大采高液壓支架失穩(wěn)與礦壓顯現(xiàn)關(guān)系研究

王東攀，劉前進(jìn)

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013)

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大采高液壓支架失穩(wěn)與礦壓顯現(xiàn)關(guān)系研究

王東攀，劉前進(jìn)

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013)

［摘要］通過對(duì)近水平大采高綜采工作面支架失穩(wěn)過程的分析，獲知煤壁片幫漏頂是支架失穩(wěn)的重要原因，在此基礎(chǔ)上對(duì)倒架段支架不同階段的礦壓顯現(xiàn)特征和原因進(jìn)行研究，結(jié)果表明初撐力決定了支架工作阻力的運(yùn)行狀況，過低初撐力將導(dǎo)致液壓支架高工作阻力無法發(fā)揮，提高初撐力是防止支架失穩(wěn)的關(guān)鍵。

［關(guān)鍵詞］大采高綜采;支架失穩(wěn);初撐力;給定變形;限定變形

［引用格式］王東攀，劉前進(jìn).大采高液壓支架失穩(wěn)與礦壓顯現(xiàn)關(guān)系研究［J］.煤礦開采，2015，20 (2) : 78－80.

大采高液壓支架支撐高度大，工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，支架受力狀況復(fù)雜，對(duì)破碎頂?shù)?、松軟煤層、?fù)雜地質(zhì)構(gòu)造適應(yīng)性相對(duì)較差，煤壁片幫、架前冒頂發(fā)生幾率高，進(jìn)而易引發(fā)液壓支架擠架、倒架等失穩(wěn)事故。由于支架重量大、支撐高度高、重心位置高，采用普通單體液壓支柱進(jìn)行調(diào)架操作難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，因此大采高工作面一旦發(fā)生支架失穩(wěn)，將會(huì)給工作面安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益帶來嚴(yán)重威脅。

國(guó)內(nèi)有關(guān)學(xué)者已就大采高綜采工作面煤壁的片幫機(jī)理和防治進(jìn)行了相關(guān)研究，本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，針對(duì)山西長(zhǎng)治霍爾辛赫煤礦3208工作面支架失穩(wěn)事故進(jìn)行分析，并重點(diǎn)對(duì)比研究了支架失穩(wěn)前后礦壓顯現(xiàn)的差異。

1　工作面生產(chǎn)技術(shù)條件

3208大采高工作面開采3號(hào)煤層，煤層厚度5.2～6.0m，平均厚度5.6m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固性系數(shù)f為0.5～0.6，含泥巖、炭質(zhì)泥巖夾矸1層，堅(jiān)固性系數(shù)f平均為1.0，節(jié)理裂隙發(fā)育，煤層傾角0～15°，平均9°?；卷敒楹穸?1.2m細(xì)砂巖，直接頂為4.6m泥巖、1.1m細(xì)砂巖和2.4m泥巖，堅(jiān)固性系數(shù)3～4，強(qiáng)度較低，隨采隨冒，偽頂為厚度0.38m炭質(zhì)泥巖，硬度軟，泥質(zhì)膠結(jié)。直接底為8m厚泥巖，堅(jiān)固性系數(shù)2.5，老底為厚度5.70m砂質(zhì)泥巖。工作面斜長(zhǎng)173.5m，布置100付ZY12000/28/60D型電液控制液壓支架。

2　支架失穩(wěn)過程及原因分析

3208工作面于3月10日開始初采，日平均推進(jìn)3.6m，自4月5日開始工作面20～50號(hào)支架煤壁片幫嚴(yán)重，深度達(dá)1.0m左右，20～40號(hào)支架發(fā)生傾倒，傾倒角度75～82°，其中32～37號(hào)支架傾倒嚴(yán)重，平均角度達(dá)70°。支架傾倒后，調(diào)架期間工作面推進(jìn)速度慢，直接頂破碎度提高，基本頂回轉(zhuǎn)變形量增大，漏頂范圍進(jìn)一步擴(kuò)展，在頂板沿傾斜方向分力的作用下，使支架傾倒范圍和程度加劇，直至機(jī)頭。經(jīng)過工作面調(diào)斜和單體支柱強(qiáng)扶，至5月28日工作面恢復(fù)正常生產(chǎn)，期間共推進(jìn)40m。

