大傾角斜井煤柱綜采支架選型分析

余有存

(淮南礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司謝一礦)

大傾角斜井煤柱綜采支架選型分析

余有存

(淮南礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司謝一礦)

大傾角煤層開采后采場(chǎng)圍巖礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、頂板巖層變形、破壞和運(yùn)動(dòng)形式不同于近水平煤層。依據(jù)謝一礦4671B4大傾角綜采工作面地質(zhì)賦存條件，對(duì)該工作面支架的安全性進(jìn)行了分析?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明：大傾角綜采工作面地質(zhì)條件確定的支架工作阻力，基本能夠控制大傾角采場(chǎng)覆巖運(yùn)動(dòng)的礦壓顯現(xiàn)，滿足工作面支架選型的安全性。并針對(duì)該工作面傾角較大的特點(diǎn)，提出預(yù)防工作面冒頂壓架以及支架倒滑的技術(shù)措施，以期實(shí)現(xiàn)大傾角綜采工作面的安全高效開采。

大傾角 綜采工作面 支架選型 冒頂壓架

我國煤碳資源豐富，但煤層賦存條件復(fù)雜，煤層傾角變化較大，開采方法多樣。工程實(shí)踐表明，大傾角煤層開采后，采場(chǎng)頂板巖層的變形、破壞、運(yùn)動(dòng)形式與近水平煤層開采后的情況有很大不同。由于傾角和采長的影響，采場(chǎng)圍巖在開采中形成的結(jié)構(gòu)也各有特點(diǎn)。國內(nèi)外學(xué)者在大傾角煤層開采方面作了大量的研究工作，涉及大傾角煤層開采工藝、設(shè)備、采場(chǎng)圍巖控制等諸多方面。尹光志等[1]通過室內(nèi)光彈性模擬模型試驗(yàn)和工作面現(xiàn)場(chǎng)礦壓實(shí)測(cè)，對(duì)大傾角煤層工作面開采后采場(chǎng)圍巖礦壓分布規(guī)律進(jìn)行了研究。黃建功[2]根據(jù)大傾角煤層采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)，對(duì)采場(chǎng)頂板巖層運(yùn)動(dòng)、破壞形式進(jìn)行了研究。林忠明等[3]從靜力學(xué)角度對(duì)大傾角條件下綜放開采液壓支架抗傾覆、滑移、扭斜穩(wěn)定進(jìn)行了分析。趙元放等[4]采用FLAC2D模擬了大傾角煤層開采過程中的頂板垮落和圍巖應(yīng)力分布特征。伍永平等[5]采用FLAC3D對(duì)大傾角煤層群走向長壁開采進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。袁永等[6]對(duì)大傾角煤層開采中支架下滑、傾倒、尾部受扭3種主要失穩(wěn)方式的機(jī)制進(jìn)行了研究。

以上研究主要針對(duì)大傾角煤層綜采工作面開采采場(chǎng)圍巖礦壓分布規(guī)律的較多，有關(guān)大傾角綜采工作面的支架選型以及支架防滑措施等相關(guān)方面的研究仍需進(jìn)一步深入。為此，本文針對(duì)大傾角煤層開采后采場(chǎng)圍巖礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、頂板巖層變形、破壞和運(yùn)動(dòng)形式的特點(diǎn)，依據(jù)綜采工作面支架選型經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合淮南礦區(qū)謝一礦井4671B4大傾角綜采工作面地質(zhì)條件，對(duì)工作面支架選型安全性進(jìn)行了分析，并提出預(yù)防工作面冒頂壓架以及支架防滑的技術(shù)措施，確保大采高綜采工作面安全高效開采。

