軟煤層7.0m大采高工作面倒架原因分析及防治技術(shù)

蘭云峰

(神東煤炭集團(tuán) 柳塔煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

軟煤層7.0m大采高工作面倒架原因分析及防治技術(shù)

蘭云峰

(神東煤炭集團(tuán) 柳塔煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

為解決王莊煤礦軟煤層7.0m大采高工作面的倒架問(wèn)題，通過(guò)分析工作面現(xiàn)場(chǎng)管理、地質(zhì)條件及設(shè)備情況等因素，得出支架傾倒的主要原因是工作面?zhèn)涡笨刂撇划?dāng)和支架上方嚴(yán)重漏頂。通過(guò)采取臺(tái)階割煤掘擴(kuò)幫巷、頂板注漿充填、虛旋轉(zhuǎn)中心調(diào)斜、斜拉千斤頂扶架、單體柱支撐等防治措施，使工作面倒架現(xiàn)象明顯減少。采用臺(tái)階割煤對(duì)煤壁上部進(jìn)行擴(kuò)幫是解決大采高工作面破碎頂板支護(hù)難題的有效途徑，也是此次成功治理倒架問(wèn)題的關(guān)鍵。

軟煤層；大采高綜采；倒架；煤壁擴(kuò)幫

ReasonAnalysisandPreventionofPoweredSupportFallinginLarge-mining-heightMiningFaceinSoftCoal-seam

大采高綜采是現(xiàn)今我國(guó)3.5～7.0m厚煤層重點(diǎn)發(fā)展的采煤方法，一次采全高的高度已經(jīng)達(dá)到7.0m。但隨著采高的增大，支架的適應(yīng)性和穩(wěn)定性問(wèn)題愈加突出，其中最惡劣的情況就是支架倒架。支架倒架是指頂梁與底座之間沿傾向發(fā)生相對(duì)線位移，并使支架沿傾向偏離煤層底板法線方向，當(dāng)支架合力作用點(diǎn)偏出支架下邊緣，就會(huì)導(dǎo)致支架傾倒。大采高綜采兩柱掩護(hù)式支架因其高度大、重心較傳統(tǒng)四柱式支架靠前，自身穩(wěn)定性差，更容易發(fā)生支架傾倒。一旦釀成倒架事故將造成工作面長(zhǎng)時(shí)間停產(chǎn)，直接影響到大采高綜采高產(chǎn)高效生產(chǎn)能力的發(fā)揮。國(guó)內(nèi)多年的生產(chǎn)實(shí)踐表明，倒架事故不僅會(huì)發(fā)生在大傾角工作面，在緩傾斜甚至近水平工作面如果現(xiàn)場(chǎng)管理和操作不當(dāng)，也會(huì)產(chǎn)生支架穩(wěn)定性問(wèn)題甚至倒架事故。而目前對(duì)倒架問(wèn)題的研究多是集中于大傾角工作面，且基本是采高在4.5m以下的情況，7.0m大采高緩傾斜工作面的倒架問(wèn)題在國(guó)內(nèi)沒(méi)有先例，缺乏相關(guān)的研究，對(duì)該情況下倒架事故的處理也無(wú)現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可循。本文結(jié)合某礦大采高工作面的工程實(shí)際，探究軟煤層7.0m大采高工作面倒架的原因，介紹相應(yīng)的防治技術(shù)。

1 工作面概況

該大采高工作面最大采高達(dá)到7.0m，地質(zhì)條件復(fù)雜，煤質(zhì)松軟，頂板破碎。工作面所采煤層為Ⅲ號(hào)煤，煤層賦存穩(wěn)定，埋深352～456m，煤厚平均6.3m，全煤含夾矸5層，總厚度0.78m。煤層傾角3～9°，煤層堅(jiān)固性系數(shù)平均為1.4，節(jié)理裂隙較發(fā)育?；卷敒槟鄮r，厚度10.75m，直接頂為泥巖或砂質(zhì)泥巖，厚度2.2m，直接底為泥巖，厚度4.25m，老底為細(xì)粒砂巖，厚度2m。

