强挂钩确保连接可靠。绞车牵引支架时，禁止附近人员走动。

3)预防架间漏矸。采用固化剂对顶板进行固化，架前冒顶区域采用板材进行“井”字形绞顶。拉扶支架前，在两支架间挂双层金属网；当支架被拉扶至一定角度，相邻支架间隙达到约20cm时，架间就漏出煤矸网兜(图3)，立即停止拉扶，并进行处理。方法是将半圆木和板皮等支护材料充实支架间隙，铺金属网并用单体液压支柱支撑。防止支架上方破碎顶板落下伤人，确保人员在安全的条件下操作。

图3　架间漏出煤矸网兜

4)预防单体支柱失稳。使用单体支柱调架时，选择合理可靠的柱根打设位置，支柱底部垫150mm×150mm×10mm的木垫板，工作面所有单体支柱都必须拴安全绳，防止发生支架打滑、崩柱现象。单体支柱注液时进行远距离操作，人员要站在被调支架侧上方的安全地点，严禁支架强升、强降、强拉，严禁单体支柱受力过载，确保支柱可靠。扶架前对所扶支架斜顶的单体支柱进行全面检查，不得出现卸载、串液、漏液等现象。

5)预防锚链破断。要用新锚链并严格检查锚链质量，链环无残次缺陷。链条要系在支架连杆上以防弹跳。链条附近严禁站人。

6)预防支架后部下滑。采用千斤顶配合锚链拉尾梁以防支架下滑。

7)预防冒落煤岩块下冲。大倾角综放面在扶架期间在机道严格设隔挡。隔挡用单体柱、板材和柔性网搭建而成，以防冒落煤岩块沿机道下冲，确保人员和设备的安全。

长山子煤矿1121综放工作面采用上述安全保障技术确保了历时50多天扶架期间的安全，未发生重伤及以上事故。

6结论

1) 大倾角非稳定软煤综放开采时，支架稳定性差易倾倒下滑。工作面发生倒架事故后，生产停顿，安全隐患极大。

2)处理倒架事故难度大、时间长，支架扶正时存在顶板抽冒、架间漏矸、冒落煤岩块下冲等多种危险源。

3)通过分析扶架时存在的安全隐患，并采取相应的安全保障技术，确保支架复位时人员和设备的安全。

4)1121综放工作面采取了多项安全保障技术，在50多天的扶架过程未发生重伤及以上事故。

参考文献

[1]伍永平，贠东风，张淼丰.大倾角煤层综采基本问题研究[J].煤炭学报，2000，25(5)： 465-468.

[2]刘志远.大倾角煤层综放面倒架机理与再稳定技术研究[D]．西安：西安科技大学，2014.

[3]谢俊文，高小明，上官科峰.急倾斜厚煤层走向长壁综放开采技术[J].煤炭学报，2005，30(5)：545- 549.

[4]伍永平，贠东风.大倾角综采支架稳定性控制[J].矿山压力与顶板管理，1999，3(4)：82-85，93.

[5]杨仁树，朱现磊，郭东明，等.三软煤层大倾角综放工作面倒架原因及对策[J].煤炭科学技术，2010，38(3)：8-11.

[6]王晔，马立强.大倾角综放工作面倒架原因分析及处理技术[J].煤矿安全，2011，42(9)：54-55.

[7]程文东，王军，贠东风，等.大倾角特厚煤层综采放顶煤技术研究[R]．2003.

Safety reduction of powered supports tipping in steeply dipping unsteadysoft seam fully mechanized caving face

YUN Dong-feng1，2，LIU Zhu1，SU Pu-zheng1，2，MENG Xiao-jun1，ZHANG Yuan-hao1

(1.School of Energy，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；2.Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention Ministry of Education，Xi’an 710054，China；)

Abstract:In steeply dipping soft seam fully mechanized caving face，support and surrounding rocks are unstable cause powered supports stability decreased，supports are easily toppling and sliding.When the working face occurred support toppling，righting support is very difficult and many hidden safety dangers.Analysis the main dangerous sources in safety reduction of 1121 steeply dipping unsteady soft seam fully mechanized caving face in Changshanzi coal mine.Based on existing dangerous sources，take relevant safety guarantee technology to ensure staff and equipment safety in righting powered supports.Safety assurance technology is strictly making and implement t in 1121 fully mechanized caving face，to ensure the safety during righting powered supports，powered supports recovered to normal work and ensure safety production.

Key words：steeply dip；soft seam；fully mechanized caving face；powered supports tipping；safety reduction

收稿日期：2015-03-13

作者简介：贠东风(1962-)，陕西临潼人，教授，主要从事复杂煤层开采、高动压巷道支护与采矿系统复杂性的教学与科研工作。

中图分类号：TD355+.4

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)01-0131-04