大采高綜采工作面液壓支架傾倒原因分析及改進(jìn)

祁惠星

（陽煤集團(tuán)二礦調(diào)度室， 山西 陽泉 045000）

引言

目前，我國厚煤層的開采主要集中在采高為3.5～7.0 m的煤層上，在開采這些煤層時(shí)，大部分煤礦所采用的采煤方法是綜采采煤法，但是隨著采煤高度的不斷上升，液壓支架的穩(wěn)定性出現(xiàn)了新的問題，其中最嚴(yán)重的就是液壓支架倒架。液壓支架發(fā)生傾倒是由于支架的頂梁與底座之間發(fā)生了相對移動，使支架沿著煤層傾向產(chǎn)生了位移，當(dāng)距離煤層頂板的法線方向較遠(yuǎn)時(shí)，支架所受到的合力就會發(fā)生偏移，超出支架的下邊緣，從而使支架傾倒。而對于大采高綜采工作面來說，為了取得良好的支護(hù)效果，一般采用兩柱掩護(hù)式支架，但是這種支架的高度較一般支架的高度高，同時(shí)重心靠前，因此，此類支架更容易發(fā)生傾倒，從而影響工作面的正常生產(chǎn)。經(jīng)過多年的實(shí)踐可知，液壓支架的倒架現(xiàn)象不僅會發(fā)生在傾角較大的工作面，還會發(fā)生在緩斜甚至是近水平工作面。除此之外，當(dāng)工作面的管理以及液壓支架的操作出現(xiàn)問題時(shí)，也會影響支架的穩(wěn)定性，從而引起倒架現(xiàn)象的發(fā)生。就目前的研究情況來說，大部分液壓支架傾倒都發(fā)生在開采高度為4.5 m以上的煤層中，而開采高度為7.0 m的緩傾斜工作面的倒架在我國還沒有研究，因此在這種情況下，倒架現(xiàn)象一經(jīng)發(fā)生，就較難處理，故本文基于某礦大采高工作面的實(shí)際情況，對開采高度為7.0 m的綜采工作面的倒架原因進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的處理措施及對策。

1 礦井工作面概況

該礦擁有較為復(fù)雜的地質(zhì)條件，其頂板條件不好，容易發(fā)生破碎，而煤質(zhì)也比較松軟，在這種開采條件下，所采煤層的埋藏深度在353～455 m之間，煤層的平均開采厚度為6.3 m，且煤層為緩傾斜煤層，煤層傾角為3°～9°。本文所研究的大采高綜采工作面的最大開采高度為7.0 m，其直接底和基本頂主要由泥巖組成，而直接頂?shù)膸r石則主要由是泥巖或者砂質(zhì)泥巖，老底則為細(xì)粒砂巖。該工作面的走向長度為550 m，工作面長度為270 m。在進(jìn)行采煤作業(yè)時(shí)，工作面主要采用三機(jī)配套的設(shè)備，設(shè)備主要情況見表1。同時(shí)表2說明了該工作面所采用的中間支架的主要參數(shù)情況。

表1 工作面設(shè)備配套情況

表2 中間支架主要參數(shù)

2 支架倒架情況

在進(jìn)行采煤作業(yè)時(shí)，工作面不斷向前推進(jìn)，當(dāng)推進(jìn)長度為210 m時(shí)，液壓支架的穩(wěn)定性出現(xiàn)了問題，引起了大面積倒架現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)還出現(xiàn)了煤壁片幫。就整個工作面而言，主要是工作面下部的液壓支架發(fā)生了不同程度的傾倒，傾倒后支架呈臺階分布。在支架傾倒最嚴(yán)重的區(qū)域，其傾倒的角度最大為27°，此時(shí)支架的頂梁已經(jīng)不能發(fā)生移動，側(cè)護(hù)板完全失去作用。

由于該礦的液壓支架自動化程度較高，均由電液控制，因此在傾倒事故發(fā)生以后，可以通過相應(yīng)的傳感器，測出液壓支架此時(shí)的工作阻力以及頂梁傾斜的角度。從傳感器的操作界面上我們可以清晰的看到傾倒的角度情況，以此來判斷倒架的嚴(yán)重程度。圖1顯示了沿煤層傾向的支架傾斜角度的變化情況。

