大傾角工作面破碎頂板支架穩(wěn)定性控制技術

高艷明

(霍州煤電集團有限責任公司 龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200)

1 工程概況

霍州煤電集團龐龐塔礦9-301工作面主采9#煤層，位于9#煤三采區(qū)，埋深約為370 m.9#煤層厚度9～13.55 m，平均為11.8 m，煤層傾角4°～24°，平均14°，屬于大傾角煤層。工作面采用綜采放頂煤的采煤工藝，采煤高度為3.2 m，放煤高度為8.6 m，采放比為1∶2.69. 9-301工作面共揭露9條斷層，斷層處由于煤層的節(jié)理裂隙較為發(fā)育，致使頂板破碎，9-301工作面為大傾角綜放工作面，在回采過程中極易出現(xiàn)支架傾斜倒架事故，故為確保支架的穩(wěn)定性，使工作面安全通過頂板破碎區(qū)域，需采取有效的控制技術。

2 大傾角綜放面支架穩(wěn)定性分析及控制技術

2.1 液壓支架穩(wěn)定性分析

針對大傾角綜放工作面，液壓支架的控制問題為一個最基本和最重要的問題[1-2]，大傾角綜放工作面支架失穩(wěn)的主要表現(xiàn)形式為兩種：支架沿工作面下滑與支架傾斜倒架。

1) 支架倒架穩(wěn)定性分析。

由于大傾角綜放工作面礦壓顯現(xiàn)較為劇烈，頂煤的冒落易致使支架上部失去約束而發(fā)生傾倒[3-4]. 現(xiàn)主要分析頂板冒空條件下和移架過程中支架傾倒的控制條件。

a) 頂板(煤)冒空時支架傾倒的控制條件。

頂板冒空時支架受到的作用力主要包括：自身重力和底板對支架的作用力，受力模型見圖1.

G—支架的重力 H—支架的實際支承高度 W1—底板對支架底座的正壓力 α—煤層傾角 B—支架的底座寬度 μ1—支架底座與底板間的摩擦系數(shù) Hg—支架的重心高度圖1 頂板冒空時支架傾倒的力學模型圖

考慮到液壓支架相對于底座下側邊緣O3點處于向下傾倒時W1的力臂趨于0，能夠得出支架倒架時的方程為：

(1)

據(jù)此能夠得出支架在自重條件下出現(xiàn)翻倒時，煤層傾角的表達式：

(2)

根據(jù)式(1)、式(2)可知，當頂板冒空時，支架出現(xiàn)翻倒時臨界的煤層傾角為αm1=arctanB/2Hg.

b) 移架過程中支架倒傾的控制條件。

此處主要對頂板在未出現(xiàn)冒空時支架的受力狀態(tài)進行分析，支架移架過程中走向剖面的受力圖見圖2.

F1—移架過程中單根前柱立柱的殘余支撐力 T1—支架的拉架力 θ1—前立柱與底板法線之間的夾角 F2—移架過程中單根后立柱的殘余支撐力 W1—底板對支架底座的正應力 W2—頂煤對頂梁的正壓力 W3—頂煤對掩護梁的正壓力 f1W1—底板作用于沿走向方向的實際水平力 f2W2—頂煤作用于頂梁沿走向水平力f3W3—頂煤作用于掩護梁沿傾向實際水平力圖2 移架過程中支架走向剖面受力圖

對于作用于支架掩護梁上的作用力W3表達式為：

W3=γBhmcosα

(3)

式中：

γ—上覆巖層的重量；

m—掩護梁在走向水平的投影長度；

h—放煤高度；

B—支架寬度。

分別取頂梁、頂梁與掩護體為隔離體，以O1、O2為支點取距，由∑Mo1=0∑Mo2=0，再聯(lián)立式(3)能夠得出：

(4)

