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        三軟厚煤層綜采支架失穩(wěn)機理及防治措施

        2016-12-23 07:12:23車云立
        中國煤炭工業(yè) 2016年8期
        關(guān)鍵詞:采煤機支架

        文/車云立

        三軟厚煤層綜采支架失穩(wěn)機理及防治措施

        文/車云立

        平頂山礦區(qū)煤炭采掘已經(jīng)進入到深部開采階段,與淺部開采相比,深部開采不僅大大提高了采礦成本,而且隨著深度的增加,采礦環(huán)境也隨之發(fā)生了變化,尤其是高溫、高地應力的影響,增加了開采難度。尤其是開采三軟厚煤層時,隨著煤壁和綜采支架高度的增加,會極大影響采場圍巖與支架穩(wěn)定性。綜采支架倒架、下滑和歪斜等事故發(fā)生的幾率也遠高于一般采高的綜采工作面。如再遇到其他復雜地質(zhì)條件(如斷層、節(jié)理、褶曲、陷落柱、煤層局部傾角變大、水、火、瓦斯等)更增加了開采難度和經(jīng)濟成本投入。因此,深入、系統(tǒng)地開展三軟厚煤層大采高回采工藝研究,是實現(xiàn)礦區(qū)安全、高效生產(chǎn)所必須解決的難題。本文對該條件下的綜采支架失穩(wěn)機理進行了探討,并經(jīng)過實踐檢驗,有效控制了支架失穩(wěn),對于今后其他類似煤層開采提供了有益的參考。

        一、工程地質(zhì)條件概況

        平煤天安十一礦己16-17-24011工作面風巷平均標高-659.04m;機巷平均標高-687.39m。采面傾斜長平均150m,可采走向平均長1625m。煤層傾角為0~32°,平均12.6°。采面煤層厚度較穩(wěn)定,煤厚3.80~10.5m,一般8.00m。在掘進過程中共揭露13條斷層,最小為0.50m,最大為4.00m??油柑綔y構(gòu)造發(fā)育區(qū)1個,推斷斷層6條。其中,KF2斷層、向斜軸部褶曲發(fā)育區(qū)、KF5斷層、KF6斷層附近構(gòu)造相對復雜,對回采影響較大。

        煤層直接頂板為細砂巖或砂質(zhì)泥巖,厚度為1.50~3.10m,平均2.60m,局部夾1~2層厚度為0.10~0.20m的煤線。其中,56勘探線以東直接頂以細砂巖為主;以西以泥巖或砂質(zhì)泥巖為主,層理及節(jié)理發(fā)育,易冒落。老頂為砂質(zhì)泥巖或砂巖與砂質(zhì)泥巖互層。煤層直接底為8.0m厚的泥巖,遇水膨脹,局部存在0.20~0.30m厚的煤線。老底為10.0m左右厚的灰?guī)r。

        工作面設(shè)計采高3.5m~4.0m。安裝100組ZY6400-23.5/45型掩護式支架支護頂板。采用MG-300/700-WD型雙滾筒采煤機與1臺SGZ-764/2× 250型刮板輸送機和1臺SZZ-764/200型轉(zhuǎn)載機配合使用。

        二、綜采支架失穩(wěn)機理分析

        綜采支架失穩(wěn)形式主要有三種:橫向失穩(wěn)(傾倒)、縱向失穩(wěn)(下滑)和支架扭斜。

        1.橫向失穩(wěn)

        支架橫向失穩(wěn)具體表現(xiàn)為支架傾倒,它受工作面傾角、支架自重、頂?shù)装寮s束力、支架重心高度、采高、相鄰支架擠壓力等要素影響。

        當采場支架受向上的力大于等于向下的力時,支架保持穩(wěn)定狀態(tài),即:

        式中:Ts—來自相鄰支架上方的擠壓力,kN;

        Tx—來自相鄰支架下方的擠壓力,kN;

        h—支架支護高度,m;

        B—支架底座寬度,m;

        C—支架重心高度度,m;

        P—支架頂板壓力,kN;

        W—支架自身的重量,kN;