分析3208大采高工作面支架失穩(wěn)的主要原因有:

(1)頂板存在0.38m炭質(zhì)泥巖，直接頂為泥巖，煤層堅(jiān)固性系數(shù)f為0.5～0.6，節(jié)理裂隙發(fā)育，工作面采高大，礦壓大幅度增加，煤壁塑性區(qū)寬度增大，煤壁發(fā)生剪切滑移破壞，片幫嚴(yán)重，支架端面距增大，空頂區(qū)直接頂破碎，發(fā)生冒頂，造成支架無法接頂或接頂不實(shí)，由此引起失穩(wěn)。

(2)工作面?zhèn)涡笨刂撇划?dāng)。回采初期工作面呈俯偽斜布置，導(dǎo)致刮板輸送機(jī)下滑至運(yùn)輸巷下幫，無法推溜。后采用機(jī)頭快進(jìn)方式進(jìn)行調(diào)斜，由于刮板輸送機(jī)重量輕，調(diào)向速度快，但支架未及時(shí)跟上調(diào)向，引起中間支架擠架，側(cè)護(hù)板行程轉(zhuǎn)移到相鄰支架，支架間隙增大，側(cè)護(hù)板千斤頂即使完全打開也無法靠上相鄰支架，在沿頂板傾斜方向切向分力的作用下支架傾倒程度加劇，進(jìn)而發(fā)生大范圍倒架。

(3)工作面運(yùn)輸巷沿頂板布置，支架沿底板回采，機(jī)頭段10付支架沿頂板逐漸降低采高緩慢過渡至運(yùn)輸巷底板，且靠近機(jī)頭段出現(xiàn)了一個(gè)小向斜，由此造成支架向低凹段傾斜，進(jìn)而發(fā)生擠架，加之低凹段易發(fā)生積水，底板為泥巖，遇水軟化，支架鉆底，造成拉架困難，加劇了支架擠咬。

(4)倒架前支架平均初撐力3300kN，僅占額定初撐力的38%，主動(dòng)支護(hù)作用發(fā)揮不夠，支架對(duì)頂板的支撐作用處于“給定變形”，頂板下沉量增大，壓力轉(zhuǎn)移至煤幫，造成煤壁片幫漏頂加劇，引起支架失穩(wěn)。

3　支架失穩(wěn)與礦壓顯現(xiàn)關(guān)系分析

防治大采高綜采液壓支架失穩(wěn)必須控制煤壁片幫、架前漏頂。為了控制煤壁片幫冒頂，目前大采高綜采支架初撐力一般均留有較高的富裕量，但支架失穩(wěn)仍時(shí)有發(fā)生，因此有必要對(duì)支架失穩(wěn)前后支架與圍巖的相互作用關(guān)系進(jìn)行分析。針對(duì)3208工作面倒架前后礦壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以倒架嚴(yán)重的28號(hào)支架為例，其支架工作阻力原始曲線見圖1，并重點(diǎn)對(duì)比倒架段支架工作阻力特征。

3.1支架失穩(wěn)前后初撐力對(duì)比

應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析方法，對(duì)倒架段支架不同階段的初撐力進(jìn)行對(duì)比分析，見圖2。

圖1　28號(hào)支架工作阻力原始曲線

圖2　不同階段倒架段支架初撐力對(duì)比柱狀圖

由圖2可知，工作面初采期間支架平均初撐力5500kN，倒架前平均初撐力降為3300kN，僅占額定初撐力的40%，倒架后平均初撐力2040kN。倒架前支架初撐力較初采期間顯著降低，煤壁片幫漏頂加劇，支架發(fā)生傾倒后，頂梁上方為浮矸，支架難以充分接頂，初撐力進(jìn)一步降低，支架的強(qiáng)控頂能力完全無法發(fā)揮。當(dāng)周期來壓時(shí)，過低初撐力使支架處于急增阻狀態(tài)，基本頂回轉(zhuǎn)下沉速度快，對(duì)直接頂和煤壁產(chǎn)生較大的沖擊，進(jìn)一步加劇了煤壁片幫漏頂。

3.2失穩(wěn)前后支架工作阻力對(duì)比

應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析方法，對(duì)倒架段不同階段的支架工作阻力進(jìn)行對(duì)比分析，見圖3。

