大倾角综采支架稳定性控制_伍永平

大倾角综采支架稳定性控制
西安矿业学院 伍永平　员东风
摘要　分析了影响大倾角综采面支架稳定性因素,研究了单个支架及工作面支护系统稳定性控制原则与方法,给出了一个工程应用实例。

关键词　大倾角煤层　综采支架　稳定性控制
0　概　述
我国将煤层按倾角分为缓斜(0°～25°)、倾斜(25°～45°)和急斜(45°～90°)三类。

大倾角煤层迄今没有确切的定义,但基于冒落矸石滑动的自然安息角和一般液压支架最大适用倾角,可认为大倾角煤层主要是指倾角大于35°的煤层,倾角的上限可以是55°或60°。

在大倾角长壁工作面,直接顶破断后的垮矸沿倾斜下滑、滚,形成采空区下部填满,上部悬空的充填特征,影响顶板的破断后的运动。

大倾角煤层底板一旦破坏也会向下滑移,还可以上延引发工作面支护系统失稳。

据目前资料,一般的综采液压支架采用常规防滑、倒措施后可免强用到倾角35°左右煤层的走向长壁开采中,但倾角超过35°使用异常困难。

1　大倾角综采支架下滑和倾倒力学模型
在大倾角综采工作面,由于自重及施加于顶梁上的推力(重力分力)等作用,支架在工作过程中会出现沿倾向(支架横向)下滑和倾倒现象。

为推导方便,略去工作面输送机,采煤机及邻架对支架下滑的影响,单个支架在工作面的下滑、倾倒状态可简化为图1、2所示的力学模型。

图1　支架下滑模型
a.自由状态;
b.初撑状态;
c.工作面状态
2　支架稳定性分析
大倾角煤层工作面,支架的稳定性主要是指支架沿工作面倾向抗下滑和倾倒的能力。

如
图2　支架倾倒模型
a.自由状态;
b.初撑状态;
c.工作状态用k、K分别表示支架下滑、倾倒稳定性指数,则
k=F R F
K=M R
M
(1)
式中　F R、M R支架的抗下滑力及抗倾倒力矩;
　F、M支架的下滑力及倾倒力矩。

2.1　支架稳定临界状态
由图1和图2可知,在支架处于不同工作状态时,支架的下滑和倾倒临界状态如下:
(1)自由状态
f1=G sin A
bG cos A=hG sin A
(2) 其中　f1=L G cos A
(2)初撑状态
f1+f2=G sin A
bG cos A+2bR02+2hf2=hG sin A
(3)
其中:f1=L(G cos A+R01) f2=L R02
(3)工作状态
f1+f2=(G+G d)sin A
b(G+G d)cos A+2(bR2+hf2)=h(G+2G d)sin A
(4)
其中:f1=L[(G+G d)cos A+R1] f2=L R2
取k=K=1,则支架下滑与倾倒临界倾角分别为:
[A h]=arc tg(L)
[A d]=ar c tg(b h )
式中　L支架与顶底板间的摩擦系数,0.222～0.819;
　G支架重量,kN;
　G d作用于支架顶梁上的岩重,kN;
　R oi、R i初撑力、工作阻力引起围岩对支架的反作用力,kN;
　P0、P支架设计初撑力、工作阻力,kN;
　h、b支架高、宽,m;
　A煤层倾角,(°)。

2.2　稳定性分析
将式(2)、(3)、(4)代入式(1)中,可得:
(1)自由状态　k1=L c tg A
K1=b
h
c tg A
(5)
(2)初撑状态　k2=k1+
2L P0
G sin A
K2=K1+2(b+h)P0
hG sin A
(6)
(3)工作状态　k3=k1+
2L P
(G+G d)sin A
K3=K1+2(b+h)P
h(G+G d)sin A
(7)
由上述三式中可知,支架的稳定性取决于两方面因素:即支架本身和工作面地质与生产技术条件。

2.2.1　支架因素
影响稳定性的支架因素主要有支架的设计初撑力、工作阻力及高、宽和重。

(1)支架的初撑力P0和工作阻力P。

对照式(5)、(6)、(7)可见,由于P0和P不可能为负值,故不论是在初撑工作状态,支架的稳定性均优于自由状态,即k2、k3≥k1,K2、K3≥K1。

(2)支架高度h和宽度b。

支架的高h和宽b通常是根据煤层采高和顶、底板条件确定的,
h、b对支架的下滑稳定性没有直接影响,而对支架的倾倒稳定性有影响,从K i(i=1、2、3)的表达式中可知b/h越小,支架倾倒的可能性越大,反之亦然。

