傾斜厚煤層工作面支架穩(wěn)定性分析及其控制技術(shù)

孫運江，侯鐵軍，趙云峰，謝生榮，李世俊，王金光

(1. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2. 新疆百花村股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830002；3. 新疆大黃山豫新煤業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 阜康831509)

我國西部傾斜厚煤層儲量約占煤炭總儲量的30%左右[1]。為合理有序開發(fā)和保護煤炭資源、提高煤炭采出率，一些煤礦不得不面對傾斜厚煤層的開采問題。由于傾斜厚煤層傾角和厚度均較大，如果選用大采高綜采，大采高支架重心偏高，在回采過程中存在著支架傾倒、下滑等技術(shù)難題[2]，而綜放采煤工藝既能實現(xiàn)傾斜厚煤層高產(chǎn)高效開采，又能降低支架重心高度，提高支架穩(wěn)定性。國內(nèi)諸多學(xué)者對此進行了深入研究，取得了一定的科研成果。章之燕[3]基于傾斜工作面綜放液壓支架穩(wěn)定性動態(tài)分析，提出了防倒、防滑控制措施；袁永等[4]對傾斜厚煤層綜放面支架下滑、傾倒、扭轉(zhuǎn)3種主要失穩(wěn)方式的機理進行了研究，并認為支架失穩(wěn)的根本原因是工作面煤層傾角大于支架失穩(wěn)臨界角；張東升等[5]分別從工作面傾向和走向方向?qū)μ厥忾_采時期支架防倒、防滑穩(wěn)定性進行了力學(xué)分析，并提出了系統(tǒng)的防倒、防滑技術(shù)措施。

本文以新疆大黃山礦858工作面為工程背景，主要從支架防倒、防滑穩(wěn)定性方面，分析了其選用綜放開采相對于大采高綜采的優(yōu)越性，并對影響支架穩(wěn)定性的關(guān)鍵綜放工藝進行分析研究，確定了合理的機采高度、放煤方式以及放煤步距。通過現(xiàn)場實踐，858工作面在保證支架穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了傾斜厚煤層高產(chǎn)高效開采，為以后類似條件工作面的開采提供了與現(xiàn)實依據(jù)。

1 858工作面概況

新疆兵團農(nóng)六師大黃山煤礦位于烏魯木齊以東120km，可采煤層有5層，自上而下分別為：五尺槽、四尺槽、米尺槽、中大槽、八尺槽，現(xiàn)主采八尺槽煤層，其埋藏穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，硬度較軟，f=1.35～1.4，節(jié)理發(fā)育，傾角為25°，平均厚度4.5m，且自西向東明顯變厚。1103采區(qū)858工作面布置在八尺槽煤層內(nèi)，其走向長度1425m，傾斜長度57m，儲量4.75Mt，頂板多為細砂巖、中粗砂巖，中等堅硬偏上，底板為粉砂巖、細砂巖、粗砂巖，工作面標(biāo)高為+858～+889m。由于858工作面上部為中大槽煤層的采空區(qū)，因此，在回采過程中主要預(yù)防中大槽采空區(qū)頂板裂隙水。此外，該煤層極易自燃，自燃發(fā)火期一般為3～6個月，煤塵具有爆炸危險性，礦井屬高瓦斯礦井。

2 858傾斜厚煤層工作面開采技術(shù)難點

大黃山礦858工作面煤層傾角和厚度均較大，長度較短，其主要開采技術(shù)難點有以下幾方面。

1)由于煤層傾角和厚度均較大，如果選用大采高綜采工藝，支架重心偏高，其自身重量及頂板壓力沿傾向分量較大，容易出現(xiàn)支架傾倒、下滑現(xiàn)象，“支架—圍巖”系統(tǒng)穩(wěn)定性差，嚴重制約著礦井安全高效生產(chǎn)。

2)由于八尺槽煤層頂板中等堅硬偏上，采空區(qū)頂板不易垮落，綜放開采會因頂煤不能完全破碎而影響頂煤放出率，故需對關(guān)鍵放煤工藝參數(shù)進行深入分析研究，以提高頂煤放出率。