由圖3可知，初采期間支架平均工作阻力為6415kN，倒架前支架平均工作阻力為5060kN，倒架后支架平均工作阻力為2900kN，僅占額定工作阻力的24%。由支架初撐力與工作阻力的相關(guān)性可知，初采期間支架由初撐狀態(tài)增至循環(huán)末阻力增量為915kN，增阻率16.6%，倒架前壓力增量為1760kN，增阻率53.3%，倒架后壓力增量為860kN，增阻率42.2%。

圖3　不同階段倒架段支架工作阻力對(duì)比柱狀圖

工作面初采期間支架初撐力較高，當(dāng)周期來壓時(shí)，支架可很快達(dá)到最大工作阻力，支架對(duì)頂板的抵抗作用表現(xiàn)為“限定變形”，頂板的下沉量得到控制，使基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)變形速度降低，限制了基本頂關(guān)鍵塊的回轉(zhuǎn)失穩(wěn)，發(fā)揮了基本頂“砌體梁”的自穩(wěn)能力，降低頂板來壓強(qiáng)度。倒架前支架平均初撐力較初采期間降低了2200kN，循環(huán)末阻力增阻率高達(dá)53.3%，支架對(duì)頂板的抵抗作用表現(xiàn)為“給定變形”，立柱下縮量大，破碎直接頂不能與基本頂同步協(xié)調(diào)變形，基本頂形成的鉸接平衡結(jié)構(gòu)易失穩(wěn)，支架對(duì)基本頂?shù)目刂瞥潭葴p弱，高工作阻力無法充分發(fā)揮，煤壁和采空區(qū)矸石受力增大，加劇了片幫漏頂，加之工作面?zhèn)涡笨刂撇划?dāng)、調(diào)架措施不到位等管理原因，由此造成大采高綜采支架失穩(wěn)。

4　結(jié)論

(1)從支架失穩(wěn)過程礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析看，隨著初撐力降低，支架平均工作阻力隨之降低，初撐力一定程度上決定著支架工作阻力的運(yùn)行狀況，過低初撐力將導(dǎo)致液壓支架高工作阻力無法發(fā)揮。

(2)高初撐力使支架對(duì)頂板的抵抗作用表現(xiàn)為“限定變形”，能有效控制基本頂“砌體梁”關(guān)鍵塊失穩(wěn)造成的頂板下沉，降低來壓強(qiáng)度;低初撐力支架對(duì)頂板的抵抗作用表現(xiàn)為“給定變形”，通過立柱的下縮平衡基本頂回轉(zhuǎn)變形的擠壓力，支架對(duì)基本頂?shù)目刂瞥潭葴p弱，高工作阻力無法充分發(fā)揮，煤壁和采空區(qū)矸石受力增大，加劇了片幫漏頂。

(3)實(shí)測(cè)結(jié)果分析表明，支架初撐力過小是導(dǎo)致工作面支架發(fā)生失穩(wěn)的重要影響因素之一，必須采取措施保證工作面支架合理初撐力，更好地發(fā)揮支架性能。

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［責(zé)任編輯:潘俊鋒］

Relationship between instability of Large-mining-height Powered Support and Underground Pressure Behavior

WANG Dong-pan，LIU Qian-jin

(Coal Mining＆Designing Department，Tiandi Science＆Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

Abstract:By analyzing the instability process of large-mining-height powered support，it was obtained that coal-wall slide and fall was main cause of supports instability.On the basis of this，underground pressure behavior of instable powered supports in different phrases was analyzed.Results showed that operation state of powered support was decided by setting load and lower setting load would restrict high working resistance，therefore，improving setting load was the key to preventing powered support instability.

Keywords:large-mining-height full-mechanized mining; powered support instability; setting load; given deformation; finite deformation

［作者簡(jiǎn)介］王東攀(1978－)，男，河南南陽人，副研究員，主要從事煤礦安全高效開采、礦山壓力與巖層控制技術(shù)等方面研究工作。

［基金項(xiàng)目］“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012BAK04B08) ; 2013年川煤集團(tuán)重點(diǎn)科研項(xiàng)目:大傾角松軟厚煤層一次采全高關(guān)鍵技術(shù)與裝備

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.022

［收稿日期］2014－08－18

［中圖分類號(hào)］TD355.4

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A

［文章編號(hào)］1006-6225 (2015) 02-0078-03