大傾角非穩(wěn)定軟煤綜放面傾倒支架的安全復(fù)位

贠東風(fēng)，劉　柱，蘇普正，孟曉軍，張?jiān)?/p>

(1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

大傾角非穩(wěn)定軟煤綜放面傾倒支架的安全復(fù)位

贠東風(fēng)1，2，劉柱1，蘇普正1，2，孟曉軍1，張?jiān)?

(1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

摘要：大傾角非穩(wěn)定軟煤綜放開采時(shí)，支架與圍巖系統(tǒng)的不穩(wěn)定導(dǎo)致支架易傾倒、下滑。工作面發(fā)生倒架事故后，復(fù)位難度大，安全隱患多。分析研究長(zhǎng)山子煤礦1121大傾角軟煤綜放工作面傾倒支架在安全復(fù)位過程中存在的主要危險(xiǎn)源。工作面支架復(fù)位時(shí)，針對(duì)存在的危險(xiǎn)源采取相應(yīng)的安全保障技術(shù)，確保人員和設(shè)備安全。1121綜放工作面嚴(yán)格采用并落實(shí)安全保障技術(shù)，確保了傾倒支架的復(fù)位工作安全順利進(jìn)行，支架恢復(fù)正常工作，保證了工作面的安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：大傾角；軟煤；綜放工作面；倒架；安全復(fù)位

由于大傾角煤層賦存的特殊性，大傾角煤層綜放開采時(shí)存在著很多難題，其中之一就是工作面支架穩(wěn)定性問題[1]。幾乎大傾角綜放工作面均發(fā)生過支架傾倒的情況[2]，處理倒架事故難度大、時(shí)間長(zhǎng)。支架復(fù)位時(shí)存在頂板抽冒、架間漏矸等安全隱患，需要嚴(yán)格采用并落實(shí)相應(yīng)的安全保障技術(shù)，保證傾倒支架的復(fù)位工作安全順利進(jìn)行[4-6]。

甘肅窯街煤電公司長(zhǎng)山子煤礦開采大傾角非穩(wěn)定軟煤，首個(gè)綜放面剛推進(jìn)不足4m就發(fā)生嚴(yán)重倒架事故，導(dǎo)致工作面生產(chǎn)癱瘓，被迫對(duì)傾倒支架采取扶正處理，扶架持續(xù)了50多天，給礦井造成巨大損失。

1工作面地質(zhì)和回采工藝

1.1工作面地質(zhì)條件

長(zhǎng)山子煤礦1121工作面位于礦井11采區(qū)南翼，主采煤二-2層，煤層厚度2.96～9.96m，平均厚度4.1m，煤層傾角24～29°，平均28°；普氏系數(shù)0.6～0.8。工作面設(shè)計(jì)可采走向長(zhǎng)度530.8m，傾斜長(zhǎng)度103m。工作面所采煤二-2為三軟煤層，工作面?zhèn)雾敒楹谏鄮r、砂巖，厚度為0～2.1m，直接頂為黑色泥巖、粉砂巖，平均厚度為3.51m。老頂為紫紅色、雜色含礫粗砂巖，平均厚度為14.9m。工作面直接底為灰黑色泥巖、炭質(zhì)泥巖，平均厚度為7.48m，煤層底板為灰色、灰綠色砂巖，厚度為0～35.84m。

1.2回采工藝

1121工作面采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板。工作面采用MG250/600-QWD 型采煤機(jī)由上向下單向割煤，截深0.6m，工作面前后各安裝1部SGZ730/2×200型刮板輸送機(jī)運(yùn)煤。工作面安裝ZYF5000/18/32型低位放頂煤液壓支架59副，ZFG5600/19/32型過渡支架2副，ZFT16000/20/32型端頭支架1副。工作面采高2.8m，平均采放比為1∶1，兩采一放，放煤步距1.2m。

2倒架過程

1121工作面是長(zhǎng)山子煤礦首個(gè)綜放面，該采面于2013年7月21日結(jié)束安裝。工作面于7月23日開始回采，8月6日中班工作面下段部分支架出現(xiàn)擠架現(xiàn)象，尤其是端頭支架與過渡支架擠架嚴(yán)重，中下段第11#～15#支架出現(xiàn)倒架或咬架現(xiàn)象，8月6日夜班工作面倒架程度進(jìn)一步加重，由11#～15#擴(kuò)展到9#～36#支架，且伴有不同程度的咬架現(xiàn)象(上鄰架頂梁鉆到下鄰架支柱側(cè)護(hù)板下或支架下側(cè)護(hù)板擠壓下鄰架支柱和連桿)。到8月13日夜班倒架現(xiàn)象擴(kuò)展至8#～49#支架，倒架角度32～57°，支架無法前移，致使工作面生產(chǎn)癱瘓。

