余有存

(淮南礦業(yè)集團有限責任公司謝一礦)

大傾角斜井煤柱綜采支架選型分析

余有存

(淮南礦業(yè)集團有限責任公司謝一礦)

大傾角煤層開采后采場圍巖礦壓顯現規(guī)律、頂板巖層變形、破壞和運動形式不同于近水平煤層。依據謝一礦4671B4大傾角綜采工作面地質賦存條件，對該工作面支架的安全性進行了分析?，F場監(jiān)測表明：大傾角綜采工作面地質條件確定的支架工作阻力，基本能夠控制大傾角采場覆巖運動的礦壓顯現，滿足工作面支架選型的安全性。并針對該工作面傾角較大的特點，提出預防工作面冒頂壓架以及支架倒滑的技術措施，以期實現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，但煤層賦存條件復雜，煤層傾角變化較大，開采方法多樣。工程實踐表明，大傾角煤層開采后，采場頂板巖層的變形、破壞、運動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，采場圍巖在開采中形成的結構也各有特點。國內外學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、設備、采場圍巖控制等諸多方面。尹光志等[1]通過室內光彈性模擬模型試驗和工作面現場礦壓實測，對大傾角煤層工作面開采后采場圍巖礦壓分布規(guī)律進行了研究。黃建功[2]根據大傾角煤層采場礦壓顯現特點，對采場頂板巖層運動、破壞形式進行了研究。林忠明等[3]從靜力學角度對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力分布特征。伍永平等[5]采用FLAC3D對大傾角煤層群走向長壁開采進行了數值模擬研究。袁永等[6]對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)方式的機制進行了研究。

以上研究主要針對大傾角煤層綜采工作面開采采場圍巖礦壓分布規(guī)律的較多，有關大傾角綜采工作面的支架選型以及支架防滑措施等相關方面的研究仍需進一步深入。為此，本文針對大傾角煤層開采后采場圍巖礦壓顯現規(guī)律、頂板巖層變形、破壞和運動形式的特點，依據綜采工作面支架選型經驗，結合淮南礦區(qū)謝一礦井4671B4大傾角綜采工作面地質條件，對工作面支架選型安全性進行了分析，并提出預防工作面冒頂壓架以及支架防滑的技術措施，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)有限責任公司謝一礦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，上限標高-580.0 m，下限標高-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，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°)；直接頂為砂質泥巖(厚約7.2 m)，老頂為中砂巖(厚約14.4 m)；直接底為砂質泥巖(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。工作面范圍內地質構造條件復雜，中小型斷裂構造發(fā)育，根據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，對回采影響最為嚴重；另外，F12-16、F12-15、Fe斷層大于1/2煤厚，對回采影響較嚴重。因此，為防止施工期間頂板、水及瓦斯等事故的發(fā)生，應編制過斷層施工安全技術措施。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總回風石門、-600 m B4回風巷內可能有積水，預計最大涌水量1 m3/h，正常涌水量0.2 m3/h。4671B4綜采工作面地面對應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，回采將對地面對應位置造成塌陷。

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片幫、冒頂和局部壓架等現象，嚴重影響工作面的安全開采。

1.2 工作面支架選型

1.2.1 液壓支架額定支護強度計算

根據礦壓及其控制理論中的采場頂板壓力，計算液壓支架額定支護強度為

Pn=KMγ,

(1)

式中，K為增載系數，一般取6～11，老頂級別越高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。

將數據代入式(1)計算得Pn=720 kN/m2.

1.2.2 液壓支架額定工作阻力計算

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。

將數據代入式(2)計算得Fs=7 200 kN.