工作面可采長(zhǎng)度546m，傾向長(zhǎng)270m，巷道采用U型布置，工作面切眼和兩巷均沿煤層底板掘進(jìn)，運(yùn)輸巷底板標(biāo)高約為553m，回風(fēng)巷底板標(biāo)高約為522m，運(yùn)輸巷比回風(fēng)巷高約30m。工作面主要設(shè)備配套如表1所示。中間支架最大支護(hù)高度7.2m，工作阻力15000kN，初撐力12370kN，支護(hù)強(qiáng)度1.24～1.30MPa，底座比壓2.5～2.7MPa，支架中心距2050mm，重量約68t。

表1 工作面主要設(shè)備配套

2 支架傾倒情況

工作面推進(jìn)到210m左右時(shí)，出現(xiàn)較大范圍的倒架，并引發(fā)較為嚴(yán)重的片幫問(wèn)題。支架傾倒主要集中在工作面下部，從80號(hào)支架直到120號(hào)支架，支架均有傾倒跡象，上下形成臺(tái)階。其中101～118號(hào)支架傾倒嚴(yán)重，支架傾斜角度均大于該范圍之外的鄰近支架，支架傾角最大達(dá)到27°，因?yàn)楣ぷ髅嫦虏棵簩觾A角約為9°，則支架最大傾倒角度為18°左右。113～123號(hào)支架的頂梁擠死，側(cè)護(hù)板無(wú)法打開(kāi)，該范圍內(nèi)的支架實(shí)際平均中心距為2018mm，平均每架中心距縮短32mm。

支架采用電液控實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，通過(guò)連接相應(yīng)傳感器，其操作界面數(shù)顯能夠即時(shí)顯示支架立柱的工作阻力、護(hù)幫板工作阻力以及頂梁沿傾向方向的傾角。通過(guò)讀取數(shù)顯上傾角讀數(shù)，可以了解支架的傾斜狀況。統(tǒng)計(jì)分析得出沿傾向的支架傾角變化如圖1所示。

圖1 沿傾向支架傾角變化

3 倒架原因分析

(1)偽斜控制不當(dāng)，造成擠架、倒架 工作面調(diào)偽斜過(guò)程中因?yàn)楣ぷ髅嫦虏客七M(jìn)過(guò)多，上部推進(jìn)少，導(dǎo)致輸送機(jī)下部偽斜角變大(如圖2所示)，下部輸送機(jī)上竄，上部輸送機(jī)則受下部輸送機(jī)的拉動(dòng)下滑，支架與輸送機(jī)的連接頭逐漸偏離垂直方向，至使上部支架逐漸朝向下方偏斜，支架偏斜后再次推移刮板輸送機(jī)時(shí)，又加速輸送機(jī)下滑，如此相互作用，上部輸送機(jī)和支架都向機(jī)尾方向下滑。同理，下部支架在輸送機(jī)的帶動(dòng)下有向上移動(dòng)的趨勢(shì)，因?yàn)檫@兩處的支架向相反的方向偏轉(zhuǎn)，致使中間的支架受擠壓形成拱形，支架側(cè)護(hù)板間隙被壓縮減小，支架中心距逐漸變小，并最終造成頂梁被擠死。在隨后的降架過(guò)程中，又因?yàn)轫斄簲D死無(wú)法降下，底座被抬起，下部輸送機(jī)上竄超過(guò)600～800mm后，機(jī)尾段的推移桿嚴(yán)重扭斜，撇著支架底座，在移架和推溜過(guò)程中就給支架底座一個(gè)側(cè)向的力，底座不穩(wěn)發(fā)生傾倒。支架傾倒后進(jìn)一步向下方支架擠壓，造成下方支架擠架。