        α—工作面傾角,度;

        R—底板所受的反力,kN;

        f1—頂板與支架磨擦系數(shù),0<f1<1;

        f2—底板與支架磨擦系數(shù),0<f2<1。

        當單個支架傾倒時,傾倒支架的左右相鄰約束都為0,即:Ts=Tx=0。

        當頂板破碎,支架空頂,頂板約束力P=0,則,式(1)化簡為:

        當支架受頂板約束時,即P≠0。支架橫向失穩(wěn)臨界角為:

        由式(1)(3)可知:當頂、底板磨擦系數(shù)越大,支架底座寬度越大、重心更小,則支架更穩(wěn)定。反之,當頂板冒空,失去頂板約束p=0,當α大于失穩(wěn)臨界角,支架的相鄰左約束小于相鄰右約束時,即:Tx<Ts時,支架更易發(fā)生傾倒。

        2.縱向失穩(wěn)

        支架縱向失穩(wěn)具體表現(xiàn)為支架下滑,建立如下模型:

        式中:G—采煤機、溜子和溜子滿煤時總重量,T。

        式中:L—采煤機移動時溜子對支架的拉力,kN;

        D—采煤機上行時的牽引力,kN。

        支架下滑條件為:當支架向下滑動力大于支架的抗滑,則支架發(fā)生縱向失穩(wěn)。

        當左右相鄰擠壓力為0時,即Tx=Ts=0,為一個支架發(fā)生下滑。

        當頂板破碎,支架空頂,頂板約束力P=0且L=0,化簡式(6)得出式(7),得出支架自重情況下不發(fā)生下滑的條件。

        當支架上方頂板完好,接頂嚴實,P≠0,L≠0時,式(6)化簡為:

        式中:k—工作面內(nèi)支架個數(shù)。

        由以上(4)至(9)公式可知,支架受頂?shù)装寮s束越好,支架自重越大,支架受的拉力越大,下滑角度越大,反之下滑角度越小。當支架接頂時,盡量加大支架的工作阻力。

        3.支架扭斜

        己16-17-24011工作面支架發(fā)生扭斜,主要有以下幾種因素:

        (1)工作面遇到地質(zhì)構(gòu)造。當采面遇到地質(zhì)構(gòu)造,則巖石段刮板輸送機和支架易發(fā)生滯后。滯后的支架發(fā)生擠架,支架導桿不垂直輸送機,移架推溜更加困難。即使支架立柱升緊,支架尾部也易發(fā)生扭斜。

        (2)支架操作不當。己16-17-24011工作面屬于上分層開采,支架需要沿頂、丟底煤開采。因此,采面支架需要經(jīng)常抬架。當采面頂板破碎、頂?shù)装宀黄健⒚罕谄瑤?、頂板冒空、局部傾角過大,抬架過程中極易發(fā)生支架扭斜和仰架等問題。

        (3)移架推溜次序。移架推溜的正常工序為:采煤機割煤—追機移架—推移刮板輸送機。其中,追機移架由支架工負責,移架處離采煤機保持10架以上距離,嚴禁刮板輸送機出現(xiàn)急彎。如果輸送機經(jīng)常從機尾向機頭處推移,易造成刮板輸送機下滑,進而影響支架,發(fā)生支架扭斜。因此,移架時盡量采取帶壓擦頂移架。

        (4)偽斜管理不當。己16-17-24011工作面必須嚴格監(jiān)控偽斜,當偽斜管理不當時,刮板輸送機易發(fā)生弓背、上竄或下滑,進而造成支架扭斜。

        三、防治支架失穩(wěn)的關(guān)鍵技術(shù)

