急倾斜仰采中厚煤层工作面支架稳定性因素分析

2019-08-28梁红瑞

中国矿山工程 2019年4期

梁红瑞

(霍州煤电集团吕梁山煤电公司店坪煤矿, 山西吕梁 033100)

1 前言

随着煤矿资源开采深度的不断加大，近水平、缓倾斜煤层的持续减少，为满足工业生产及经济发展需求，深埋倾斜及急倾斜煤层的开采日益普及[1]。急倾斜煤层是世界采矿界一致承认的难采煤层，目前在相当程度上还处于非机械开采阶段，其生产条件较差，劳动强度大，采出率低，并伴有较大安全隐患，开采技术难度远高于缓倾斜煤层[2-3]。如何在急倾斜煤层中推广实施综合机械化开采是亟待解决的难题[4]，究其缘由是因为煤层倾角过大会导致工作面液压支架稳定性降低，支架支护阻力不足，出现顶、帮片帮漏顶，顶梁接顶不实[5-6]，特别是当工作面来压时，更易出现支架摇摆、歪斜、倒架、压死等情况[7]。鉴于此，本文研究在庞庞塔矿地质力学环境下，急倾斜中厚煤层仰斜开采工作面液压支架保持稳定时支护阻力的分布规律及其相关影响因素，为合理优化支架选型提供参考。

2 工程概况

庞庞塔矿井田面积13.263 9km2，井田平面形态基本呈一长方形，井田南北长约9km，东西宽约1.5km。矿井目前为“五进一回”中央分列式通风方式，采用斜井立井混合开拓方式。主采煤层有两层，厚度分别是6.1m和11.8m，煤层为单一倾斜式，倾角一般在36°～42°，局部可达到45°～63°，煤层结构较简单，含有两至三层夹矸，夹矸多是砂质泥岩，厚度为0.10～0.25m。直接顶多为砂质泥岩或泥岩，局部地段为粉砂岩或细粒砂岩，从直接顶到基本顶为软弱- 坚硬型，再向上是软弱- 坚硬相间的平行复合结构。直接底多为砂质泥岩或炭质泥岩，局部地段为粉砂岩或细粒砂岩。

3 保持支架稳定的支护阻力

工作面使用支撑掩护式液压支架[8]，支架在稳定状态下的受力情况如图1所示。β为仰采倾角，θ为支架的瞬心夹角，支架顶梁末端o1与瞬心o之间的水平距离为L。假设顶板来压时作用在顶梁上的力为一集中载荷Q，Q1和Q2分别是Q沿支架顶梁法向和切向的分力，Q1距o1的水平距离为S；P1、P2分别为支架前、后立柱的工作阻力，其距o1的水平距离分别为L1和L2；α1、α2分别为支架前、后立柱的倾角。由于是急倾斜煤层仰斜开采，在矿压作用下上覆冒落岩层会被彻底地“甩入”采空区，故其作用在支架掩护梁上的压力可忽略不计[9-10]。

图1 支架稳定时的受力情况

以整体为分析体，则

(L1+L)P1cosα1-P1sinα1Ltanθ+
P2cosα2(L2+L)+P2sinα2Ltanθ-
Q1(S+L)+Q2Ltanθ=0

(1)

取顶梁为分析体，即

(2)

又因为

Q1=Qcosβ

(3)

Q2=Qsinβ

(4)

其中，工作面初次来压时，Q=KγHR初；周期来压时，Q=0.5KγHR周，K为控顶距，γ为工作面上覆岩层平均容重，取25kN/m3，H为煤层埋深，R初和R周分别为顶板初次来压步距和周期来压步距。

再假设P1=P2=P，并把式(2)、(3)、(4)代入式(1)中，得支架支护阻力为

(5)

4 影响支架支护阻力的因素

由式(5)可知，急倾斜仰采工作面支架在稳定情形下的支护阻力与开采技术条件(包括煤层埋深、基本顶初次来压步距、工作面控顶距、仰采倾角)和支架结构参数(包括瞬心夹角、前后柱倾角)有关。根据庞庞塔矿主采煤层的实际情况，取其基本参数，见表1。为研究支护阻力随某一参数的变化规律，即该参数对支护阻力的影响，可对该参数取一系列变化值，而其余参数仍按基本参数选取。

表1 基本参数

4.1 开采技术条件的影响

图2 支护阻力与煤层埋深的关系

图2、图3和图4所示分别为支架支护阻力随煤层埋深、工作面来压步距以及控顶距的变化而变化关系。深部煤层岩体的原岩应力较大，开采活动引起的作用在支架上的基础应力自然也大；来压步距，特别是初次来压步距较大时，表明基本顶较硬不易垮落、顶板岩梁悬露较长，给工作面前方煤壁或工作面上覆岩层造成较大压力，压力通过直接顶传递给支架，从而带动支架支护阻力的增加；为防止顶板来压时工作面前方煤壁被切割，导致工作面与煤体分离的情况发生，有时会适度增大控顶距，虽然这有利于将压力作用位置从煤壁引向采空区，但增大的作业空间也对支护强度提出了更高要求。此外，从图中可知，埋深、来压步距和控顶距每增加1m，支护阻力分别增加5kN、120kN和533.3kN，表明相比埋深和来压步距，控顶距的变化对支架支护阻力的影响更为显著，因此合理确定控顶距对提高支架稳定性有重要意义。

图3 支护阻力与初次来压步距的关系

图4 支护阻力与控顶距的关系

图5所示为支护阻力随仰采倾角的变化规律。由于是急倾斜煤层，当仰采倾角从40°开始增大时，支架支护阻力呈线性规律减小，仰采倾角80°时，支护阻力降为零，倾角每增大1°，支护阻力减小562.5kN。这是因为大倾角仰采时工作面上覆岩层在重力作用下更易向采空区冒落，使顶板岩梁的悬露长度大大减小，从而明显降低来压强度，使维持支架稳定的支护阻力显著降低；尤其是倾角足够大、岩层岩性软时，工作面上覆岩层因挤压形成高抗压能力的平衡拱形结构，或形成稳定的拱形空穴，理论上使得岩层不再需要支架的支护，故支架上的压力降为零。

图5 支护阻力与仰采倾角的关系

4.2 支架结构参数的影响

图6 支护阻力与瞬心夹角的关系

支架支护阻力随支架瞬心夹角的变化规律如图6所示。可以看出，瞬心夹角增大，支护阻力呈幂指数关系减小，当瞬心夹角为0°时，支撑掩护式支架可等效成支撑式支架，原先掩护梁对顶梁的支撑作用转由支柱承担，此时支护阻力最大；当瞬心夹角增大，掩护梁的支撑作用逐渐显现，支护阻力也就相应地减小，直至夹角增至45°时支护阻力降为零，这表明从理论上讲，若要使急倾斜仰采支架稳定且支护阻力合理，可通过增大瞬心夹角的方法来实现，但夹角最大不能超过45°。图7所示为支架阻力与支护倾角的关系，支架支护阻力随支架前柱倾角的增加呈幂指数关系增大；随支架后柱倾角的增加先减小后增大，当后柱倾角为12°时，支护阻力最小。当前、后柱倾角小于11°时，后柱支护阻力大于前柱支护阻力；当前、后柱倾角大于11°时，后柱支护阻力小于前柱支护阻力，且前、后柱倾角大于30°时，支护阻力均明显增大。可见，从支护成本的角度考虑支柱的倾角是不宜过大的。