1 大傾角斜井煤柱綜采工作面支架選型

1.1 工程概況

淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司謝一礦4671B4綜采工作面，南自Ⅲ—Ⅳ勘探線以南34 m，北至Ⅲ—Ⅱ勘探線以北6.0 m，上限標(biāo)高-580.0 m，下限標(biāo)高-670.0 m；工作面平均走向長497 m，工作面長183 m。4671B4綜采工作面上覆B6煤層作為保護(hù)層(4271B6工作面)已回采完畢，下伏A3煤層尚未回采；上、下階段B4煤層尚未掘進(jìn)，北翼B4煤層已回采，南翼尚未回采。4671B4綜采工作面所在煤層賦存較穩(wěn)定，由B4a與B4b上下兩層煤組成，中間含0.5～1.1 m(平均0.6 m)厚度不等的泥巖、砂質(zhì)泥巖夾矸層，其中B4a煤厚0.6～1.6 m(平均1.4 m)，B4b煤厚1.4～2.3 m(平均1.8 m)，工作面煤層平均厚度為3.8 m，煤層傾角20°～26°(平均24°)；直接頂為砂質(zhì)泥巖(厚約7.2 m)，老頂為中砂巖(厚約14.4 m)；直接底為砂質(zhì)泥巖(厚約1.6 m)，老底為中粒砂巖(厚約8.8 m)。工作面煤巖層基本特征如表1所示。工作面范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，中小型斷裂構(gòu)造發(fā)育，根據(jù)上覆各煤層采掘資料，推斷分析目前已知Fd、Fi、F12-13、Fj、F13-4-1斷層落差大于全煤厚，對(duì)回采影響最為嚴(yán)重；另外，F(xiàn)12-16、F12-15、Fe斷層大于1/2煤厚，對(duì)回采影響較嚴(yán)重。因此，為防止施工期間頂板、水及瓦斯等事故的發(fā)生，應(yīng)編制過斷層施工安全技術(shù)措施。另外，4671B4綜采工作面上覆B6采空區(qū)局部低洼處積水沿裂隙下滲；-647 m總回風(fēng)石門、-600 m B4回風(fēng)巷內(nèi)可能有積水，預(yù)計(jì)最大涌水量1 m3/h，正常涌水量0.2 m3/h。4671B4綜采工作面地面對(duì)應(yīng)位置為原陶圩二礦以東、謝區(qū)新六礦以南、劉崗大壩以西的地面塌陷塘，回采將對(duì)地面對(duì)應(yīng)位置造成塌陷。

表1 工作面煤巖層基本特征

4671B4大傾角綜采工作面采用B4a和B4b兩層煤(含夾矸層)一次性回采的綜采開采方式。工作面回采過程中，由于回采煤層含夾矸、傾角較大，且與上覆已采煤層距離較近，頂板破碎等原因可能出現(xiàn)片幫、冒頂和局部壓架等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響工作面的安全開采。

1.2 工作面支架選型

1.2.1 液壓支架額定支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)礦壓及其控制理論中的采場(chǎng)頂板壓力，計(jì)算液壓支架額定支護(hù)強(qiáng)度為

Pn=KMγ,

(1)

式中，K為增載系數(shù)，一般取6～11，老頂級(jí)別越高K值越大，取8；M為采高，取3.6 m；γ為頂板巖層平均容重，取25 kN/m3。

將數(shù)據(jù)代入式(1)計(jì)算得Pn=720 kN/m2.

1.2.2 液壓支架額定工作阻力計(jì)算

液壓支架額定工作阻力為

Fs=PnSsBs/ks,

(2)

式中，Ss為液壓支架中心距，取1.5 m；Bs為支架有效控頂距，取6.0 m；ks為液壓支架的支撐率，取0.9。

將數(shù)據(jù)代入式(2)計(jì)算得Fs=7 200 kN.

