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探讨2311大倾角工作面开采时如何确保支架稳定

2020-09-16 155 上传者：管理员

摘要：大倾角工作面开采时如何确保支架稳定是生产过程中面临的现实问题,特别是遇到地质构造,煤岩体破碎时,支架更容易失稳。文章以常村煤矿2311综放工作面过陷落柱、断层等地质构造为工程背景,对支架受力状态进行分析,并制定了以注浆、采面调斜等为核心的支架稳定性控制措施。结果表明,采面在过断层、陷落柱时支架未出现歪斜、倾倒等不稳定情况,确保了采面生产安全。

关键词：
地质构造
大倾角煤层
支架失稳
矿业工程
综放开采
采面调斜
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综放开采具有开采效率高、推进速度快、顶板管理简单等优点,是厚煤层开采的主要方法。但当开采大倾角厚煤层时,如何确保综放支架的稳定,一直是制约该类煤层高效回采的一个不利因素[1,2,3]。特别是开采遇到断层、陷落柱等地质构造时,围岩完整性、稳定性降低,支架更容易出现倾倒,造成生产中断[4,5]。本文以常村煤矿2311综放工作面过陷落柱为工程背景,对大倾角综采工作面支架稳定性控制技术进行分析,以期能为类似大倾角综放开采工作面支架稳定性控制提供一定指导。

1、工程概况

2311工作面地面标高为+949.3～+955.2m,工作面标高为+419.3～+515.7m,埋藏深度为436.6～523.9m。工作面可采长度1469.2m,倾斜长300m,工业储量365万t,可采储量340万t。根据两巷煤厚探测得平均煤厚5.92m,采高(3.2±0.1)m,循环进度0.8m,工作面回采率93%。

切眼内最大坡度为18.5°,高差69.5m,切眼靠近机头侧213.3m范围坡度最小为11.2°,最大坡度18.5°;靠机尾侧88m范围最大坡度9.5°。切眼实测剖面见图1。

根据实际揭露情况显示:胶带巷距切眼112.3m位置发育有X63陷落柱,预计工作面回采距原切眼107.4m位置,距胶带巷9.6m位置率先揭露该陷落柱;轨道巷距原切眼208.9m位置发育有Fj208(H=0.5m,∠55°)正断层;高抽巷距原切眼277.5m位置,发育有Fj227(H=0.4～0.8m,∠45°)正断层;高抽巷距原切眼505.3m位置,发育有Fj225(H=0.5m,∠55°)正断层;工作面内部距切眼1439.6m、1774.5m位置可能发育有DX22-5、DX22-4陷落柱。断层及陷落柱参数见表1,表2。

图1实测剖面

工作面采用ZF8000/20/38型普通液压支架198组和ZFG9600/23/38型排头(尾)架8组(排头架4组、排尾架4组),采煤机为MG400/930-3.3D型,刮板输送机为SGZ1000/2×1000型,胶带输送机为DSJ140/230/3×400型。

表1断层参数

表2陷落柱参数

2、液压支架失稳分析

液压支架在使用过程中失稳主要是由于支架受到外力的力矩出现不平衡,造成支架沿着某点或者某线出现转动,其实质为支架在倾斜方向、垂直斜面间的作用力力矩不平衡[6]。具体的支架受力模型见图2。

图2支架受力力学模型

图2中B、C、h分别表示液压支架的宽度、重心高度、支架高度;O点表示支架在力矩平衡条件下的底座反力作用点。当液压支架受到的力力矩处于平衡状态时,支架在O点处旋转处于力矩稳定条件。

正常情况下液压支架受到自身重力(G)、覆岩对支架压力或支架工作阻力(P)、顶梁与顶板岩层摩擦力(f2)、底座与底板板岩层摩擦力(f1)作用。液压支架各个作用力作用时不发生倾倒的力学条件为:

ΡcosαB2+GcosαB2+hf2≥hΡsinα+CGsinα (1)

其中:f2=μPcosα(2)

对公式(1)、(2)简化得到:

tanα=μ+B(Ρ+G)-2μCG2(hΡ+CG) (3)

确保泵站可以提供足够动力,支架移架时应采用少降快拉方式,使得液压支架具备一定的支撑阻力,确保支架顶梁可以贴合顶板岩层摩擦移动,实现不降架或少降架快移,当移动至设计位置时立刻升起支架,及时对顶板及煤壁进行支护,降低支架移动过程中给顶板造成的损坏。