圖1 支架傾斜角度變化（沿煤層傾向）

3 倒架原因分析

3.1 液壓支架上部漏頂較為嚴(yán)重

從該工作面的實(shí)際情況來看，其機(jī)尾的一端所處的位置與斷層相距非常近，受斷層的影響，該位置的頂板松軟，非常容易發(fā)生破碎。而在倒架現(xiàn)象發(fā)生以后，通過實(shí)地勘測可知，從發(fā)生傾倒的液壓支架開始，上部的頂板就發(fā)生了破碎，且破碎程度較高，從而造成了工作面頂部發(fā)生漏空，煤矸石大量堆積。同時(shí)，隨著工作面的不斷推進(jìn)，上覆巖層所受到的圍巖應(yīng)力增大，當(dāng)支架傾倒、工作面停止生產(chǎn)后，上覆巖層對頂板所造成的壓力也在不斷加大，這使得煤層頂板在不斷下沉，并在下沉過程中發(fā)生更大的破碎。此時(shí)對于液壓支架來說，由于支架發(fā)生了傾斜，其受力狀況發(fā)生了變化，影響了支架的支撐效果，這更加劇了頂板的下沉，正是這三方面的原因使頂板發(fā)生了極為嚴(yán)重的漏頂現(xiàn)象。除此之外，由于工作面停止生產(chǎn)的時(shí)間較長，煤壁也發(fā)生了不同程度的片幫，其中最嚴(yán)重的區(qū)域，片幫的深度高達(dá)4.0 m。

在工作面上部發(fā)生漏頂?shù)那闆r下，支架會失去支撐，使其穩(wěn)定性變差?；谠摿W(xué)模型，對支架進(jìn)行受力分析可知，支架發(fā)生向下滑動的最小角度為11°，而支架發(fā)生傾倒的最小角度為15°，所以在原始狀態(tài)下，支架是不會發(fā)生傾倒的，但是發(fā)生傾倒時(shí)的支架傾角一般大于15°，因此當(dāng)工作面上部發(fā)生漏頂時(shí)，支架的傾倒更為嚴(yán)重。

3.2 偽斜控制不當(dāng)

如圖2所示，在綜采工作面進(jìn)行調(diào)偽斜時(shí)，工作面上下部的推進(jìn)速度不一致，使輸送機(jī)下部的偽斜角度增大，從而導(dǎo)致工作面下部的膠帶輸送機(jī)向上發(fā)生位移，此時(shí)上部輸送機(jī)在下部輸送機(jī)的作用下向下發(fā)生移動，使支架與膠帶輸送機(jī)的連接處發(fā)生偏移，上部的支架慢慢向下方傾斜，如此反復(fù)作業(yè)，工作面上部的膠帶輸送機(jī)以及支架都會向下發(fā)生不同程度的傾斜。同樣的，支架也會在膠帶輸送機(jī)的作用下向上發(fā)生位移，對中間的支架造成擠壓，經(jīng)過多次作用后，支架的頂梁就會被頂死。在之后的降架過程中，由于頂梁無法實(shí)現(xiàn)自己的作用，支架的底座最終會被抬高，從而影響支架的穩(wěn)定性，使支架傾倒。

圖2 工作面中上部膠帶輸送機(jī)向下發(fā)生移動示意圖

3.3 煤層松軟，防傾倒措施不完善

該礦井工作面的煤層較軟，其底板的巖石大部分為泥巖，承受壓力的程度較低，一旦支架發(fā)生傾倒，底座的上部就會離地發(fā)生一定的位移，而下部則會向下扎底，這會加劇支架的傾倒，使支架失去穩(wěn)定性。另外，由于礦井中的防滑防倒裝置不完善，甚至沒有相應(yīng)的裝置，使支架在發(fā)生傾倒時(shí)缺乏有效的橫向約束，此時(shí)當(dāng)支架間的千斤頂被拉斷時(shí)，支架就會不可避免的發(fā)生傾倒了。

