三软厚煤层综采支架失稳机理及防治措施

2016-12-23车云立

中国煤炭工业 2016年8期

文/车云立

三软厚煤层综采支架失稳机理及防治措施

文/车云立

平顶山矿区煤炭采掘已经进入到深部开采阶段，与浅部开采相比,深部开采不仅大大提高了采矿成本,而且随着深度的增加,采矿环境也随之发生了变化,尤其是高温、高地应力的影响，增加了开采难度。尤其是开采三软厚煤层时，随着煤壁和综采支架高度的增加，会极大影响采场围岩与支架稳定性。综采支架倒架、下滑和歪斜等事故发生的几率也远高于一般采高的综采工作面。如再遇到其他复杂地质条件（如断层、节理、褶曲、陷落柱、煤层局部倾角变大、水、火、瓦斯等）更增加了开采难度和经济成本投入。因此，深入、系统地开展三软厚煤层大采高回采工艺研究，是实现矿区安全、高效生产所必须解决的难题。本文对该条件下的综采支架失稳机理进行了探讨,并经过实践检验，有效控制了支架失稳,对于今后其他类似煤层开采提供了有益的参考。

一、工程地质条件概况

平煤天安十一矿己16-17-24011工作面风巷平均标高-659.04m；机巷平均标高-687.39m。采面倾斜长平均150m，可采走向平均长1625m。煤层倾角为0～32°,平均12.6°。采面煤层厚度较稳定，煤厚3.80～10.5m，一般8.00m。在掘进过程中共揭露13条断层，最小为0.50m，最大为4.00m。坑透探测构造发育区1个，推断断层6条。其中，KF2断层、向斜轴部褶曲发育区、KF5断层、KF6断层附近构造相对复杂，对回采影响较大。

煤层直接顶板为细砂岩或砂质泥岩，厚度为1.50～3.10m，平均2.60m，局部夹1～2层厚度为0.10～0.20m的煤线。其中，56勘探线以东直接顶以细砂岩为主；以西以泥岩或砂质泥岩为主，层理及节理发育，易冒落。老顶为砂质泥岩或砂岩与砂质泥岩互层。煤层直接底为8.0m厚的泥岩，遇水膨胀，局部存在0.20～0.30m厚的煤线。老底为10.0m左右厚的灰岩。

工作面设计采高3.5m～4.0m。安装100组ZY6400-23.5/45型掩护式支架支护顶板。采用MG-300/700-WD型双滚筒采煤机与1台SGZ-764/2× 250型刮板输送机和1台SZZ-764/200型转载机配合使用。

二、综采支架失稳机理分析

综采支架失稳形式主要有三种：横向失稳（倾倒）、纵向失稳（下滑）和支架扭斜。

1.横向失稳

支架横向失稳具体表现为支架倾倒，它受工作面倾角、支架自重、顶底板约束力、支架重心高度、采高、相邻支架挤压力等要素影响。

当采场支架受向上的力大于等于向下的力时，支架保持稳定状态，即：

式中：Ts—来自相邻支架上方的挤压力，kN；

Tx—来自相邻支架下方的挤压力，kN；

h—支架支护高度，m；

B—支架底座宽度，m；

C—支架重心高度度，m；

P—支架顶板压力，kN；

W—支架自身的重量，kN；

α—工作面倾角，度；

R—底板所受的反力，kN；

f1—顶板与支架磨擦系数，0＜f1＜1；

f2—底板与支架磨擦系数，0＜f2＜1。

当单个支架倾倒时，倾倒支架的左右相邻约束都为0，即：Ts＝Tx＝0。

当顶板破碎，支架空顶，顶板约束力P＝0，则，式（1）化简为：

当支架受顶板约束时，即P≠0。支架横向失稳临界角为：

由式（1）（3）可知：当顶、底板磨擦系数越大，支架底座宽度越大、重心更小，则支架更稳定。反之，当顶板冒空，失去顶板约束p＝0，当α大于失稳临界角，支架的相邻左约束小于相邻右约束时，即：Tx＜Ts时，支架更易发生倾倒。

2.纵向失稳

支架纵向失稳具体表现为支架下滑，建立如下模型：

式中：G—采煤机、溜子和溜子满煤时总重量，T。

式中：L—采煤机移动时溜子对支架的拉力，kN；

D—采煤机上行时的牵引力，kN。

支架下滑条件为：当支架向下滑动力大于支架的抗滑，则支架发生纵向失稳。

当左右相邻挤压力为0时，即Tx＝Ts＝0，为一个支架发生下滑。

当顶板破碎，支架空顶，顶板约束力P＝0且L＝0，化简式（6）得出式（7），得出支架自重情况下不发生下滑的条件。

当支架上方顶板完好，接顶严实，P≠0，L≠0时，式（6）化简为：

式中：k—工作面内支架个数。

由以上（4）至（9）公式可知，支架受顶底板约束越好，支架自重越大，支架受的拉力越大，下滑角度越大，反之下滑角度越小。当支架接顶时，尽量加大支架的工作阻力。

3.支架扭斜

己16-17-24011工作面支架发生扭斜，主要有以下几种因素：

（1）工作面遇到地质构造。当采面遇到地质构造，则岩石段刮板输送机和支架易发生滞后。滞后的支架发生挤架，支架导杆不垂直输送机，移架推溜更加困难。即使支架立柱升紧，支架尾部也易发生扭斜。

