馮 斌

(貴州中鋁恒泰合礦業(yè)有限公司，貴州 六盤水 553000)

綜采放頂煤采煤法是我國煤炭工業(yè)集約高效生產(chǎn)行之有效的方法，其獨(dú)特的高產(chǎn)、高效、低耗和安全生產(chǎn)的優(yōu)越性在我國礦區(qū)已得到充分的體現(xiàn)和證實，但是松軟大傾角綜放工作面因其煤層軟、底板軟及傾角大等疊加因素的相互作用，造成回采時易發(fā)生煤壁片幫、冒頂及設(shè)備滑移等現(xiàn)象顯著，極大影響了采場圍巖的控制，進(jìn)而阻礙了煤礦的安全高效生產(chǎn)[1-4]。因此，有必要對于影響工作面上覆巖層運(yùn)移及控制關(guān)鍵因素的進(jìn)行深入研究。

1 工作面地質(zhì)概況及出現(xiàn)的問題

1201工作面位于+1200水平，主采煤層2#煤層，厚度4.0～10.0m，平均7.13m；煤層傾角31～48°，平均33°；硬度系數(shù)f≈0.1。工作面走向長460m，傾向斜長146m。 直接頂為粉砂巖， 厚5～6.0m，巖層多含泥質(zhì)或黏土質(zhì)，易垮落，f=4.00～6.14。直接底泥巖硬度較小，遇水易膨脹，總厚度在7m左右。

1201綜放工作面共有液壓支架98架，其中過渡架7架。2009年6月該礦綜采工作面在初次來壓時，煤壁片幫多達(dá)4處，發(fā)生了工作面支架從第5架至第38架、49架以上全部支架倒架的大規(guī)模倒架現(xiàn)象。

2 大傾角煤層開采覆巖運(yùn)移機(jī)理

大傾角煤層開采巖層在自重作用下，直接頂發(fā)生彎曲變形的同時，會受到沿巖層層理方向的分力，使得跨落的直接頂向采空區(qū)下山方向移動和滑落，因此覆巖破壞的主要范圍為采空區(qū)偏上山方向。

同時，脆性材料的直接頂頂板易被拉斷或剪斷，在采空區(qū)上方形成一個梁結(jié)構(gòu)支撐其正方的巖體(sc段)，在直接頂頂板中段易形成懸臂的板(es段)，其中下部由于冒落矸石的充填，對頂板起到支撐作用。整個采場覆巖形成不同形態(tài)的平衡力學(xué)支撐結(jié)構(gòu)，而覆巖頂板兩端受到未冒落頂板與冒落矸石的支撐形成“廠”型彎曲結(jié)構(gòu)，隨著開采的繼續(xù)，形成“廠”型彎曲結(jié)構(gòu)移動拱，如圖1所示[5-7]。

圖1 大傾角煤層開采巖層“廠”型移動模型

在大傾角煤層工作面傾向的回采空間中，上覆直接頂冒落后堆積的矸石對上覆頂板的支撐是運(yùn)動變化的，上覆直接頂和基本頂隨開采進(jìn)行所形成的鉸接 “砌體拱”結(jié)構(gòu)也是在變化的，工作面下段礦山壓力顯現(xiàn)主要由直接頂下分層引起，工作面上段則基本頂?shù)摹按蠼Y(jié)構(gòu)”起關(guān)鍵作用。當(dāng)采場上段巖層處于活動劇烈的不穩(wěn)定破壞時，采場下段該巖層處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，其對采場空間的影響也沒有中、上段巖層大。

3 提高煤壁支撐穩(wěn)定性

松軟煤層煤壁自穩(wěn)性較差，容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。綜放工作面開挖后，煤壁靠采空區(qū)側(cè)是無支護(hù)的自由區(qū)域，煤體處于二向應(yīng)力狀態(tài)，煤壁受力模型可視為平面應(yīng)變問題，如圖2所示。由于頂煤較軟且賦存有節(jié)理、裂隙，加之頂板壓力和支架反復(fù)支撐力作用，頂煤往往會十分破碎，如果支護(hù)措施不當(dāng)，會導(dǎo)致支架空頂現(xiàn)象，影響“煤壁-支架-矸石”支護(hù)體系對頂板的控制作用。

h—上覆巖層厚度，m；γ—巖層容重，kN/m3圖2 煤壁受力分析模型

由于大傾角松軟綜放工作面中“煤壁-支架”是頂板控制系統(tǒng)中的組成部分，若要避免煤壁破壞失穩(wěn)，一方面要提高煤壁的穩(wěn)定性，另一方要提高工作面支架的適應(yīng)性，具體措施為有以下幾點(diǎn)。

1)控制采高。隨著采高的增加，煤壁的穩(wěn)定性逐漸變差，片幫程度越來越劇烈，因此應(yīng)合理控制采高。

2)加快推進(jìn)速度。工作面推進(jìn)速度慢，煤壁暴露的時間長，煤壁片幫加劇。加快工作面推進(jìn)速度，減少支承壓力對煤壁的作用時間，從而降低煤壁的損失破壞，避免或減小片幫的可能性。

