大傾角松軟煤層綜放采場(chǎng)覆巖運(yùn)移與控制關(guān)鍵技術(shù)研究

馮 斌

(貴州中鋁恒泰合礦業(yè)有限公司，貴州 六盤(pán)水 553000)

綜采放頂煤采煤法是我國(guó)煤炭工業(yè)集約高效生產(chǎn)行之有效的方法，其獨(dú)特的高產(chǎn)、高效、低耗和安全生產(chǎn)的優(yōu)越性在我國(guó)礦區(qū)已得到充分的體現(xiàn)和證實(shí)，但是松軟大傾角綜放工作面因其煤層軟、底板軟及傾角大等疊加因素的相互作用，造成回采時(shí)易發(fā)生煤壁片幫、冒頂及設(shè)備滑移等現(xiàn)象顯著，極大影響了采場(chǎng)圍巖的控制，進(jìn)而阻礙了煤礦的安全高效生產(chǎn)[1-4]。因此，有必要對(duì)于影響工作面上覆巖層運(yùn)移及控制關(guān)鍵因素的進(jìn)行深入研究。

1 工作面地質(zhì)概況及出現(xiàn)的問(wèn)題

1201工作面位于+1200水平，主采煤層2#煤層，厚度4.0～10.0m，平均7.13m；煤層傾角31～48°，平均33°；硬度系數(shù)f≈0.1。工作面走向長(zhǎng)460m，傾向斜長(zhǎng)146m。 直接頂為粉砂巖， 厚5～6.0m，巖層多含泥質(zhì)或黏土質(zhì)，易垮落，f=4.00～6.14。直接底泥巖硬度較小，遇水易膨脹，總厚度在7m左右。

1201綜放工作面共有液壓支架98架，其中過(guò)渡架7架。2009年6月該礦綜采工作面在初次來(lái)壓時(shí)，煤壁片幫多達(dá)4處，發(fā)生了工作面支架從第5架至第38架、49架以上全部支架倒架的大規(guī)模倒架現(xiàn)象。

2 大傾角煤層開(kāi)采覆巖運(yùn)移機(jī)理

大傾角煤層開(kāi)采巖層在自重作用下，直接頂發(fā)生彎曲變形的同時(shí)，會(huì)受到沿巖層層理方向的分力，使得跨落的直接頂向采空區(qū)下山方向移動(dòng)和滑落，因此覆巖破壞的主要范圍為采空區(qū)偏上山方向。

同時(shí)，脆性材料的直接頂頂板易被拉斷或剪斷，在采空區(qū)上方形成一個(gè)梁結(jié)構(gòu)支撐其正方的巖體(sc段)，在直接頂頂板中段易形成懸臂的板(es段)，其中下部由于冒落矸石的充填，對(duì)頂板起到支撐作用。整個(gè)采場(chǎng)覆巖形成不同形態(tài)的平衡力學(xué)支撐結(jié)構(gòu)，而覆巖頂板兩端受到未冒落頂板與冒落矸石的支撐形成“廠”型彎曲結(jié)構(gòu)，隨著開(kāi)采的繼續(xù)，形成“廠”型彎曲結(jié)構(gòu)移動(dòng)拱，如圖1所示[5-7]。

圖1 大傾角煤層開(kāi)采巖層“廠”型移動(dòng)模型

在大傾角煤層工作面傾向的回采空間中，上覆直接頂冒落后堆積的矸石對(duì)上覆頂板的支撐是運(yùn)動(dòng)變化的，上覆直接頂和基本頂隨開(kāi)采進(jìn)行所形成的鉸接 “砌體拱”結(jié)構(gòu)也是在變化的，工作面下段礦山壓力顯現(xiàn)主要由直接頂下分層引起，工作面上段則基本頂?shù)摹按蠼Y(jié)構(gòu)”起關(guān)鍵作用。當(dāng)采場(chǎng)上段巖層處于活動(dòng)劇烈的不穩(wěn)定破壞時(shí)，采場(chǎng)下段該巖層處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，其對(duì)采場(chǎng)空間的影響也沒(méi)有中、上段巖層大。