圖2 工作面中上部溜子下滑示意

(2)支架上方嚴(yán)重漏頂，加劇倒架 工作面機(jī)尾一端已接近斷層影響區(qū)，此處頂板破碎，從現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)來(lái)看，60號(hào)支架往機(jī)尾方向頂板破碎程度較高，從80號(hào)支架一直到機(jī)尾，支架頂梁上方堆積破碎矸石或頂部漏空。工作面推進(jìn)200m以上時(shí)，相比初采時(shí)上覆巖層的回轉(zhuǎn)變形空間增大，工作面倒架造成的長(zhǎng)時(shí)間停產(chǎn)使頂板下沉的時(shí)間效應(yīng)不斷累積，更加劇了頂板的下沉，使頂板壓力不斷增大，強(qiáng)烈的礦山壓力顯現(xiàn)使頂板愈加破碎。而支架傾倒后受力狀態(tài)惡化，支撐能力降低，失去了對(duì)頂板下沉和垮落的有效控制，因而會(huì)在頂板壓力的作用下發(fā)生嚴(yán)重漏頂。另外工作面長(zhǎng)時(shí)間的停產(chǎn)還造成煤壁片幫嚴(yán)重，片幫深度最大達(dá)4m，嚴(yán)重的煤壁片幫也造成端面冒頂，進(jìn)一步擴(kuò)大空頂面積，加劇頂板冒落。

漏頂使支架失去上部約束，該種條件下支架的穩(wěn)定性最差，其力學(xué)模型如圖3所示，對(duì)空頂條件下的支架進(jìn)行受力分析，得出支架下滑的最小煤層傾角和支架翻倒的最小煤層傾角分別為11～16.7°和15°，故支架在自然狀態(tài)下不會(huì)傾倒或下滑。然而倒架范圍內(nèi)的支架傾角普遍在15°以上，故支架上方漏頂會(huì)加劇支架的下滑和傾倒。

圖3 空頂下支架傾倒的力學(xué)模型

(3)底板較軟，支架扎底 工作面底板為泥巖，硬度較小，抗壓強(qiáng)度低，當(dāng)支架向下傾倒時(shí)，底座上邊沿懸空，下邊沿向下扎底加劇支架傾倒。再加上底板會(huì)向工作面已成空間移動(dòng)，變形破壞的可能性增大，底板破壞，支架失去了穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

(4)防倒裝置不完善 現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)為工作面傾角不是太大，不需要安裝防滑防倒裝置，僅在工作面下部支架頂梁之間安了幾套橫拉千斤頂，但是千斤頂不僅數(shù)量少，且缸徑小、與之軟連接的鐵鏈細(xì)，在工作面發(fā)生倒架時(shí)，千斤頂或鐵鏈多被拉斷，沒(méi)有起到防倒的目的。防倒裝置的不完善使支架間失去橫向上的約束，不能及時(shí)阻止倒架的發(fā)生。

(5)工作面推進(jìn)速度慢，對(duì)事故處理不及時(shí) 在倒架初期，支架上方多次發(fā)生漏頂事故，漏下的大石塊將輸送機(jī)壓死甚至壓壞，由于對(duì)大石塊處理不及時(shí)，造成工作面連續(xù)2d停產(chǎn)，使漏頂事故進(jìn)一步擴(kuò)大，并引發(fā)煤壁片幫，導(dǎo)致工作面的生產(chǎn)條件更加惡化，工作面的推進(jìn)速度更加受到影響，從而形成惡性循環(huán)?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)倒架問(wèn)題的處理也較為滯后，對(duì)問(wèn)題的嚴(yán)重性認(rèn)識(shí)不足，沒(méi)有及時(shí)采取有效的調(diào)架措施，最終導(dǎo)致問(wèn)題惡化難以處理。

4 倒架治理措施

4.5m采高以下的工作面在處理倒架問(wèn)題時(shí)，多采用鋪網(wǎng)上板梁或者用單體柱架設(shè)走向抬棚的辦法處理冒漏頂板，在扶架過(guò)程中用單體柱戧住傾倒支架，用于扶架或者防止支架的二次傾倒，但普通單體支柱的最大支撐高度一般只有4.5m，對(duì)于7.0m超大采高工作面，這些方法顯然不再適用，或存在較大的安全隱患。為了解決7.0m超大采高工作面的倒架問(wèn)題，采取了以下技術(shù)措施：

