荆志星
(沈阳焦煤鸡西盛隆矿业有限责任公司鸡东煤矿, 黑龙江 鸡西 158100)
随着煤炭开采强度的加大,埋深浅、地质条件优异的缓斜、近水平煤层资源量逐渐降低,部分矿区逐渐开始大倾角煤层开采。展开对大倾角煤层综采理论、技术研究是大倾角煤层开采迫切需求[1]。相对于近水平、缓斜煤层,大倾角煤层由于倾角大,造成综采设备沿着推进方向的切向分量增加,法向分量降低,造成液压支架支撑力、顶底板施加到支架上的摩擦阻力减少,造成液压支架沿着切向方向倾倒、下滑或者挤架等支架失稳现象增加[2-3]。如何确保大倾角综采工作液压支架稳定,是大倾角综采工作面顺利推进面临的一个基本问题。
6312工作面开采6号煤层,是3采区首个回采工作面,工作面周边均为实体煤,开切眼位于井田边界。工作面由于受到DF32断层影响,分为里、外两个块段,其中里块段斜长123m,走向长560m;外快段斜长125m,走向长396m,6号煤层厚度为1.2~3.5m,平均厚度2.8m。煤层直接顶为厚度0.8m泥岩、1.5m砂质泥岩,基本顶为粉砂岩;直接底为厚度1.9m砂质泥岩、泥岩,基本底为厚度5.3m中砂岩。6号煤层属于大倾角煤层,平均倾角为28°。
工作面生产过程中充水水源主要来源于顶板砂岩裂隙水,生产过程中有淋水现象,由于直接顶、直接底均为泥岩,受到顶板淋水影响,顶、底板泥岩容易膨胀、松软。工作面采用综采方式,采煤机为MG400/920/QWD,中间支撑支架型号为ZQY6800/19/40,移架间距控制800mm、中心距1 750mm,初撑力为5 186kN,支撑强度1.04MPa。
工作面生产遇到顶板来压期间,煤壁片帮,支架间漏顶、冒顶严重,部分中部支架有下滑、倾斜等失稳倾向,不仅影响采面正常生产,而且存在较大安全隐含。
由于6号煤层倾角28°,液压支架自身重力,顶底板压力沿倾斜方向分力较大,支架在回采过程中极其容易出现失稳下滑或者倾倒可能[4]。为了便于对大倾角工作面液压支架受力分析,忽略采煤机、临近支架、刮板输送机对支架作用力,同时认为工作采面顶板、底板作用下顶梁、底座上的作用力均衡分布,构建简化的力学分析模型具如图1所示[5]。
图1 大倾角工作面液压支架受力简化模型
从图1可知,液压支架在顶板覆岩压力P,自重G,顶板、底板对顶梁、底座摩擦力f1、f2相互作用下,液压支架不出现下滑时需要满足顶、底板作用下支架上的摩擦力(f1+f2)≥支架滑动力;不出现倾倒时需要满足支架抗倾倒力矩≥倾倒力矩,则
f1+f2≥(P+G)sinβ
(1)
f1=μ1Pcosβ
(2)
f2=μ2(P+G)cosβ
(3)
f1、f2代入式(1)得
(4)
式中,H为支架高度(m);B为支架宽度,(m);h为支架重心高度(m)。
当支架顶梁不接顶时,即P=0,此时,液压支架保持稳定条件为
Gμ2cosβ≥Gsinβ
(5)
Ghcosβ≥Ghsinβ
(6)
此时,液压支架保持稳定的条件为β≤arctanμ2且β≤45°。
当液压支架顶梁与顶板接触正常时,支架工作状态正常(P>0)。对式(1)、(4)进行简化,得到支架保持稳定条件为
(7)
(8)
从上述分析可以看出,液压支架稳定性取决于支架工作阻力、初撑力、宽度、高度、煤层倾角、顶梁与顶板摩擦系数、底座与底板摩擦系数、支架重心高度及支架质量等参数。
当液压支架顶梁与顶板不接触时,此时支架为自由状态,工作阻力或初撑力为0,当煤层倾角大于某一临近倾角(即β>arctanμ2或者β>45°)时,支架就会出现失稳、倾覆或者下滑[6]。因此,提升支架工作阻力及初撑力,提升顶、底板对液压支架摩擦力,可以在一定程度上提升支架稳定性。
液压支架高度(H)、宽度(B)跟选取的液压支架型号密切相关。支架选取时一般根据煤层顶底板岩性、采高确定。支架高度、宽度与支架下滑失稳无直接关联,但是对支架倾倒稳定性有密切关系。支架高度/宽度=H/B越大,支架出现倾倒可能性越高,反之H/B越小,支架稳定性越高。