式中，L1、L2、L3、L4分別為前柱支撐力F1對O1的力臂、后柱支撐力F2對O1的力臂、后柱支撐力F2對O2的力臂、前柱支撐力F1對O2的力臂；l2、l3、l4、l5、l6分別為W2對O1的力臂、W3對O2的力臂、O1對O2的水平距離、f2W2對O2的力臂和f3W3對O2的力臂，其余符號含義同上。將支架在擦頂前移時需承受的最小頂板荷載用Qm表示，則保障支架擦頂前移的最低要求可表達為：W2=Qm；當假設綜放支架前后柱支撐力分別相等并滿足一定比例時，結合式(4)可得出支架擦頂前移時立柱殘余支承強度為：

Fm1=

(5)

式中，lg1為G1對O1點的力臂；lg2為G2對O2點的力臂，其余符號含義同上。

2) 支架下滑穩(wěn)定性分析。

在大傾角的條件下，支架本身存在著傾斜向下的下滑分力，對單個液壓支架來說若未采取相應措施，支架會沿著煤層的傾向出現(xiàn)下滑現(xiàn)象，致使擠架或咬架事故的出現(xiàn)[5].

a) 頂板(煤)冒空時支架下滑的控制條件。

支架不發(fā)生下滑現(xiàn)象，底板與支架底座之間的摩擦力需大于支架自重分力的下滑力，即為：

μ1W1≥Gsinα

(6)

再根據(jù)支架保持平衡時，有W1=Gcosα，聯(lián)立式(6)有：

α≥arctanμ1

(7)

說明在頂板冒空的條件下，支架在自身重力的作用下發(fā)生下滑的臨界煤層傾角為αm2=arctanμ1.

b) 移架過程中支架下滑的控制條件。

支架在移架過程中發(fā)生下滑位移的原理與頂板漏空條件下綜放液壓支架下滑的原理相似，具體支架移架過程中的受力見圖3.

圖3 移架過程中支架傾向受力剖面圖

根據(jù)圖3中沿著垂直于底板法向方向上的平衡條件W1=W2+Gsinα，并用μ2表示支架頂梁與頂板間的摩擦系數(shù)時，可知保證支架不發(fā)生下滑的W2表達式為：

(8)

結合W2的表達式可知：

(9)

當式(9)等號成立時，即可得出防止支架下滑的立柱殘余支撐力的最小值Fm2.

為從根本上防止支架發(fā)生傾倒，取支架為隔離體，力臂仍取B/2，由∑Mo2=0有：

(10)

聯(lián)立式(4)和式(10)能夠得出支架不出現(xiàn)向下翻倒立柱殘余支撐力最小值為：

(11)

由于Fm為帶壓移架過程中防止支架發(fā)生傾倒的立柱殘余支撐力的最小值，為保證支架不會出現(xiàn)倒傾現(xiàn)象，則實際支撐力F需滿足：F>Fm，其中Fm為3個立柱殘余支撐力的最大值，即為：

Fm=max{Fm1,Fm2,Fm3}

(12)

2.2 9-301綜放工作面支架控制參數(shù)確定

9-301綜放面使用ZF12000/22/35放頂煤液壓支架，支架寬度B=1.5，高度H=2.4 m，重心高度Hg=1.35 m,為保證支架的穩(wěn)定性，需計算出工作面下滑傾倒的臨界角αm，可得出αm=min{αm1,αm2}=15.6°，即為保證支架不發(fā)生下滑倒架事故需保證工作面傾角小于15.6°，但由于工作面最大傾角為36°，故在開采時需采取防倒防滑措施。

以煤層最大傾角36°，確定支架帶壓移架時的最小殘余支撐力Fm，根據(jù)式(12)有：

Fm=max{Fm1,Fm2,Fm3}=43 845.57 kN

(13)

由于F1=F，F(xiàn)2=λF，取安全系數(shù)為1.3，得出支架整架的最小殘余支撐力為：

F整m=2(F1+F2)·1.3=223 kN

(14)

故得出在進行帶壓移架時ZF12000/22/35型支架整架殘余支撐力應大于223 kN. 綜合上述分析，為保證回采過程中支架的穩(wěn)定，應使支架的殘余支撐力達到要求，但控制支架的殘余支承力較難操作和掌握，因此，改造液壓支架防止支架倒架下滑，具體如下：