1.2.3 支架選型

考慮大采高工作面頂底板巖性，選取額定支護阻力為7 200 kN，227200/22/45型支撐掩護式綜采液壓支架，其示意圖見圖1。

ZZ7200/22/45型支撐掩護式綜采液壓支架適用于我國厚及中厚煤層的開采，并針對淮南礦區(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)點的基礎上設計制造的，可與運輸機、采煤機、過渡支架配套使用，實現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、移架和運煤等綜合機械化作業(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構件、液壓系統(tǒng)和防倒、防滑、調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；通過掩護梁及前、后連桿與底座各自鉸接構成四連桿機構，承受支架所受的水平力和側向力；頂梁、前連桿和底座分別預設防倒、防滑連接耳座及調架和抬底座裝置；頂梁設有伸縮梁和側護板，伸縮梁前端設有護幫板，防護性能好，支架縱橫穩(wěn)定性強。該支架能起到支護工作面頂板、掩護采煤機及輸送機工作空間的作用，使采煤機一次采完工作面高度，并由輸送機將采下的煤運出。通過割煤、移架、推溜等工序組成作業(yè)循環(huán)，實現綜采機械化連續(xù)生產。

4671B4大傾角綜采工作面采用走向長壁后退式綜合機械化采煤法，工作面安裝120架ZZ7200-22/45型四柱掩護式液壓支架(額定工作阻力7 200 kN，初撐力為6 184 kN，可調高度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證

回采工作面傾角較大時，其上覆巖層形成的結構及其運動規(guī)律也發(fā)生變化。采用大傾角綜采工作面礦壓觀測，對研究大傾角條件下工作面上覆巖層結構及其運動特征，掌握大傾角工作面初次來壓、周期來壓規(guī)律，探討大傾角采場支架-圍巖關系及其分析支架選型的安全性極為重要。

礦壓監(jiān)測點布置如圖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)測位置綜采支架工作阻力隨工作面推進距離的變化關系，各測點不同時期的來壓步距見表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，在沒有斷層構造等復雜地質條件下，基本上能保證工作面的正?；夭?。

圖2 礦壓監(jiān)測點布置平面

圖3 各支架工作阻力隨工作面推進距離的變化關系

表2 各測點大傾角綜采工作面不同時期來壓步距 m

由表2可知，4671B4大傾角綜采工作面屬于Ⅱ級來壓明顯頂板。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)，應分區(qū)域加強采場頂板的控制。

2.2 大傾角綜采工作面支架防倒滑技術

(1)調節(jié)工作面推進速度。工作面非來壓期間保持正常推進速度，使頂板充分垮落，減小采空區(qū)的大面積懸頂空間，避免工作面推進速度過慢，頂板巖梁下沉充分，增大支架工作阻力，導致安全閥多次開啟；工作面來壓期間快速推進，減小頂板巖梁回轉下沉量，以及對支架的沖擊載荷，避免在工作面來壓期間進行設備檢修，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，導致壓降大，且第二次注液不及時或不進行注液，支架實際初撐力較低。因此，應加強支架初撐力管理，當初撐力不達標時，應及時檢查泵站壓力和管路漏液情況，及時補液。

(3)控制工作面回采高度。工作面正常推進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，必須及時移架進行支護，阻止漏矸，加強工作面端頭支護，做好冒頂壓架的處理預案。

(4)加強支架工作阻力監(jiān)測。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，應采取適當的技術措施以預防冒頂壓架。

(5)及時支護工作面煤壁，保證支架護幫板對煤壁及時強勁有效的支撐，保證煤壁對頂板的有效支撐，從而使煤壁承擔更多的上覆巖層壓力，減少作用于支架上的載荷。

3 結 論

(1)依據綜采工作面支架選型經驗，并結合4671B4大傾角綜采工作面煤層賦存地質條件，對工作面支架選型進行了分析，為實現大傾角綜采工作面安全生產提供保障。

(2)現場監(jiān)測表明，大傾角綜采工作面支架工作阻力隨工作面推進變化，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，應分區(qū)域加強采場頂板控制。

(3)通過調節(jié)工作面推進速度、保證支架初撐力、控制工作面回采高度、加強支架工作阻力監(jiān)測、及時支護工作面煤壁等技術措施，實現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圍巖礦壓分布規(guī)律光彈性模量擬模型試驗及現場實測研究[J].巖石力學與工程學報,2010，29(增1):3336-3343.

[2] 黃建功.大傾角煤層采場頂板運動結構分析[J].中國礦業(yè)大學學報,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].煤炭學報,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規(guī)律[J].采礦與安全工程學報,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)律數值模擬及復雜性分析[J].采礦與安全工程學報,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)機制及控制[J].采礦與安全工程學報,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。