1.2.3 支架選型

考慮大采高工作面頂?shù)装鍘r性，選取額定支護(hù)阻力為7 200 kN，227200/22/45型支撐掩護(hù)式綜采液壓支架，其示意圖見圖1。

ZZ7200/22/45型支撐掩護(hù)式綜采液壓支架適用于我國厚及中厚煤層的開采，并針對(duì)淮南礦區(qū)煤層的具體使用條件和特殊要求，在吸收同類型支架優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)制造的，可與運(yùn)輸機(jī)、采煤機(jī)、過渡支架配套使用，實(shí)現(xiàn)水平工作面或傾角小于30°的傾斜工作面厚及中厚煤層的割煤、支護(hù)、移架和運(yùn)煤等綜合機(jī)械化作業(yè)。

圖1 ZZ7200/22/45型綜采液壓支架

ZZ7200/22/45型液壓支架主要由金屬結(jié)構(gòu)件、液壓系統(tǒng)和防倒、防滑、調(diào)架及抬底座裝置等組成。四根立柱支撐頂梁，主要承受頂板的垂直壓力；通過掩護(hù)梁及前、后連桿與底座各自鉸接構(gòu)成四連桿機(jī)構(gòu)，承受支架所受的水平力和側(cè)向力；頂梁、前連桿和底座分別預(yù)設(shè)防倒、防滑連接耳座及調(diào)架和抬底座裝置；頂梁設(shè)有伸縮梁和側(cè)護(hù)板，伸縮梁前端設(shè)有護(hù)幫板，防護(hù)性能好，支架縱橫穩(wěn)定性強(qiáng)。該支架能起到支護(hù)工作面頂板、掩護(hù)采煤機(jī)及輸送機(jī)工作空間的作用，使采煤機(jī)一次采完工作面高度，并由輸送機(jī)將采下的煤運(yùn)出。通過割煤、移架、推溜等工序組成作業(yè)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)綜采機(jī)械化連續(xù)生產(chǎn)。

4671B4大傾角綜采工作面采用走向長壁后退式綜合機(jī)械化采煤法，工作面安裝120架ZZ7200-22/45型四柱掩護(hù)式液壓支架(額定工作阻力7 200 kN，初撐力為6 184 kN，可調(diào)高度2 200～4 500 mm)，其中上、下各3架ZZG7200/22/45型端頭支架，沿工作面傾向直線排列，兩支架中心距1.5 m，最大控頂距6.407 m，最小控頂距4.807 m，工作面采用液壓支架配合單體支柱及Π梁支護(hù)頂板，采用全部跨落法管理頂板。

2 支架工作安全性分析

2.1 支架工作的可行性驗(yàn)證

回采工作面傾角較大時(shí)，其上覆巖層形成的結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律也發(fā)生變化。采用大傾角綜采工作面礦壓觀測(cè)，對(duì)研究大傾角條件下工作面上覆巖層結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)特征，掌握大傾角工作面初次來壓、周期來壓規(guī)律，探討大傾角采場(chǎng)支架-圍巖關(guān)系及其分析支架選型的安全性極為重要。

礦壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，其中，1#位置為工作面下部，2#、3#位置為工作面中部，4#位置為工作面上部。圖3為監(jiān)測(cè)位置綜采支架工作阻力隨工作面推進(jìn)距離的變化關(guān)系，各測(cè)點(diǎn)不同時(shí)期的來壓步距見表2。

從圖3可知，工作面初次來壓期間，平均支架載荷約為6 920 kN/架，最大為6 970 kN/架；第一次周期來壓期間，平均支架載荷約為6 923kN/架，最大為 6 950kN/架；第二次周期來壓期間，平均支架載荷約6 960kN/架，最大為6 990kN/架。4671B4綜采工作面周期來壓期間，平均支架載荷約為 6 941.5kN/架，小于工作面選型支架額定的7 200kN/架 的工作阻力，在沒有斷層構(gòu)造等復(fù)雜地質(zhì)條件下，基本上能保證工作面的正常回采。

圖2 礦壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置平面

圖3 各支架工作阻力隨工作面推進(jìn)距離的變化關(guān)系

表2 各測(cè)點(diǎn)大傾角綜采工作面不同時(shí)期來壓步距 m

由表2可知，4671B4大傾角綜采工作面屬于Ⅱ級(jí)來壓明顯頂板。中部最先來壓(2#位置、3#位置)，其次是工作面上部(4#位置)，工作面下部最后來壓(1#位置)，應(yīng)分區(qū)域加強(qiáng)采場(chǎng)頂板的控制。

2.2 大傾角綜采工作面支架防倒滑技術(shù)