3 提高煤壁支撐穩(wěn)定性

松軟煤層煤壁自穩(wěn)性較差，容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。綜放工作面開(kāi)挖后，煤壁靠采空區(qū)側(cè)是無(wú)支護(hù)的自由區(qū)域，煤體處于二向應(yīng)力狀態(tài)，煤壁受力模型可視為平面應(yīng)變問(wèn)題，如圖2所示。由于頂煤較軟且賦存有節(jié)理、裂隙，加之頂板壓力和支架反復(fù)支撐力作用，頂煤往往會(huì)十分破碎，如果支護(hù)措施不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致支架空頂現(xiàn)象，影響“煤壁-支架-矸石”支護(hù)體系對(duì)頂板的控制作用。

h—上覆巖層厚度，m；γ—巖層容重，kN/m3圖2 煤壁受力分析模型

由于大傾角松軟綜放工作面中“煤壁-支架”是頂板控制系統(tǒng)中的組成部分，若要避免煤壁破壞失穩(wěn)，一方面要提高煤壁的穩(wěn)定性，另一方要提高工作面支架的適應(yīng)性，具體措施為有以下幾點(diǎn)。

1)控制采高。隨著采高的增加，煤壁的穩(wěn)定性逐漸變差，片幫程度越來(lái)越劇烈，因此應(yīng)合理控制采高。

2)加快推進(jìn)速度。工作面推進(jìn)速度慢，煤壁暴露的時(shí)間長(zhǎng)，煤壁片幫加劇。加快工作面推進(jìn)速度，減少支承壓力對(duì)煤壁的作用時(shí)間，從而降低煤壁的損失破壞，避免或減小片幫的可能性。

3)支架增設(shè)伸縮梁加護(hù)幫機(jī)構(gòu)。采煤機(jī)割煤后，支架應(yīng)及時(shí)支撐護(hù)幫板，對(duì)煤壁進(jìn)行預(yù)應(yīng)力支護(hù)，防止煤壁塑性破壞的產(chǎn)生。

4)適當(dāng)加強(qiáng)支架支護(hù)能力。合理提高支架初撐力和工作阻力，能有效減小工作面前方煤體的拉應(yīng)力影響，緩減工作面煤壁片幫冒頂。

4 保證支架支護(hù)能力

大傾角工作面由于傾角的存在，支架受到自重及破碎煤(巖)沖擊的作用，極易發(fā)生下滑和傾倒現(xiàn)象，導(dǎo)致頂板失穩(wěn)破壞。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，倒架、支架下滑基本上是當(dāng)支架脫開(kāi)頂板(降柱行走過(guò)程)時(shí)出現(xiàn)的，所以重點(diǎn)研究支架前移過(guò)程中防倒防滑問(wèn)題。

4.1 支架防倒技術(shù)研究

如圖3所示，在大傾角綜放工作面上，支架正常工作時(shí)，支架自重G、底板反力N作用下處于平衡狀態(tài)。當(dāng)支架所受合力作用點(diǎn)偏出支架下邊緣時(shí)，會(huì)導(dǎo)致支架傾覆[8-10]。支架處于極限平衡時(shí)，根據(jù)力矩極限平衡條件，底板反力N作用于O處，此時(shí)有式(1)。

G·sinα·H-G·cosα·B/2=0

(1)

即，α=arctan B/(2 H)

式(1)中，支架重心高度H按1500mm，支架寬度B按1360mm計(jì)算，支架極限傾倒角α為24.4°，考慮安全系數(shù)時(shí)，支架在傾角大于20°的工作面會(huì)出現(xiàn)傾倒。

圖3 支架工作時(shí)受力分析

圖4 開(kāi)切眼傾斜-圓弧過(guò)渡-水平布置

1201工作面傾角33°，現(xiàn)場(chǎng)將水平分段放頂煤和傾斜煤層放頂煤開(kāi)切眼相結(jié)合，采用開(kāi)切眼傾斜-圓弧過(guò)渡-水平的非線性偽斜布置方式，如圖4所示，不僅減小了工作面實(shí)際的傾角，而且圓弧段能夠?qū)ι喜恐Ъ艿膬A倒下滑起到限制作用。