支架支撑顶板时充分发挥侧护板作用,及时对支架架间距离及方向进行调整,降低架间漏矸量,使得支架顶梁与顶板充分接触,受力均衡,从而避免支架出现失稳情况。

3、过陷落柱支架稳定性控制措施

3.1采面调斜

大倾角采煤大溜下滑是导致支架失稳的重要原因。防止大溜下滑的关键是调斜,因该工作面设计为负伪斜,胶带巷比轨道巷长6m,回采时胶带巷比轨道巷最少要多推进27m才能完成调斜,结合现场情况,采用“大调斜”思路,即持续错机头、偶尔错机尾,错机尾作为调节工作面直线,当机头推进24m、机尾推进2.6m,前溜下滑达最大值830mm后,大溜的上窜下滑得到有效控制,并开始缓慢向机尾方向窜动;当机头推进28.8m、机尾推进2.6m后,前溜下滑达770mm;当机头推进60.8m、机尾推进22.9m时,前溜下滑580mm,工作面调斜完成,经计算:该工作面伪倾角控制在5°,大溜开始向机尾窜动;当机头推进78.4m、机尾推进44.7m,前溜下滑400mm,开始甩机头(错1个机头2个机尾),机尾向机头单向顶溜;当机头推进114.4m、机尾推进87.9m时,机头长短调整至最佳,并全部完成支架的调向,开始过陷落柱。

3.2顶板及煤壁注浆

为了确保陷落柱影响附近顶板及煤层稳定,分阶段进行了注浆加固。

当采面胶带巷掘进揭露陷落柱时,即开始对煤层及顶板进行注浆加固,加固共用水泥45t,改性液250t,水玻璃9桶。

回采工作面初采期间为了确保支架稳定,提升顶板、煤墙完整性,在切眼机头段加注大成Ⅰ号浆液,共注入30t。

当回采工作面推进至距离陷落柱30m时,即对陷落柱底板进行注浆,防止回采底板导通奥灰水,共施工钻孔数28个,注水泥10t、水玻璃2t。

当陷落柱进入采面超前影响区域后,即陷落柱与采面间距为20m时,在陷落柱机头靠老塘方向煤岩结合面处加注大成Ⅰ号浆液,共计5t。

通过注浆加固,提升了陷落柱影响范围内的煤岩体稳定性,避免了出现支架失稳、涌水等问题,提高了采面生产安全性。

3.3其他稳定性控制措施

1)排头架防倒:在排头1号架帮打设单体柱进行辅助防倒;排头支架上斜拉式防倒装置。

2)机头段联网:机头至150号架联网,增强顶板完整性,后经试验一周后,改为机头至50号架联网。

3)排头4组架安装防倒油缸和摆架大链。

4)对普通支架进行设备改造,每7组支架增加防倒千斤顶和防倒链。

4、支架稳定性控制效果分析

2311工作面过断层及陷落柱时,由于煤层及顶板岩性破碎,液压支架容易出现失稳,通过采取支架稳定性控制措施后,支架稳定性显著提升。通过监测支架工作阻力得出,在采面过断层、陷落柱时支架的初撑力、工作阻力呈正态分布,表明支架受力状态均衡,受力状态完好。采面液压支架工作阻力最大为6526.3kN,均值为5986.2kN,分别为支架额定工作阻力的88.5%和83.2%,支架支撑顶板的作用显著发挥,同时支架未出现歪斜、倾倒等不良现象。

5、结语

针对常村矿大倾角工作面在过地质构造时,通过严格控制采高、提高支架工作阻力及采面调斜、注浆加固、带压移架等措施,避免了顶板、煤壁垮落及片帮,提高了采面液压支架稳定性,保障了工作面的安全高效回采。

参考文献：

[1]李振发.综放工作面过陷落柱支架稳定性控制技术研究[J].西部探矿工程,2019,31(12):91-92.

[2]解盘石,田双奇,段建杰.大倾角伪俯斜采场顶板运移规律实验研究[J].煤炭学报,2019,44(10):2974-2982.

[3]梁红瑞.急倾斜仰采中厚煤层工作面支架稳定性因素分析[J].中国矿山工程,2019,48(4):55-58.

[4]袁铿.构造区大角度综放工作面支架稳定性控制技术[J].江西煤炭科技,2019(3):102-104.

[5]冯智刚.大倾角条件下液压支架结构优化分析[J].中国石油和化工标准与质量,2019,39(7):138-139.

[6]罗生虎,伍永平,解盘石,等.大倾角大采高综采工作面支架受载与失稳特征分析[J].煤炭学报,2018,43(12):3320-3328.

姚鑫.2311综放工作面过陷落柱支架稳定性控制技术[J].煤,2020,29(09):56-58.