(3)支架重量G。

在自由状态下,重量对支架的稳定性没有影响,见式(5)～(7)。

但当支架进入工作状态(P0,P>0)时,随着支架重量加大,下滑及倾倒稳定性均会降低,这是在大倾角工作面中大吨位液压支架不能很好使用的重要原因之一。

2.2.2　地质及生产技术因素
影响支架稳定性的地质和生产技术因素主要是煤层倾角A,顶底板介质(表现为摩擦系数L)、直接顶破断岩块重量G d,最大及最小采高h及底板比压(表现为支架底座宽度b)。

(1)煤层倾角A是影响支架稳定性的最重要因素。

由k i、K i的表达式中可见,不论支架处于何种状态,倾角对其稳定性均有影响,倾角越大,稳定性越差。

(2)顶底板的摩擦系数L。

与支架的下滑稳定性成正变,即L越大,支架的下滑稳定性越好。

(3)直接顶破断岩块重量G d对支架的下滑和倾倒稳定性都有影响。

破断岩块的体积(重量)与支架的稳定性成反变。

3　支架稳定性控制
支架稳定性控制的目的在于尽量降低不利因素的影响,提高其稳定性,其相应的控制原则和方法为:
3.1　单个支架
(1)在保证对顶板有足够支撑强度的前提下,尽量减轻支架重量。

大倾角煤层走向长壁工作面矿压显现的主要特征是由于不均匀充填导致沿工作面倾斜方向来压顺序、持续时间、来压强度的不均衡和顶板对支架作用的载荷较缓斜小(重力分力影响)。

同时,由于支架重量与稳定性成反变关系,因此,只要支护强度能满足要求,应尽量减轻支架重量,以提高稳定性,同时亦有利于支架在工作面的调整和搬家。

(2)增设防倒滑装置。

理论与实验分析表明,当煤层倾角大于35°,采高大于2.5m时,普通液压支架在工作面出现下滑或倾倒是必然的(支架的下滑临界角[A h]=12°30’～39°20’,当b=1.5m时,[A d]=30°57’),因此,支架必须加设防倒、滑装置,如在顶梁与底座上面加设侧推千斤顶、防滑底调梁,同时采用加强型侧护板等。

(3)适当增加初撑力和工作阻力,尽量降低对底板比压。

从提高支架稳定性角度出发,应在支架支设时加大初撑力,工作时充分利用工作阻力,移架时保持一定的阻力。

当然,加大支架阻力必须确保支架与顶底板接触状况良好,以不破坏煤层底板为前提。

这主要依靠加大底座面积,调整支柱位置,从而使底板比压降低和均布来实现。

(4)严格控制采高,适当加快推进速度,控制采高也就是控制支架高度。

超高开采不仅降低支架的横向稳定性,同时亦造成移架,推溜困难。

因此,应在不降低工作面回采率的前提下,严格控制采高,提高支架稳定性,防止架间的挤、咬现象。

加快工作面推进速度可减轻直接顶断块对支架的作用,提高支架横向稳定性。

3.2　工作面支护系统
大倾角工作面支护系统的稳定性除需保证单个支架在工作过程中的稳定外,还应考虑:
(1)设置端头支架和排头排尾支架组,使工作面支护系统有相对稳定的整体性和可靠的依托。

通常,排头排尾支架组可由3～5架工作面基本支架靠附加装置连成整体来组成;端头支架则需要针对具体条件特殊设计与布置;
(2)沿走向使工作面成伪仰斜布置。

这不仅可减缓工作面倾角对稳定性的影响,还可以靠推溜,拉架来控制和调整工作面设备的下滑状态。

(3)控制工作面浮煤量与水及其它液体泄漏,使支架与底板间的接触介质相对固定不同介质的摩擦系数变化范围为0.222～0.819,其中尤以浮煤和水(其它液体)对摩擦系数的影响为大。