3倒架危害及支架復(fù)位困難

3.1支架穩(wěn)定性分析

大傾角支架在自由狀態(tài)時(shí)，在受到重力G、底板對(duì)其反作用力P2和底板對(duì)支架摩擦力f1作用下處于平衡狀態(tài)。此時(shí)支架的重心垂線在支架底座內(nèi)。當(dāng)煤層傾角較大時(shí)，支架的重心將偏離底座的邊緣，支架即處于失穩(wěn)狀態(tài)，見圖1。

圖1　支架在不同傾角受力狀態(tài)

支架在自由狀態(tài)傾倒力矩M見式(1)[7]。

(1)

式中，b=(B/2)cosα-hsinα。M=0時(shí)，支架重心支架的重心線和底座的邊緣重合。M>0時(shí)，支架即處于失穩(wěn)狀態(tài)。M<0時(shí)，支架處于穩(wěn)定狀態(tài)。

由式(1)可知，支架底座越寬，支架重心越低，支架重量越輕，支架穩(wěn)定性越好，不易下滑傾倒。

大傾角煤層綜放開采時(shí)，低位放頂煤支架受到放煤過程中煤流向下的分力的影響，支架尾梁受到側(cè)向力的影響而發(fā)生側(cè)向擺動(dòng)，從而使支架扭斜，支架穩(wěn)定性降低[7]。

3.2倒架危害

液壓支架是工作面數(shù)量最多的設(shè)備，且其形式為并聯(lián)但功能屬串聯(lián)系統(tǒng)。支護(hù)系統(tǒng)的可靠度隨串聯(lián)的支架數(shù)量變大而降低。相對(duì)于近水平和緩斜煤層工作面來說，大傾角煤層工作面液壓支架沿傾向空間可活動(dòng)性大、位態(tài)復(fù)雜以及自穩(wěn)性差的特點(diǎn)，導(dǎo)致工作面在生產(chǎn)過程中易發(fā)生支架傾倒的問題。一旦工作面某個(gè)支架發(fā)生傾倒，勢(shì)必會(huì)引起相鄰支架失穩(wěn)，導(dǎo)致工作面設(shè)備無法正常運(yùn)行甚至停產(chǎn)，嚴(yán)重制約安全生產(chǎn)。

液壓支架傾倒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的法線方向。支架傾斜角度由坡度規(guī)測(cè)量立柱的鉛垂夾角得到。為了定量反映支架相對(duì)于工作面傾斜面的傾倒程度，定義支架傾倒程度判定參數(shù)傾斜度[2]，見式(2)。

(2)

式中：β為工作面支架傾倒后傾斜角(°)；α為工作面支架正常工作時(shí)傾斜角(°)。

當(dāng)時(shí)，支架傾倒；當(dāng)時(shí)，支架未發(fā)生失穩(wěn)傾倒；當(dāng)時(shí)支架上仰。

液壓支架支架傾倒的同時(shí)，支架常發(fā)生擺動(dòng)(偏斜)。支架偏斜角為支架立柱與工作面的夾角。為了定量反映支架偏斜程度，定義支架擺動(dòng)程度判定參數(shù)偏斜度[2]，見式(3)。

(3)

式中：γ為工作面支架擺動(dòng)后傾斜角(°)。Δγ>0時(shí)，支架尾部下擺；當(dāng)Δγ=0時(shí)，支架未下擺；當(dāng)Δγ<0時(shí)，支架尾部上擺。

3.3支架復(fù)位困難

在支架復(fù)位過程中，支架降架使架間縫隙變大，漏矸嚴(yán)重，架間隙維護(hù)更加困難，扶架難度急劇增大。頂煤的漏冒容易導(dǎo)致支架頂梁失去頂板(煤)約束而發(fā)生傾倒，然后支架受力狀態(tài)惡化、承載性能下降又造成采面頂板(煤)發(fā)生進(jìn)一步漏冒。

支架在扶正后但未進(jìn)入實(shí)體煤之前，支架自穩(wěn)能力差，不易保持穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生緩慢下滑或傾倒，傾斜角緩慢變大，導(dǎo)致支架二次傾倒或下滑。

復(fù)位過程中支架頂部煤或矸石會(huì)大量漏冒，砸壞管線和照明與通訊設(shè)備并堆積在支架間和機(jī)道，不但加大了勞動(dòng)量，還會(huì)影響工作面的通風(fēng)和工作人員安全。

倒架期間工作面生產(chǎn)陷入癱瘓，工作面設(shè)備遭受損壞，工作人員安全受到嚴(yán)重威脅，嚴(yán)重影響了礦井安全生產(chǎn)，給礦井造成了巨大損失。