3)支架增設(shè)伸縮梁加護(hù)幫機(jī)構(gòu)。采煤機(jī)割煤后，支架應(yīng)及時支撐護(hù)幫板，對煤壁進(jìn)行預(yù)應(yīng)力支護(hù)，防止煤壁塑性破壞的產(chǎn)生。

4)適當(dāng)加強(qiáng)支架支護(hù)能力。合理提高支架初撐力和工作阻力，能有效減小工作面前方煤體的拉應(yīng)力影響，緩減工作面煤壁片幫冒頂。

4 保證支架支護(hù)能力

大傾角工作面由于傾角的存在，支架受到自重及破碎煤(巖)沖擊的作用，極易發(fā)生下滑和傾倒現(xiàn)象，導(dǎo)致頂板失穩(wěn)破壞。經(jīng)統(tǒng)計，倒架、支架下滑基本上是當(dāng)支架脫開頂板(降柱行走過程)時出現(xiàn)的，所以重點(diǎn)研究支架前移過程中防倒防滑問題。

4.1 支架防倒技術(shù)研究

如圖3所示，在大傾角綜放工作面上，支架正常工作時，支架自重G、底板反力N作用下處于平衡狀態(tài)。當(dāng)支架所受合力作用點(diǎn)偏出支架下邊緣時，會導(dǎo)致支架傾覆[8-10]。支架處于極限平衡時，根據(jù)力矩極限平衡條件，底板反力N作用于O處，此時有式(1)。

G·sinα·H-G·cosα·B/2=0

(1)

即，α=arctan B/(2 H)

式(1)中，支架重心高度H按1500mm，支架寬度B按1360mm計算，支架極限傾倒角α為24.4°，考慮安全系數(shù)時，支架在傾角大于20°的工作面會出現(xiàn)傾倒。

圖3 支架工作時受力分析

圖4 開切眼傾斜-圓弧過渡-水平布置

1201工作面傾角33°，現(xiàn)場將水平分段放頂煤和傾斜煤層放頂煤開切眼相結(jié)合，采用開切眼傾斜-圓弧過渡-水平的非線性偽斜布置方式，如圖4所示，不僅減小了工作面實際的傾角，而且圓弧段能夠?qū)ι喜恐Ъ艿膬A倒下滑起到限制作用。

除此之外，支架還增設(shè)了防倒裝置，包括：①支架側(cè)護(hù)板千斤頂、側(cè)推彈簧使支架頂梁相互緊靠，保證支架頂梁間沒有間隙，始終保持有足夠的扶正力，防止倒架；②在鄰架頂梁間增設(shè)了調(diào)架千斤頂，當(dāng)支架出現(xiàn)傾倒時，以支撐頂板的相鄰支架作支點(diǎn)，用千斤頂調(diào)整該支架位置。

4.2 支架防滑技術(shù)研究

支架在大傾角工作面上不下滑的條件是下滑力小于摩擦力，見式(2)。

G·sinα<μ·G·cosα

(2)

式(2)中，取支架底座與底板間摩擦系數(shù)μ為0.3，計算得下滑極限角為18.6°。一般來說，工作面傾角大于15°就要采取防滑措施，具體措施如：①將工作面布置為非線性偽斜，減小工作面實際傾角；②推移桿和底座間隙控制在15～20mm(單側(cè))，間隙保持不變，控制運(yùn)輸機(jī)下滑；③支架推移桿是和輸送機(jī)連在一起的，因此防止刮板輸送機(jī)下滑?，F(xiàn)場使用中，可以通過控制推移運(yùn)輸機(jī)的順序來調(diào)整運(yùn)輸機(jī)的位置；④相鄰支架底座間設(shè)置防滑千斤頂，以有初撐力的支架為支點(diǎn)，調(diào)整相鄰支架的位置；⑤運(yùn)輸機(jī)和支架間設(shè)置防滑裝置，每隔五架一組，推移運(yùn)輸機(jī)時，通過控制防滑千斤頂動作，牽動運(yùn)輸機(jī)上下移動。

圖5 底座防滑裝置

5 結(jié)語

本文針對某煤礦1201工作面煤層軟、底板軟且傾角大的特殊地質(zhì)條件，在認(rèn)真研究覆巖運(yùn)移機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過建立煤壁受力力學(xué)模型，提出了控制采高、加快推進(jìn)速度、增加互幫機(jī)構(gòu)、加強(qiáng)支護(hù)能力措施；通過對支架的穩(wěn)定性分析，提出了加寬支架寬度、工作面?zhèn)涡辈贾?、控制支架間隙及增設(shè)放倒、防滑裝置等措施。通過以上措施，1201工作面基本杜絕工作面片幫、支架倒(滑)等現(xiàn)象，有效控制了采場頂板下沉，確保了安全、高效生產(chǎn)。

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