因此,及时清理浮煤,防止液体泄漏对控制整个工作面支护系统的稳定有重要作用。

(4)采取特殊回采工艺,如下行割煤,上行装煤,带压由下向上逐次移架等,充分利用工艺特点来提高整个工作面设备及系统的稳定性。

4　工程实例
四川华莹山矿务局绿水洞煤矿在开采倾角为25°～42°,厚1.4～3.2m煤层时,利用本文所述观点,设计了大倾角综采液压支架(ZYJ2300-13/32,两柱支顶掩护式)和特殊端头支架(ZTHJ3400/16/25),同时采用上述控制单个支架及支护系统稳定性原则和(下转第93页)
座后侧。

移1#架时,应将防滑千斤顶和防倒千斤顶均处于向上拉的工作状态。

以防止1#架在移架过程中下滑。

在工作面所有支架底座前端部,每两架安设一个防滑千斤顶,使支架底座两两相连,移架时操纵防滑千斤顶可调节支架的中心距,当工作面支架出现调斜时,移架时应使防滑千斤顶可向上拉支架前端部,使底座侧推千斤顶或单体支柱向下推底座后腚,从而使工作面支架呈仰斜状态。

工作面采取伪上山推进,仰角5°～10°,这样,可使支架下滑值始终与上移值保持一致。

6　顶板冒落防治措施
在顶板破碎地段或顶板冒落区,可采用扩棚措施,使工作面顶板提前获得支护。

扩棚时,用打眼放炮落煤,采用11#工字钢作梁,2m长单体支柱作腿,扶一梁两柱的走向棚。

在每架支架前梁前架设两根长2.5m的长钢梁,长钢梁一端搭接在支架前梁上,与支架搭接长度不小于0.5m,钢梁另一端紧抵煤壁,并在钢梁下支设两根单体支柱,其中一根紧贴煤壁,另一根单体支柱距煤壁1.0m,棚梁间用1.4m长的半圆木均匀排放。

如果需扩棚段范围较大,则按自上而下的顺序逐架进行。

每扶好4棚,就在煤壁侧用3.0m长的工字钢扶一梁三柱的倾斜架棚,以增加走向架棚的稳定性。

如果顶板破碎段沿走向范围较大,可随工作面的推进,继续在支架前扩棚,直至顶板与支架均恢复正常为止。

7　结　论
由于BY系列支架控帮控顶性能良好,工作面内出现的片帮对架内工作人员不构成威胁,片帮不会引起顶板失控,因而顶板始终保持在稳定状态,工作面安全状况较好。

同时,9#煤采用一次采全高工艺后,万吨掘进率降低了23%,煤炭资源回收率降低了27%,工作面单产水平也获得了较大提高。

(收稿日期:1999-08-10;责任编辑:晓南)
(上接第85页)
方法已成功地开采了两个大倾角工作面(工作面长度75～120m,煤厚2.95m)。

工作面回采率达97.2%,工效9.2t/工,最高班产2048t,最高月产35600t,无重伤以上事故发生,年直接经济效益达1196万元,同时极大地改善了工人的作业环境,社会效益良好。