除此之外，支架還增設(shè)了防倒裝置，包括：①支架側(cè)護(hù)板千斤頂、側(cè)推彈簧使支架頂梁相互緊靠，保證支架頂梁間沒(méi)有間隙，始終保持有足夠的扶正力，防止倒架；②在鄰架頂梁間增設(shè)了調(diào)架千斤頂，當(dāng)支架出現(xiàn)傾倒時(shí)，以支撐頂板的相鄰支架作支點(diǎn)，用千斤頂調(diào)整該支架位置。

4.2 支架防滑技術(shù)研究

支架在大傾角工作面上不下滑的條件是下滑力小于摩擦力，見(jiàn)式(2)。

G·sinα<μ·G·cosα

(2)

式(2)中，取支架底座與底板間摩擦系數(shù)μ為0.3，計(jì)算得下滑極限角為18.6°。一般來(lái)說(shuō)，工作面傾角大于15°就要采取防滑措施，具體措施如：①將工作面布置為非線性偽斜，減小工作面實(shí)際傾角；②推移桿和底座間隙控制在15～20mm(單側(cè))，間隙保持不變，控制運(yùn)輸機(jī)下滑；③支架推移桿是和輸送機(jī)連在一起的，因此防止刮板輸送機(jī)下滑?，F(xiàn)場(chǎng)使用中，可以通過(guò)控制推移運(yùn)輸機(jī)的順序來(lái)調(diào)整運(yùn)輸機(jī)的位置；④相鄰支架底座間設(shè)置防滑千斤頂，以有初撐力的支架為支點(diǎn)，調(diào)整相鄰支架的位置；⑤運(yùn)輸機(jī)和支架間設(shè)置防滑裝置，每隔五架一組，推移運(yùn)輸機(jī)時(shí)，通過(guò)控制防滑千斤頂動(dòng)作，牽動(dòng)運(yùn)輸機(jī)上下移動(dòng)。

圖5 底座防滑裝置

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)某煤礦1201工作面煤層軟、底板軟且傾角大的特殊地質(zhì)條件，在認(rèn)真研究覆巖運(yùn)移機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過(guò)建立煤壁受力力學(xué)模型，提出了控制采高、加快推進(jìn)速度、增加互幫機(jī)構(gòu)、加強(qiáng)支護(hù)能力措施；通過(guò)對(duì)支架的穩(wěn)定性分析，提出了加寬支架寬度、工作面?zhèn)涡辈贾谩⒖刂浦Ъ荛g隙及增設(shè)放倒、防滑裝置等措施。通過(guò)以上措施，1201工作面基本杜絕工作面片幫、支架倒(滑)等現(xiàn)象，有效控制了采場(chǎng)頂板下沉，確保了安全、高效生產(chǎn)。

[1] 師賀慶.傾斜厚煤層綜放開(kāi)采技術(shù)探討[J].礦山壓力與頂板管理，2001(1)：44-46.

[2] 張希九，黃炳輝.“三軟”大傾角煤層綜采面生產(chǎn)實(shí)踐[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，1998，26(3)：41-43.

[3] 王鎖鋒，董正坤.綜采放頂煤技術(shù)在“三軟”大傾角厚煤層開(kāi)采中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2009(2)：63-65.

[4] 金智新，于海湧.特厚煤層綜采放頂煤理論與實(shí)踐[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2006.

[5] 楊帆，麻鳳海.急傾斜煤層采動(dòng)覆巖移動(dòng)模式及其應(yīng)用[M].科學(xué)出版社，2007.

[6] 黃建功.大傾角煤層采場(chǎng)頂板運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)分析[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002(5)：411-444.

[7] 石平五.急傾斜煤層基本頂破斷運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性[J].礦山壓力與頂板管理，1999(3-4)：26-28.

[8] 林忠明，陳忠輝，謝俊文，等.大傾角綜放開(kāi)采液壓支架穩(wěn)定性分析與控制措施[J].煤炭學(xué)報(bào)，2004，29(3)：264-268.

[9] 伍永平，員東風(fēng).大傾角綜采支架穩(wěn)定性控制[J].礦山壓力與頂板管理，1999,(3-4)：82-85.

[10] 王澤磊，曹連民，劉有芳.大傾角液壓支架防倒防滑研究[J].煤礦機(jī)械，2008，29(3)：33-36.