4支架復(fù)位主要危險(xiǎn)源

大傾角非穩(wěn)定軟煤綜放面支架復(fù)位過程中，主要存在以下危險(xiǎn)源。

2)鋼絲繩崩斷。傾倒支架由絞車牽引扶正，受到煤層傾角和支架自重的影響，工作面下部支架傾倒力矩增大，絞車所提供的拉力增大。支架扶正時(shí)，當(dāng)鋼絲繩受到的拉力大于其破斷拉力時(shí)，鋼絲繩崩斷后出現(xiàn)傷人、損壞設(shè)備等安全問題。掛鉤受較大載荷后變形破壞，導(dǎo)致鋼絲繩脫落傷人安全問題。

3)架間漏矸。扶架時(shí)，傾倒支架被逐漸拉至正常傾角，被扶正的支架與下方傾倒支架會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較大的間隙。當(dāng)間隙寬度超過側(cè)護(hù)板伸出長(zhǎng)度時(shí)，支架頂梁上方的煤矸會(huì)從間隙漏冒下來，容易砸傷工作人員和損壞設(shè)備。

4)單體支柱失穩(wěn)。單體支柱配合絞車上調(diào)傾倒支架，單體支柱斜撐時(shí)受到較大的作用力，易出現(xiàn)打滑、崩柱、斷裂等現(xiàn)象。支架扶正后，由于支架接頂不實(shí)并不能夠?qū)崿F(xiàn)自穩(wěn)，單體支柱斜撐在支架頂梁上，維持支架穩(wěn)定。

5)錨鏈破斷。采用絞車?yán)斄骸⒗锴Ы镯斃擦汉蛦误w支柱配合調(diào)架。拉溜千斤頂與支架采用Φ26mm×92mm錨鏈連接，錨鏈一端用20t的“U”型環(huán)固定在拉溜油缸上，另一端環(huán)繞在支架尾梁千斤頂上。支架扶正后，利用錨鏈在已扶起的每?jī)筛吨Ъ苤?，將支架底座進(jìn)行捆綁，增強(qiáng)支架穩(wěn)定性。錨鏈?zhǔn)艿捷^大載荷時(shí)，易變形破斷。

6)支架后部下滑。扶架時(shí)采用絞車牽引支架頂梁，由于支架后部較重，加劇支架尾部下擺。支架下滑后增大扶架工作量并帶來安全隱患。

7)冒落煤巖塊下沖。大傾角綜放面在扶架期間冒落煤巖塊沿工作面機(jī)道和人行道下沖時(shí)有發(fā)生，安全隱患極大。

在支架復(fù)位期間，嚴(yán)格執(zhí)行動(dòng)態(tài)扶架方案，確保扶架質(zhì)量，每班由質(zhì)量驗(yàn)收員跟蹤驗(yàn)收，嚴(yán)格測(cè)量支架的傾斜度和偏斜度，動(dòng)態(tài)掌握扶架效果，及時(shí)排查并消除安全隱患。

5安全保障技術(shù)

支架復(fù)位時(shí)必須針對(duì)上述危險(xiǎn)源采取相應(yīng)的安全保障技術(shù)，確保扶架安全可靠。

2.3.3 開放性意見 在開放性意見一欄中，49名受訪者給出了建議，其中14名受訪者表示希望能加強(qiáng)宣傳，認(rèn)為目前國(guó)內(nèi)共識(shí)及指南普及不足，獲取途徑不暢。其他意見包括希望指南更加細(xì)化、給出具體講解；希望指南制定流程更規(guī)范等。

1)預(yù)防頂板抽冒。工作面冒頂后造成支架頂梁上方形成空洞，增加了支架的自由度。為了防止支架頂部冒空造成支架傾倒，在全工作面煤幫和支架頂梁前方頂板掛雙層金屬網(wǎng)，并打錨桿固定頂板防止抽冒。錨桿采用Φ20mm×1800mm左旋無縱筋玻璃鋼錨桿，間距為1.5m，排距與刷幫后的深度一致，見圖2。支架尾梁通過架縫掛單層金屬網(wǎng)，防止尾梁頂部及采空區(qū)側(cè)煤矸冒落。通過移架，當(dāng)前梁側(cè)的金屬網(wǎng)處于尾梁部位時(shí)，停止尾梁側(cè)的掛網(wǎng)工作。

1—液壓支架；2—錨鏈；3—單體支柱；4—金屬網(wǎng)；5—錨桿圖2　用戧柱及錨鏈穩(wěn)固已扶正支架

2)預(yù)防鋼絲繩拉斷。鋼絲繩使用之前必須檢查鋼絲繩的磨損、腐蝕、斷絲程度，嚴(yán)禁使用不合格鋼絲繩。絞車底座要穩(wěn)固，絞車運(yùn)行必須可靠，杜絕誤操作。拉掛點(diǎn)要選擇適當(dāng)，使用高強(qiáng)掛鉤確保連接可靠。絞車牽引支架時(shí)，禁止附近人員走動(dòng)。