1) 在支架后柱后部底座的平臺處，將底座左右兩側的方板割開，并在內(nèi)部安裝套筒焊接牢固，在套筒上安裝能夠進行左右旋轉的耳軸，將相鄰支架通過d100 m的千斤頂固定到耳軸上，并將千斤頂?shù)墓苈方雍茫ㄟ^控制千斤頂?shù)纳炜s，實現(xiàn)支架角度的調(diào)整。

2) 在工作面中部支架的底座前部與后部分別安設耳軸，以增設油缸拉運輸送機，減少運輸機的下滑，同時每隔3～5個支架，加設一組防滑油缸，確保支架不會在運輸機的帶動下出現(xiàn)下滑。

3) 工作面支架每隔5～10架設壓桿油缸。將油缸的上端安裝到支架頂梁上，其下端對著支架的推移連桿。在進行機割或推移運輸機的操作時，通過將壓桿油缸伸長壓在支架推移連桿上，保證推移連桿與底板緊貼，不出現(xiàn)上翹現(xiàn)象。

3 大傾角綜放面支架穩(wěn)定性控制技術實踐

3.1 礦壓觀測分析

在9-301工作面回采期間，通過對液壓支架的工作阻力進行監(jiān)測，得出工作面液壓支架的工作阻力、頂板的來壓步距，并觀察支架立柱的傾角。具體測站布置位置見圖4.

圖4 測站布置位置示意圖

根據(jù)液壓支架工作阻力的監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠得出直接頂?shù)某醮慰迓洳骄嗉s為12.8 m，基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄酁?2.8 m，周期來壓步距約為21 m. 具體測站監(jiān)測分析得到的支架立柱液壓數(shù)據(jù)見表1.

表1 支架立柱液壓數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可知，工作面回采期間各測站的液壓支架的工作阻力均為正常狀態(tài)，另外通過觀測支架立柱的傾角，得出回采期間支架立柱傾角向上偏離0°～8°. 綜合上述數(shù)據(jù)可知，回采過程中支架得到了有效的管理，基本以穩(wěn)定狀態(tài)工作，支架的俯仰角、綜放面的空頂范圍及支架低頭或抬頭現(xiàn)象均得到了合理控制。

3.2 支架穩(wěn)定性控制效果分析

對9-301工作面實施了支架防倒防滑措施，據(jù)礦壓觀測數(shù)據(jù)可知，支架立柱傾向的平均偏離角度在合理范圍內(nèi)，支架的工作阻力均為正常狀態(tài)，在整個回采過程中支架及運輸機等設備未出現(xiàn)傾倒和下滑現(xiàn)象，實現(xiàn)了9-301工作面在大傾角條件的綜放開采，保障了回采工作安全高效進行。

4 結 論

1) 通過建立綜放工作面液壓支架的力學模型，對大傾角支架出現(xiàn)傾倒與下滑現(xiàn)象的臨界極限條件進行了分析計算，得出頂板冒空時支架不發(fā)生傾倒與下滑現(xiàn)象時煤層的臨界傾角αm1、αm2，以及支架在進行擦頂移動時保證支架不出現(xiàn)下滑、傾倒時立柱最小初撐力Fm1、Fm2.

2) 根據(jù)力學模型分析得出，進行帶壓移架作用時保持支架穩(wěn)定的最小殘余支撐力的表達式，從而計算出保證9-301綜放工作面ZF12000/22/35型液壓支架需要的最小殘余支撐力為233 kN，并提出了保證支架穩(wěn)定的防倒防滑措施。

3) 根據(jù)礦壓觀測數(shù)據(jù)可知，工作面進行回采工作時液壓支架均處于正常工作狀態(tài)，支架立柱傾斜向上的偏離角度為0°～8°也在合理范圍內(nèi)，對大傾角綜放面實施支架的防倒防滑措施防止了支架出現(xiàn)下滑與倒架事故，實現(xiàn)了工作面的安全高效回采。