(1)工作面煤壁擴(kuò)幫 采用炮采掘進(jìn)的方法，對(duì)工作面機(jī)尾至70號(hào)支架間共計(jì)140m煤壁沿頂板進(jìn)行擴(kuò)幫，擴(kuò)幫高度為3m，寬度為3m。這樣在下部就形成了一個(gè)3m多高的臺(tái)階，既便于對(duì)頂板的支護(hù)，也便于在擺架過(guò)程中用單體柱對(duì)支架頂梁進(jìn)行固定，防止支架的再次傾倒。另外，采用臺(tái)階割煤對(duì)煤壁片幫的防治也起到了很好的作用。擴(kuò)幫施工時(shí)，首先垂直煤壁進(jìn)行打眼，待施工夠3m深后，再順切眼方向施工。頂板上部采用錨桿(φ22mm×2200mm)和錨索(φ18.9mm×5300mm)聯(lián)合支護(hù)，并鋪雙層金屬網(wǎng)，幫部采用玻璃鋼錨桿(φ22mm×2000mm)支護(hù)，鋪塑料雙抗網(wǎng)，并將頂網(wǎng)和幫網(wǎng)連接。擴(kuò)幫施工過(guò)程中，根據(jù)巷道頂板完整情況，確定是否需要打設(shè)木垛加固。

(2)架設(shè)錨索槽鋼抬棚(圖4) 待一組(2根)錨索打設(shè)完畢后，將錨索穿入槽鋼上的預(yù)留孔內(nèi)，并安裝平墊和鎖具，將槽鋼抬起。每組槽鋼抬棚打設(shè)完畢后，將工字鋼鋪設(shè)在槽鋼與液壓支架頂梁之間，工字鋼端頭超出槽鋼部分不少于300mm，并用雙股10號(hào)鉛絲將工字鋼與槽鋼捆綁牢固，在工字鋼上鋪設(shè)網(wǎng)片，必要時(shí)打設(shè)“井字型”木垛。該方法對(duì)機(jī)道上方頂板的支護(hù)起到很好的作用，防止了頂板的進(jìn)一步冒落。

圖4 工作面擴(kuò)幫斷面及錨索槽鋼抬棚布置

(3)注漿加固頂板和煤壁 對(duì)頂板破碎嚴(yán)重或頂板局部冒落嚴(yán)重(冒頂高度超過(guò)1.5m)的區(qū)域，用“羅克休”對(duì)液壓支架上方頂板進(jìn)行注漿充填，封閉頂板裂隙，起到人工假頂?shù)淖饔茫乐鬼斄荷戏巾敯暹M(jìn)一步漏空。另外，在擺架前對(duì)擴(kuò)幫巷煤墻、頂板注射“馬麗散”加固。通過(guò)在煤壁注設(shè)“馬麗散”，可以提高煤巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角，增加煤壁的整體穩(wěn)定性和抗剪切破壞能力。在頂板破碎或發(fā)生冒頂處鉆孔采用三花眼布置，并使上方鉆孔保持一定的傾角，起到加固頂板的作用。

(4)斜拉千斤頂拉架，單體柱支撐 用2個(gè)缸徑為100mm的千斤頂配合16m長(zhǎng)的φ34mm鐵鏈拉架，千斤頂分別固定在待扶支架上方第5組支架的底座和四連桿上，鐵鏈的另一端連接待扶支架的底座和四連桿。扶架前先將待扶支架降下，在移架的過(guò)程中通過(guò)收縮千斤頂逐步將支架往機(jī)頭方向拉，并盡可能地配合利用側(cè)護(hù)板進(jìn)行小幅度擺架。拉完本組支架后2個(gè)千斤頂不立即回收，待下組支架扶完后再回收，以此順序從上向下交替進(jìn)行扶架，直至扶完倒架為止。

為防止在擺下組支架過(guò)程中支架再次發(fā)生傾倒，擺架前在擴(kuò)幫巷的臺(tái)階上斜切打設(shè)2根懸浮單體柱支住該支架的前梁，單體柱下方墊以道木，使單體柱支設(shè)牢靠，避免傷人。拉架時(shí)，伸縮梁挑住垂直工字鋼，在伸縮梁上方平行搭設(shè)4m工字鋼，在升架過(guò)程中，前梁上方和支架下方底座用道木大斜茬墊實(shí)，使支架升緊，整個(gè)支架處于受力狀態(tài)。