3.4 工作面推進(jìn)緩慢，事故發(fā)生時(shí)未及時(shí)采取措施

在液壓支架剛開始發(fā)生傾倒時(shí)，由于工作面頂板漏空現(xiàn)象的發(fā)生，大量的煤矸石下落，對工作面的設(shè)備造成了極大的破壞，由于這部分煤矸石未得到及時(shí)的處理，使工作面的正常生產(chǎn)受到了影響，加劇了頂板的漏空，同樣的，當(dāng)工作面上存在有大量的煤矸石時(shí)，推進(jìn)速度就會變慢，使其陷入了一個惡性循環(huán)。另外，由于井下工作人員的認(rèn)識不足，未采取合理有效的調(diào)架措施，最后導(dǎo)致事故加重，難以處理。

4 支架傾倒的治理措施

當(dāng)工作面的開采高度在4.5 m以下時(shí)，一旦支架發(fā)生了傾倒，往往會在煤層頂板上架設(shè)網(wǎng)上板梁，或者采用單體液壓支柱設(shè)置走向抬棚，但是一般的支柱其最大支撐高度為4.5 m，當(dāng)采高為7.0 m時(shí)就不適用了，因此為了解決7.0 m大采高綜采工作面對倒架問題，特提出了以下解決措施：

1）對于煤層較松軟，頂板易發(fā)生破碎的工作面來說，要想防止頂板漏空程度的加劇，必須對支架上部的頂板進(jìn)行灌漿，使?jié){液充分地注入到煤體的裂隙中，增強(qiáng)煤體的內(nèi)摩擦力，提高煤體的穩(wěn)定性和抗壓能力。

2）為了防止煤壁發(fā)生片幫，需要沿著煤層的頂板進(jìn)行擴(kuò)幫，使其在煤壁的下部形成一個3 m高的臺階，同時(shí)在開采條件允許的情況下，采用臺階割煤的方式可以很好的防治煤壁片幫。

3）采用錨索槽鋼抬棚來對頂板進(jìn)行進(jìn)一步的支護(hù)，以防止頂板冒落進(jìn)一步的發(fā)生，同時(shí)設(shè)置網(wǎng)片，必要條件下可以安設(shè)“井字型”木垛。

4）為防止支架的二次傾倒以及設(shè)置合理的防倒防滑裝置，應(yīng)該設(shè)置斜拉千斤頂，并配合單體液壓支架來聯(lián)合對支架進(jìn)行橫向約束。同時(shí)，在擴(kuò)建后的巷道臺階上沿著傾斜方向打兩根懸浮單體液壓支柱，以對支架前梁起到支撐作用。

5 預(yù)防支架傾架的措施

根據(jù)礦井的實(shí)際情況，基于工作面的地質(zhì)條件，采取有針對性的措施來對支架的傾倒進(jìn)行預(yù)防，一旦支架出現(xiàn)問題，要及時(shí)采取對策；提高工作面向前推進(jìn)的速度，減少煤層頂板承受圍巖應(yīng)力的時(shí)間，使煤層頂板下沉的速度變慢；設(shè)置合理的防倒防滑裝置，并將工作面的前面三架支架鎖在一起，為中間的支架提供穩(wěn)定的支撐點(diǎn)；最后加強(qiáng)支架的維修與保養(yǎng)，避免支架發(fā)生液壓油泄露的現(xiàn)象，同時(shí)，移架后要及時(shí)升緊支架，確保支架的初始支撐力達(dá)到要求值。

6 結(jié)語

通過采取的一系列的措施，該礦工作面支架的傾倒得到了良好的改善，工作面的生產(chǎn)也恢復(fù)了正常。由于開采高度為7.0 m的工作面的液壓支架倒架的問題目前還沒有很成功的處理方案，因此，該問題的解決可為大采高綜采工作面的長遠(yuǎn)發(fā)展提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)，還加強(qiáng)了支架的穩(wěn)定性，為破碎頂板的支護(hù)提供了一種新的解決途徑。