当液压支架顶梁与顶板不接触时,支架重量(G)、重心高度(h)不对支架稳定性造成影响。当支架处于正常工作状态时,G越小,h越低,支架稳定性越强;反之,G越大,h越高,支架出现下滑或者倾倒可能性越高。
当液压支架顶梁与顶板不接触时,支架底座与底板泥岩间摩擦系数(μ2)为0.32,此时,液压支架不发生滑移条件是煤层倾角β≤17°。由于6号煤层平均倾角值为28°,液压支架顶梁不接顶势必会出现下滑问题。液压支架处于正常工作状态时,煤层倾角β越大,液压支架受到顶板压力、自身重量沿着切向分力越高,支架出现下滑、倾倒概率越大。
顶梁、底座与顶底板摩擦系数越大,支架稳定性越高,反之则支架稳定性降低。支架与顶底板摩擦系数不仅与顶、底板岩性有关,而且还与顶底板平整性相关。当顶底板存在错茬、淋水或者平整性差时,导致顶、底板与液压支架间摩擦系数降低,给支架稳定带来一定不利影响。
工作面开采引起的初次来压、周期来压期间,顶板压力显著增加,由于煤层具有较大倾角,顶板压力沿切向分力增加,使得支架稳定性降低;同时由于工作面超前支承压力作用,煤壁片帮、顶板冒落问题严重,容易引起支架下滑、倾倒情况发生。
在大倾角综采工作面选用液压支架时应选择重心高度底支架,同时增加支架底座宽度及侧向护板高度,提升支架侧推力,并尽量对支架实施全封闭,避免支架间由于漏顶流矸而出现空顶。顶梁、掩护梁尽量使用强度高、重量低钢板。在支架顶梁、尾梁连接杆、底座前方安装防倒(滑)千斤顶,提升支架稳定性。将支架底座设计成螺纹状,提升底座与底板摩擦系数。
支架拉架移动采用千斤顶(拉力1 000kN)配合刮板输送机(SGZ- 800/800)进行,在推溜、移架过程中应尽可能一次到位。工作面支架上安装有千斤顶,并配备有长度在10~15m链条;中部的40~70号支架为了便于链接采用长度1.5m长短链条。为了确保支架拉架过程中的稳定性,避免出现下滑,拉架采用双迈步式,移架后为了提升支架稳定性,在每个支架前梁位置分别布置1~3个单体,避免支架出现倾倒。
在进行回采时严格控制采煤机割煤高度,割煤时应避免留顶板,从而使支架顶板与顶板砂质泥岩接触密实。同时应尽量将工作面调整成伪仰斜开采方式,一方面通过向上分力来消除支架移动过程中的下滑力,另一方可以减缓工作面倾角。
应在一定程度上提升采面回采推进速度。工作面推进速度过慢时,周期来压步距小(7~9m),使得顶板压力一直位于工作面前方煤体内,容易出现煤壁切断,支架承受较大顶板来压压力,加之煤层倾角大,极其容易出现支架下滑、倾倒情况。因此,适当提升工作面推进速度,将原2刀/d提升至3刀/d,不仅可以减少工作面顶板下沉量,而且还可以将工作面顶板淋水甩到后方采空区,提升支架底座与底板间摩擦系数。
当遇到顶板破碎、漏顶,煤壁片帮严重等情况时,可以对工作面由于漏顶而出现的空顶区注入罗克修,确保支架顶梁以顶板接触;对煤壁片帮段注入马丽散,提升煤壁稳定性及承载能力。生产时应控制工作面遗煤量,避免水或者其他液体泄漏,使得支架顶梁、底座与顶底板接触介质固定,降低遗煤、水等对顶梁、底座摩擦系数影响。
6312工作面采用上述支架控制措施后,不仅确保了支架的稳定,有效对支架下滑、倾倒进行控制,而且还避免了工作面煤壁片帮、顶板冒顶等事故发生,提升了工作面工作效率。
(1)大倾角工作面通过伪斜布置方式,可以在一定程度上较少工作面倾角,提升工作面支架顶梁、底座与顶板、底板间的摩擦系数,提升支架稳定性。
(2)6312工作面通过选择合理液压支架参数、采煤机沿顶割煤、安装防滑(倒)千斤顶、强化顶板管理、控制采高、带压移架、提高工作面推进速度等措施,不仅提高了大倾角综采工作面液压支架的稳定性,而且提升了采面作业效率。