3)對于傾角較大煤層開采，由于移架方式、采煤機進刀方式、推移刮板輸送機順序等因素的影響，工作面刮板輸送機可能會出現(xiàn)上下竄動的問題，故需采取有效方法控制其工作穩(wěn)定。

3 858工作面采煤工藝選擇與支架選型

3.1 858工作面采煤工藝選擇

858工作面如果選用大采高綜采，由于其采高較綜放開采大，支架重心較高，再加之由于煤層傾角較大，支架自身重量及頂板壓力沿傾向分量較大，支架易發(fā)生傾倒、下滑?？紤]到支架抗倒、抗滑穩(wěn)定性，故858工作面最終選擇綜放采煤工藝。

3.2 858工作面支架選型

1103采區(qū)858工作面長度為57m，平均采高4.5m，設(shè)計生產(chǎn)能力為0.36Mt/a，通過對國內(nèi)綜放支架以及高產(chǎn)高效開采方法進行深入研究[7-9]，并根據(jù)大黃山煤礦具體地質(zhì)生產(chǎn)條件，確定液壓支架額定工作阻力為5200kN，支撐高度為1.7～3.2m。858工作面最終選用ZFS5200/17/32型低位放頂煤液壓支架，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 ZFS5200/17/32型液壓支架主要技術(shù)參數(shù)

4 858工作面支架防倒、防滑穩(wěn)定性分析

針對大黃山礦858工作面存在的開采技術(shù)難點，為實現(xiàn)其安全高效開采，下面從防倒、防滑方面對858工作面最終選用的ZFS5200/17/32型低位放頂煤液壓支架穩(wěn)定性進行分析。

4.1 傾斜工作面支架防倒、防滑力學(xué)分析

由于傾斜厚煤層工作面煤層傾角α較大，支架所受頂板壓力Q及自身重量G的切向分力較大，再加之相鄰支架之間F1、F2的相互擠壓作用，在回采過程中容易出現(xiàn)傾倒、下滑等現(xiàn)象，嚴重影響了工作面支架穩(wěn)定性。受力分析如圖1所示。

圖1傾斜工作面支架受力分析

4.2 傾斜工作面支架防倒穩(wěn)定性分析

傾斜工作面支架抗倒穩(wěn)定性與支架重心在底座的投影位置直接相關(guān)，當(dāng)其重心投影位于底座之外時，支架將會發(fā)生傾倒。根據(jù)圖1(a)中的幾何關(guān)系可求得支架重心投影與底座下邊緣的水平距離。

(1)

式中，d為支架重心投影與底座下邊緣的水平距離，b為支架寬度，c為重心高度，α為煤層傾角。

當(dāng)d=0時，支架處于抗倒極限平衡狀態(tài)，如圖1(b)所示，由此可得支架傾倒臨界角。

(2)

結(jié)合式(1)、式(2)可以明顯看出，支架抗倒穩(wěn)定性主要取決于支架底座寬度b、重心高度c以及煤層傾角α。支架底座寬度b越大，重心高度c越小，其傾倒臨界角?L就越大，說明支架的抗倒穩(wěn)定性越好。因此，降低機采高度m和增加支架寬度b均有利于防止支架發(fā)生傾倒。當(dāng)煤層傾角α大于傾倒臨界角?L時，支架需要采取防倒措施。858工作面所選用的ZFS5200/17/32型支架機采高度為3.2m時，其重心高度c=1.45m，支架寬度b=1.5m，將上述參數(shù)代入式(2)求得支架傾倒臨界角?L=27°，由于858工作面傾角平均25°，故支架正常情況下不會發(fā)生傾倒，但由于煤層傾角局部變化，故需要采取一定防倒、防滑措施。

4.3 工作面支架防滑穩(wěn)定性分析

傾斜工作面支架抗滑穩(wěn)定性與所受頂板壓力Q及自身重量G的切向分力大小直接相關(guān)，當(dāng)其與頂?shù)装宓幕瑒幽Σ亮1、f2的合力相等時，達到臨界下滑狀態(tài)。根據(jù)圖1(a)傾斜工作面支架受力分析可列以下平衡方程。