(1)調(diào)節(jié)工作面推進(jìn)速度。工作面非來壓期間保持正常推進(jìn)速度，使頂板充分垮落，減小采空區(qū)的大面積懸頂空間，避免工作面推進(jìn)速度過慢，頂板巖梁下沉充分，增大支架工作阻力，導(dǎo)致安全閥多次開啟；工作面來壓期間快速推進(jìn)，減小頂板巖梁回轉(zhuǎn)下沉量，以及對(duì)支架的沖擊載荷，避免在工作面來壓期間進(jìn)行設(shè)備檢修，造成頂板巖梁下沉較大、支架載荷增大。

(2)保證支架初撐力。由于泵站供油管路及漏液等影響，導(dǎo)致壓降大，且第二次注液不及時(shí)或不進(jìn)行注液，支架實(shí)際初撐力較低。因此，應(yīng)加強(qiáng)支架初撐力管理，當(dāng)初撐力不達(dá)標(biāo)時(shí)，應(yīng)及時(shí)檢查泵站壓力和管路漏液情況，及時(shí)補(bǔ)液。

(3)控制工作面回采高度。工作面正常推進(jìn)過程中要保持頂板平整，支架平衡、承載均勻，控制工作面回采高度不得低于3.5m，保證液壓支架活柱有0.8m以上的下縮余量；工作面回采后，必須及時(shí)移架進(jìn)行支護(hù)，阻止漏矸，加強(qiáng)工作面端頭支護(hù)，做好冒頂壓架的處理預(yù)案。

(4)加強(qiáng)支架工作阻力監(jiān)測(cè)。更換大流量支架安全閥，使支架能維持較高的工作阻力狀態(tài)；當(dāng)支架安全閥開啟率過高、過頻，支架活塞下縮過快，工作面有連續(xù)多架工作阻力過高時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施以預(yù)防冒頂壓架。

(5)及時(shí)支護(hù)工作面煤壁，保證支架護(hù)幫板對(duì)煤壁及時(shí)強(qiáng)勁有效的支撐，保證煤壁對(duì)頂板的有效支撐，從而使煤壁承擔(dān)更多的上覆巖層壓力，減少作用于支架上的載荷。

3 結(jié) 論

(1)依據(jù)綜采工作面支架選型經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合4671B4大傾角綜采工作面煤層賦存地質(zhì)條件，對(duì)工作面支架選型進(jìn)行了分析，為實(shí)現(xiàn)大傾角綜采工作面安全生產(chǎn)提供保障。

(2)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明，大傾角綜采工作面支架工作阻力隨工作面推進(jìn)變化，工作面中部最先來壓，其次是工作面上部，工作面下部最后來壓。不同于近水平工作面來壓特征，應(yīng)分區(qū)域加強(qiáng)采場(chǎng)頂板控制。

(3)通過調(diào)節(jié)工作面推進(jìn)速度、保證支架初撐力、控制工作面回采高度、加強(qiáng)支架工作阻力監(jiān)測(cè)、及時(shí)支護(hù)工作面煤壁等技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)大傾角綜采工作面的安全高效開采。

[1] 尹光志,李小雙,郭文兵.大傾角煤層工作面采場(chǎng)圍巖礦壓分布規(guī)律光彈性模量擬模型試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010，29(增1):3336-3343.

[2] 黃建功.大傾角煤層采場(chǎng)頂板運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)分析[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,31(5):411-414.

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

[4] 趙元放,張向陽,涂 敏.大傾角煤層開采頂板垮落特征及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2007,24(2):231-234.

[5] 伍永平,解盤石,楊永剛,等.大傾角煤層群開采巖移規(guī)律數(shù)值模擬及復(fù)雜性分析[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2007,24(4):391-395.

[6] 袁 永,屠世浩,竇鳳金,等.大傾角綜放面支架失穩(wěn)機(jī)制及控制[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2008,25(4):430-434.

2015-02-11)

余有存(1971—)，男，工程師，碩士，232001 安徽省淮南市洞山中路1號(hào)。