（2）支架操作不当。己16-17-24011工作面属于上分层开采，支架需要沿顶、丢底煤开采。因此，采面支架需要经常抬架。当采面顶板破碎、顶底板不平、煤壁片帮、顶板冒空、局部倾角过大，抬架过程中极易发生支架扭斜和仰架等问题。

（3）移架推溜次序。移架推溜的正常工序为：采煤机割煤—追机移架—推移刮板输送机。其中，追机移架由支架工负责，移架处离采煤机保持10架以上距离，严禁刮板输送机出现急弯。如果输送机经常从机尾向机头处推移，易造成刮板输送机下滑，进而影响支架，发生支架扭斜。因此，移架时尽量采取带压擦顶移架。

（4）伪斜管理不当。己16-17-24011工作面必须严格监控伪斜，当伪斜管理不当时，刮板输送机易发生弓背、上窜或下滑，进而造成支架扭斜。

三、防治支架失稳的关键技术

1.加强预控管理，严格落实措施

安全、高效回采，需要对采场有超前预控能力。预见问题、分析问题和解决问题，这就需要一线的区队管理者们有着较高的理论知识和实践经验。

（1）针对可能发生地质变化，提前预测预报。区队管理和技术人员有针对性制定专项防治措施，并狠抓落实。

（2）定期严格对支架进行检修。备品、备件两套。减少支架失稳造成的事故时间，保证有效支护，提高开机率。

（3）对岗位工人进行安全技术培训，煤机司机顶底板割平，双向割煤，落实伪斜控制；支架工提高顶板维护、处理倒架、咬架和扭架等综合技能。

（4）优化劳动组织。实行“四六制作业”，现场交接班。减少大采高条件下人员的劳动强度。

2.防治支架失稳关键技术

（1）三软厚煤层大采高条件下，顶板易离层破碎，采用高水速凝材料马丽散注浆加固工作面破碎煤壁和顶板，提高破碎煤岩体的强度。沿煤层走向剖面注浆孔布置如图1所示，沿煤层倾向剖面注浆孔布置如图2所示。

图1　沿煤层走向剖面注浆孔布置图

图2　沿煤层倾向剖面注浆孔布置图

（2）对工作面煤质强度低、煤层层理发育紊乱、顶板破碎等地段，采用打开支架护帮板、顶板铺网（单层或双层），紧挨着上大板或圆木等方法，控制煤壁片帮以及顶板破碎处冒顶的发生。

（3）采高越大，发生片帮、冒顶的事故率越高。合理降低采高，可以有效控制煤壁片帮和顶板冒漏。实践表明，己16-17-24011工作面合适的采高在3.5～4m。

（4）三软煤层由于顶板、底板和煤层强度低，加快工作面推进速度，可以减少煤壁前方超前压力的受压时间，降低煤壁和顶板的破坏程度。

（5）根据理论计算，结合现场实践，找出合理的伪斜角度，增加支架和刮板输送机的稳定性，并加强管理。防止支架随着刮板输送机上窜、下滑而发生扭斜。

（6）支架3～5架进行分组管理，机尾局部倾角变化较大（最大处35度）时，要有防滑防倒千斤顶控制，机尾刮板输送机要有锚固装置。分组间隔交错式移架，严格监控支架变化。

（7）在采面下端头使坡度变缓，留设防滑平台，有效阻止输送机和支架下滑。并保证刮板输送机与转载机的合理搭接。

（8）支架侧护板可调整架间间距和方向，防止架间错台，避免露矸和支架扭斜等问题的发生。因此，可利用支架侧护，减小架间间距。

（9）提高支架的初撑力和工作阻力。泵站采用双回路供液方式，加快移架速度。移架时，应采用“带压移架”或“少降快拉”的方式进行。

（10）顶板破碎处若发生倒架，将对调架造成难度。为加强该段顶板管理，要对该段采用人工做超前的方法控制顶板。采用打眼爆破施工，人工清煤，沿倾向架设长度3米工字钢，棚距600mm，在倾向工字钢下用长度3米的工字钢沿走向架设，一头插在支架顶梁上，伸入支架顶梁长度不少于300mm，一头在煤墙侧用单体柱支护。