Qcosα+Gcosα+q-p=0

(3)

Qsinα+Gsinα+F2-F1-f1-f2=0

(4)

(5)

f1=μQcosα+q

(6)

f2=μp

(7)

聯(lián)立式(1)、式(3)、式(4)、式(5)、式(6)、式(7)得式(8)。

(8)

式中，F(xiàn)為支架的抗滑力，F(xiàn)=f1+f2；G為支架自重；μ為支架與頂?shù)装彘g動摩擦因數(shù)；α為煤層傾角；q為支架初撐力；λ為重心高度c與采高m的比值，即λ=c/m，隨采高m的增大而增大。

通過式(8)中可以得知，支架的抗滑力F隨支架自重G、頂?shù)装鍎幽Σ烈驍?shù)μ以及支架初撐力q的增大而增大，隨煤層傾角α和采高m的增大而減小。因此，858工作面可以通過清理底板浮煤提高底板動摩擦因數(shù)μ，增加支架初撐力q以及降低機采高度m可提高支架抗滑力，防止其下滑。

5 858工作面關(guān)鍵綜放工藝參數(shù)的確定

綜放工藝對858工作面支架穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在機采高度、放煤方式以及放煤步距上。如果機采高度太大，雖然提高了頂煤放出率，但降低了支架穩(wěn)定性。由于858工作面采用超前預(yù)爆破技術(shù)使頂煤破碎，如果放煤步距太小，支架上部頂煤易被放空而造成工作面支架整體失穩(wěn)。放煤方式如果采用多輪間隔放煤，由于傾斜工作面頂煤會因其重量的傾向分力較大而沿傾向下滑，上部相鄰支架頂煤可能會被放空而造成局部支架失穩(wěn)。因此，合理的機采高度、放煤方式以及放煤步距既能有效保障工作面支架的穩(wěn)定性，又能顯著提高頂煤放出率和煤質(zhì)，從而實現(xiàn)礦井安全、高產(chǎn)、高效開采。

5.1 858綜放工作面機采高度的確定

機采高度決定放煤口的高度，從而影響頂煤放出率，通過采用PFC2D3.10離散元程序?qū)?58工作面不同機采高度與頂煤放出率的關(guān)系進行模擬研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)機采高度小于3m時，放煤口因高度較低而常出現(xiàn)堵塞拱，此時需擺動支架尾梁，破壞堵塞，但如果其拱角落在支架的掩護梁上，則其很難被破壞，從而導(dǎo)致頂煤放出率降低。當(dāng)機采高度大于3m時，則放煤口很少出現(xiàn)堵塞，頂煤能夠順利放出，提高了頂煤放出率。此外，當(dāng)機采高度為3.2m時，支架傾倒臨界角?L=27°，支架正常情況下不會出現(xiàn)傾倒和下滑。因此，最終確定858工作面機采高度為3.2m。

5.2 858綜放工作面放煤方式的確定

放煤方式與頂煤的厚度、破碎度、松散度以及放頂煤設(shè)備性能等因素有關(guān)。根據(jù)橢球體放煤理論，當(dāng)放煤間距等于橢球體短軸時，即L=2b1，能保證煤質(zhì)且煤損小。放出橢球體長軸與短軸的關(guān)系式見式(9)。

L=2b1=(0.25～0.3)h

(9)

式中，L為放煤間距，2b1為放出橢球體短軸長度，h為煤層厚度，通過計算求得L=1.125～1.35m。由于ZFS5200/17/32型液壓支架寬度為1.5m，此外，考慮到工作面支架穩(wěn)定性，如果采用多輪間隔放煤，由于傾斜工作面頂煤重量傾向分力較大而易沿傾向下滑，再加之858工作面采用超前預(yù)爆破技術(shù)，頂煤破碎，上部相鄰支架頂煤易被放空而造成局部支架失穩(wěn)，故最終采用自上而下單架依次順序放煤方式。