5　结　语
控制单个支架及整个工作面支护系统稳定性是保证大倾角综采面安全正常开采的关键之一,被实践证明是可行的和成功的。

参考文献
1　史元伟等.综采工作面液压支架与围岩的适应性及技术经济效果分析,《煤炭科技情况专题研究》,煤炭科学技术情报研究所.1990.5
2　钱鸣高等.综采工作面支架与围岩相互作用关系研究.矿山压力.1989.2
3　赵宏珠等.回采工作面端头支护技术与设备.煤炭工业出版社.1993.8
4　王作棠等.采场底板岩体移动.煤炭学报.1989.3
(收稿日期:1999-07-06;责任编辑:尤里)
top caving m ining metho d to mo re complicated geolog-ical conditions.
The stabil ity control of support at top caving face with steep seam——Wu Y ongping etc.
T he paper analyzes factors effecting o n stability of support at top caving face w ith steep seam,then pr opo ses st ability contro l measures of individual sup-por t and support system at coal face,finally one suc-cessful case is demonstr ated.
The analysis of ground pressure of longwall top coal caving f ace with soft surrounding rock——Wang Bo etc.
A ccor ding to the field inv estig ation at Dayang coal mine,the paper descr ibes behavior of gr ound pr essure of longw all to p coal cav ing face w ith soft sur-rounding rock and mov em ent of o verly ing strata.
The improvement of working characteristic of top caving support——Zhai Xingx ian etc.
T he paper intr oduces a new top caving suppor t ado pted at Changcun coal mine,and descr ibes the fea-tur es of pr act ical wo rking r esistance and w orking char act er ist ic o f the suppor t.
The discussion of lonwall top caving mining method with pill arless——Yang R unquan etc.
Xinji N o.1co al mine is a new modern co al mine featur ing shor ter const ructing time,less inv estment and hig h efficiency.M or e than one t ho usand tonnes coal hav e been mining out since pro duct ion.One im-por tant measure conducted in the pr oduction is t o r e-duce the coal pillar in order to g et hig her r ate of recov-er y.T his paper descr ibes consequent problems such as gr ound pressur e,g round w ater and g as due to pillar-less ex tractio n.T he production show s that the m ea-sures adopt ed in Xinji N o.1is successful in overcom-ing the pr oblems mentioned above.
Bolt-mesh support technique f or roadway in top caving face——Cheng Xuew ei etc.
Based on bot h numer ical and physical simulation, this paper analyzes t he distr ibution of str esses,defor-mation and failure o f g atew ay in t op cav ing face.T ak-ing2307face at Badin coal mine as an ex ample,the paper also discusses the gatew ay lay out along stope, gatew ay design and suppor t.T he ex perience sho ws the bolt-mesh support for g atew ay is a favo rite one.
The dynamic behaviour of the rock surrounding roadway using bolt support——Liu M ing do ng etc.
T he paper intr oduces the ex per iment using bolt to suppo rt t he gatew ay located in co al seam in11061 face at Guohaishan coal mine.T he converg ence o f gatew ay,mov ement of surro unding r ock o f gatew ay, str ess distr ibution along bo lt and force acting on bolt plate are discussed in detail,w hich is helpful for gat e-w ay suppor t design at similar geolo gical conditions.
Application of pre-stressed long bloting——Hao Haijing etc.
T he mixed support o f initial cut of coal face wit h 12m span using both bolting and pre-str essed long bolt ing show s that pre-str essed bo lt is pow erful in some special geological co nditio ns,featuring quick in-stalling,mor e quarantee and low co st.
Support technique of inclined shaf t crossing sur-f ace watering soil——G ou Panfeng etc.
T he paper r eports the suppo rt technique of in-clined shaft crossing sur face soil w ith sw elling and w a-tering,in this case the st ability of whole support sys-tem is key factor for successful co ntr ol.
The engineering geological features of Jurassic red rock and shaf ting technique in it——M eng X inghua etc.
T he shaft ing at Deizoung co al mine will cross Jurassic soft red r ock.T he paper discusses the eng i-neer ing g eolog ical featur es of Jurassic red r ock accord-ing to the drilling and field inv estig ation,analy zes the mechanical pr opert ies of the r ock and softening fea-tures of the water ishlo gg ed rock effecting on the shafting.
The mechanism of rock burst and seismic waves and its preventat ion——Dou L ingming etc.
T he paper analyzes the relation betw een mine bur st and seismic wav es,pr oposes a mathematical mo del to descr ibe it.A ccor ding to this mo del,the center of mine burst can be located and energ y of bur st can be calculated.T he technique of evaluation and predicat ion fo r rock burst also discussed in the pa-per,which w as been conducted in underg round prac-tice
Evaluation of tendency indexes of coal or rock burst——Wang Hong tu etc.
T he paper summ arizes recent r esearch and dev el-opment o n coal o r rock burst nationwide,and review s tendency index es of m ine bur st adopt ed in eng ineer-ing.
Discussion on indeterminacy in mining engineer-ing and its application——W ang Jiacheng
M ining engineering is a big engineering of ro ck ex cavation,in which ther e ar e a lot of factors can not be exactly deter mined,such as strength of rock,dis-tr ibutio n o f faults and fissur es,thickness of ro ck str a-tum etc.I n or der to evaluate the quality of mining en-g ineer ing proper ly,the indeterminacy has to be taken into account in the design,and relativ e philosophy for ev aluation and index sy stem should be set up.
(姜跃东　译)　。