        1.加強預控管理,嚴格落實措施

        安全、高效回采,需要對采場有超前預控能力。預見問題、分析問題和解決問題,這就需要一線的區(qū)隊管理者們有著較高的理論知識和實踐經(jīng)驗。

        (1)針對可能發(fā)生地質(zhì)變化,提前預測預報。區(qū)隊管理和技術(shù)人員有針對性制定專項防治措施,并狠抓落實。

        (2)定期嚴格對支架進行檢修。備品、備件兩套。減少支架失穩(wěn)造成的事故時間,保證有效支護,提高開機率。

        (3)對崗位工人進行安全技術(shù)培訓,煤機司機頂?shù)装甯钇?,雙向割煤,落實偽斜控制;支架工提高頂板維護、處理倒架、咬架和扭架等綜合技能。

        (4)優(yōu)化勞動組織。實行“四六制作業(yè)”,現(xiàn)場交接班。減少大采高條件下人員的勞動強度。

        2.防治支架失穩(wěn)關(guān)鍵技術(shù)

        (1)三軟厚煤層大采高條件下,頂板易離層破碎,采用高水速凝材料馬麗散注漿加固工作面破碎煤壁和頂板,提高破碎煤巖體的強度。沿煤層走向剖面注漿孔布置如圖1所示,沿煤層傾向剖面注漿孔布置如圖2所示。

        圖1 沿煤層走向剖面注漿孔布置圖

        圖2 沿煤層傾向剖面注漿孔布置圖

        (2)對工作面煤質(zhì)強度低、煤層層理發(fā)育紊亂、頂板破碎等地段,采用打開支架護幫板、頂板鋪網(wǎng)(單層或雙層),緊挨著上大板或圓木等方法,控制煤壁片幫以及頂板破碎處冒頂?shù)陌l(fā)生。

        (3)采高越大,發(fā)生片幫、冒頂?shù)氖鹿事试礁?。合理降低采高,可以有效控制煤壁片幫和頂板冒漏。實踐表明,己16-17-24011工作面合適的采高在3.5~4m。

        (4)三軟煤層由于頂板、底板和煤層強度低,加快工作面推進速度,可以減少煤壁前方超前壓力的受壓時間,降低煤壁和頂板的破壞程度。

        (5)根據(jù)理論計算,結(jié)合現(xiàn)場實踐,找出合理的偽斜角度,增加支架和刮板輸送機的穩(wěn)定性,并加強管理。防止支架隨著刮板輸送機上竄、下滑而發(fā)生扭斜。

        (6)支架3~5架進行分組管理,機尾局部傾角變化較大(最大處35度)時,要有防滑防倒千斤頂控制,機尾刮板輸送機要有錨固裝置。分組間隔交錯式移架,嚴格監(jiān)控支架變化。

        (7)在采面下端頭使坡度變緩,留設(shè)防滑平臺,有效阻止輸送機和支架下滑。并保證刮板輸送機與轉(zhuǎn)載機的合理搭接。

        (8)支架側(cè)護板可調(diào)整架間間距和方向,防止架間錯臺,避免露矸和支架扭斜等問題的發(fā)生。因此,可利用支架側(cè)護,減小架間間距。

        (9)提高支架的初撐力和工作阻力。泵站采用雙回路供液方式,加快移架速度。移架時,應采用“帶壓移架”或“少降快拉”的方式進行。

        (10)頂板破碎處若發(fā)生倒架,將對調(diào)架造成難度。為加強該段頂板管理,要對該段采用人工做超前的方法控制頂板。采用打眼爆破施工,人工清煤,沿傾向架設(shè)長度3米工字鋼,棚距600mm,在傾向工字鋼下用長度3米的工字鋼沿走向架設(shè),一頭插在支架頂梁上,伸入支架頂梁長度不少于300mm,一頭在煤墻側(cè)用單體柱支護。

        四、結(jié)論

        三軟厚煤層、局部傾角過大條件下,支架咬架、倒架、扭斜等頻發(fā)。根據(jù)具體問題,必須有針對性的制定應對措施。也為類似條件回采提供有益的參考。其中,在支架最初選型上,應合理提高支架工作阻力和初撐力。選用重心低,底座更寬的支架。

        總之,通過對該關(guān)鍵技術(shù)的研究,形成一套較為完善的三軟厚煤層大采高綜采技術(shù),為實現(xiàn)安全、高效回采提供可靠的技術(shù)保障。

        (作者系平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十一礦礦長)

        (責任編輯:周瓊)

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