(5)虛旋轉(zhuǎn)中心調(diào)斜，邊進(jìn)刀邊擺架 在擺架過(guò)程中，對(duì)工作面進(jìn)行調(diào)偽斜，依靠拉架時(shí)產(chǎn)生支架的上竄抵消支架的下滑。共割5刀煤：機(jī)尾→90號(hào)架、機(jī)尾→60號(hào)架、機(jī)尾→40號(hào)架、機(jī)尾→機(jī)頭，然后再?gòu)臋C(jī)尾至機(jī)頭割1個(gè)通刀，邊進(jìn)刀邊調(diào)架，在5，6刀煤內(nèi)將傾倒支架擺正。

割第1刀煤時(shí)先把119號(hào)架至機(jī)尾部分支架拉出，由于101號(hào)架至118號(hào)架咬死架拉不出，所以先扶101號(hào)至118號(hào)支架，第2，3，4刀煤從83號(hào)開(kāi)始擺架，一直到118號(hào)架。4刀煤后，倒架的支架前梁已經(jīng)全部進(jìn)入擴(kuò)幫巷3.2m，83號(hào)架至118號(hào)架頂板得到有效控制，為第5，6刀煤后工作面所有支架開(kāi)始進(jìn)行大規(guī)模擺架創(chuàng)造條件，6刀煤后所有倒架基本得到控制，倒架基本擺完。

5 預(yù)防倒架措施

(1)嚴(yán)格控制工作面工程質(zhì)量，確保工作面“三直兩平”動(dòng)態(tài)達(dá)標(biāo)?？刂浦Ъ荛g隙在200mm范圍內(nèi)，支架頂梁間錯(cuò)差不得超過(guò)側(cè)護(hù)板的2/3。

(2)下部工作面支架安裝防倒防滑裝置，并將前3架連鎖，給工作面中間支架提供穩(wěn)定的支點(diǎn)。

(3)堅(jiān)持順序上行移架、少降快移、移后調(diào)架的原則，移架一步到位，不要反復(fù)升降、頻繁調(diào)架。

(4)加快工作面推進(jìn)速度，縮短超前支承壓力的作用時(shí)間，減輕煤巖的破碎程度。

(5)加強(qiáng)支架的檢修力度，杜絕支架漏液、串液現(xiàn)象發(fā)生，移架后要及時(shí)升緊，保證支架達(dá)到初撐力。

(6)采煤機(jī)割偽底沿硬底回采，不留黏泥，確保工作面底板平，支架底座穩(wěn)固。

(7)根據(jù)工作面地質(zhì)情況，及時(shí)采取針對(duì)性措施，預(yù)防架前漏、冒頂事故。一旦發(fā)現(xiàn)支架有擠、咬、倒現(xiàn)象時(shí)，要立即處理。

6 結(jié)束語(yǔ)

采取了上述的措施以后，取得了較好的應(yīng)用效果，工作面逐漸恢復(fù)了正常生產(chǎn)。因?yàn)?.0m大采高工作面倒架問(wèn)題的處置在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有成功的案例，此次事故的成功治理為國(guó)內(nèi)大采高綜采工藝的發(fā)展積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)對(duì)該大采高工作面倒架原因分析可知，大采高綜采工作面通過(guò)加強(qiáng)技術(shù)管理和現(xiàn)場(chǎng)的質(zhì)量控制，嚴(yán)格操作和積極預(yù)防，是完全可以杜絕此類事故發(fā)生的。

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[責(zé)任編輯：鄒正立]

2014-03-14

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.035

蘭云峰(1971-)，男，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，工程師，現(xiàn)從事機(jī)電管理工作。

蘭云峰.軟煤層7.0m大采高工作面倒架原因分析及防治技術(shù)[J].煤礦開(kāi)采，2014，19(4)：115-118.

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1006-6225(2014)04-0115-04