3)預(yù)防架間漏矸。采用固化劑對(duì)頂板進(jìn)行固化，架前冒頂區(qū)域采用板材進(jìn)行“井”字形絞頂。拉扶支架前，在兩支架間掛雙層金屬網(wǎng)；當(dāng)支架被拉扶至一定角度，相鄰支架間隙達(dá)到約20cm時(shí)，架間就漏出煤矸網(wǎng)兜(圖3)，立即停止拉扶，并進(jìn)行處理。方法是將半圓木和板皮等支護(hù)材料充實(shí)支架間隙，鋪金屬網(wǎng)并用單體液壓支柱支撐。防止支架上方破碎頂板落下傷人，確保人員在安全的條件下操作。

圖3　架間漏出煤矸網(wǎng)兜

4)預(yù)防單體支柱失穩(wěn)。使用單體支柱調(diào)架時(shí)，選擇合理可靠的柱根打設(shè)位置，支柱底部墊150mm×150mm×10mm的木墊板，工作面所有單體支柱都必須拴安全繩，防止發(fā)生支架打滑、崩柱現(xiàn)象。單體支柱注液時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)距離操作，人員要站在被調(diào)支架側(cè)上方的安全地點(diǎn)，嚴(yán)禁支架強(qiáng)升、強(qiáng)降、強(qiáng)拉，嚴(yán)禁單體支柱受力過載，確保支柱可靠。扶架前對(duì)所扶支架斜頂?shù)膯误w支柱進(jìn)行全面檢查，不得出現(xiàn)卸載、串液、漏液等現(xiàn)象。

5)預(yù)防錨鏈破斷。要用新錨鏈并嚴(yán)格檢查錨鏈質(zhì)量，鏈環(huán)無殘次缺陷。鏈條要系在支架連桿上以防彈跳。鏈條附近嚴(yán)禁站人。

6)預(yù)防支架后部下滑。采用千斤頂配合錨鏈拉尾梁以防支架下滑。

7)預(yù)防冒落煤巖塊下沖。大傾角綜放面在扶架期間在機(jī)道嚴(yán)格設(shè)隔擋。隔擋用單體柱、板材和柔性網(wǎng)搭建而成，以防冒落煤巖塊沿機(jī)道下沖，確保人員和設(shè)備的安全。

長(zhǎng)山子煤礦1121綜放工作面采用上述安全保障技術(shù)確保了歷時(shí)50多天扶架期間的安全，未發(fā)生重傷及以上事故。

6結(jié)論

1) 大傾角非穩(wěn)定軟煤綜放開采時(shí)，支架穩(wěn)定性差易傾倒下滑。工作面發(fā)生倒架事故后，生產(chǎn)停頓，安全隱患極大。

2)處理倒架事故難度大、時(shí)間長(zhǎng)，支架扶正時(shí)存在頂板抽冒、架間漏矸、冒落煤巖塊下沖等多種危險(xiǎn)源。

3)通過分析扶架時(shí)存在的安全隱患，并采取相應(yīng)的安全保障技術(shù)，確保支架復(fù)位時(shí)人員和設(shè)備的安全。

4)1121綜放工作面采取了多項(xiàng)安全保障技術(shù)，在50多天的扶架過程未發(fā)生重傷及以上事故。

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Safety reduction of powered supports tipping in steeply dipping unsteadysoft seam fully mechanized caving face

YUN Dong-feng1，2，LIU Zhu1，SU Pu-zheng1，2，MENG Xiao-jun1，ZHANG Yuan-hao1

(1.School of Energy，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；2.Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention Ministry of Education，Xi’an 710054，China；)

Abstract:In steeply dipping soft seam fully mechanized caving face，support and surrounding rocks are unstable cause powered supports stability decreased，supports are easily toppling and sliding.When the working face occurred support toppling，righting support is very difficult and many hidden safety dangers.Analysis the main dangerous sources in safety reduction of 1121 steeply dipping unsteady soft seam fully mechanized caving face in Changshanzi coal mine.Based on existing dangerous sources，take relevant safety guarantee technology to ensure staff and equipment safety in righting powered supports.Safety assurance technology is strictly making and implement t in 1121 fully mechanized caving face，to ensure the safety during righting powered supports，powered supports recovered to normal work and ensure safety production.

Key words：steeply dip；soft seam；fully mechanized caving face；powered supports tipping；safety reduction

收稿日期：2015-03-13

作者簡(jiǎn)介：贠東風(fēng)(1962-)，陜西臨潼人，教授，主要從事復(fù)雜煤層開采、高動(dòng)壓巷道支護(hù)與采礦系統(tǒng)復(fù)雜性的教學(xué)與科研工作。

中圖分類號(hào)：TD355+.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4051(2016)01-0131-04