5.3 858綜放工作面放煤步距的確定

放煤步距與頂煤厚度、硬度、破碎度及其運動狀態(tài)等因素有關(guān)。根據(jù)橢球體放煤理論，當(dāng)放出體與采空區(qū)側(cè)及頂部煤巖分界面相切，如圖2所示，即采空區(qū)側(cè)與頂部垮落矸石同時到達放煤口時，頂煤放出率最高，此時的放煤步距為最佳放煤步距。

圖2 頂煤垮落角α<90°時放煤步距分析

根據(jù)圖2可得，當(dāng)頂煤垮落角α<90°時，其最佳放煤步距由式(10)可得。

(10)

式中，α為頂煤垮落角，β為放出橢球體軸偏角，a為放出橢球體長半軸長度，b為放煤口與頂煤垮落面的距離。由大黃山礦資料得知858工作面頂煤垮落角α=70°，放出橢球體軸偏角β=0°，放出橢球體長半軸a=0.65m，放煤口與頂煤垮落面的距離b=0.8m，經(jīng)計算得858工作面最佳放煤步距d=1.26m。由于大黃山礦858工作面最終選用MG200/500-QW型雙滾筒采煤機，其截割深度為0.6m，故割兩刀放頂煤一次，即放煤步距為1.2m。

6 858工作面液壓支架防倒、防滑控制技術(shù)

1)858工作面液壓支架要安裝防倒、防滑千斤頂，采用上、下端頭三架一組聯(lián)鎖，中間兩架一組聯(lián)鎖的安設(shè)方式。在移架時，要始終保持整體自下而上帶壓擦頂移架，防止其呈無約束滑移狀態(tài)。當(dāng)支架出現(xiàn)失穩(wěn)時，利用支架上裝設(shè)的千斤頂，以有初撐力的支架為穩(wěn)固點，對相鄰的支架產(chǎn)生一定的作用力，以及時調(diào)整支架，防止出現(xiàn)擠、咬、懸、滑、倒架現(xiàn)象。

2)下端頭前3架端頭支架的穩(wěn)定性對整個858工作面支架的穩(wěn)定起到關(guān)鍵作用。因此移架時，要先移第2架，防倒防滑千斤頂以第1架為受力支撐點給第2架一個傾斜向上的作用力，使支架不出現(xiàn)傾倒、下滑；然后帶壓擦頂移第1架，并利用千斤頂以第2架為受力點，拉住第1架，并在該架下側(cè)斜打單體支柱，以保證第1架的穩(wěn)定；最后移第3架，其操作同第2架。

3)移架前要先調(diào)整支架，使其與溜子垂直。然后推移桿全程導(dǎo)向自下而上推溜移架，并且要盡量減小推移桿和底座的間隙，防止輸送機下滑。

7 結(jié)論

1)通過對傾斜工作面支架防倒、防滑穩(wěn)定性分析得知：支架底座寬度b越大，重心高度c越小，支架抗倒穩(wěn)定性越好；支架自重G、頂?shù)装鍎幽Σ烈驍?shù)μ以及支架初撐力q越大，煤層傾角α和采高m越小，支架抗滑穩(wěn)定性越好。通過式(2)得知大黃山礦858工作面所選用的ZFS5200/17/32型支架傾倒臨界角αL=27°，其正常情況下不會發(fā)生傾倒、下滑，但由于煤層傾角局部變化，故需要采取一定防倒、防滑措施。

2)通過采用PFC2D3.10離散元程序?qū)?58工作面不同機采高度與頂煤放出率的關(guān)系進行模擬研究，從頂煤放出率和支架穩(wěn)定性角度綜合考慮，最終確定858工作面機采高度為3.2m。

3)根據(jù)橢球體放煤理論，考慮到頂煤放出率和工作面支架穩(wěn)定性，858工作面最終采用自上而下單架依次順序放煤方式，割兩刀放頂煤一次，即放煤步距為1.2m。

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