大倾角综放面支架失稳机理及控制.pdf

第25卷 第4期 2008年12月 采矿与安全工程学报 Journal of Mining 综放开采;支架稳定性;失稳机理;控制技术 中图分类号 TD 355. 45 文献标识码 A Support Instability Mechanism of Fully Mechanized Top Coal Caving Face with Steep Coal Seams and Its Control YUAN Yong , TU Shi2hao , DOU Feng2jin , WU Qi 1. School of Mines , State Key Laboratory of Coal Resources and Mine Safety , China University of Mining fully mechanized top coal caving ; support stability; instable mechanism ; control technology 煤炭在我国能源消费结构中占主体地位,据专 家预测,未来20a ,煤炭在我国一次性能源消费中 占50 以上,随着国民经济的持续快速发展,能源 需求持续增长,我国煤炭资源开采的整体趋势是向 第4期袁 永等大倾角综放面支架失稳机理及控制 西部转移和向深部延伸.西部大倾角煤层储量占总 储量的50 以上,东部矿区经多年高强度开采后, 地质赋存条件好的煤层储量逐年减少,兖州、 开滦、 淮南、 淮北、 徐州、 潞安等矿区相继出现了大倾角煤 层,开展对大倾角煤层综放开采的研究是保持这些 矿区高产高效和可持续发展的迫切需要[1]. 支架稳定性是大倾角煤层机械化开采的一个 基本问题[224],对综放开采条件下的支架稳定性,国 内有关学者进行了相关研究,但主要针对轻型放顶 煤支架[5]、 或采取辅助防滑设备情况下[6],对未采 取辅助防滑设备条件下的重型支架稳定性研究还 不多,尤其对上述条件下支架失稳的内在机理和控 制实质研究不够.本文在现有研究成果基础上,针 对东滩煤矿1301面条件,对大倾角综放面支架失 稳的机理、 控制原则及技术措施进行深入研究,得 到一些有益结论,可为类似煤层开采提供参考. 兖矿集团东滩煤矿1301面主采山西组3 ,3上 煤,煤层结构复杂,二类自然发火,具有冲击倾向 性,煤厚6. 8～9. 1 m ,倾角0～42.采用综放开采, 割煤高度2. 8 m ,其余为放煤高度,采用ZFS6200/ 18/ 35型放顶煤支架,其参数如表1. 表1 支架主要技术特征 Table 1 Main technical parameters of support 项目参数项目参数 中心距/ mm1 500支撑高度/ m1. 8～3. 5 宽度/ mm1 410～1 580适应煤层倾角 / ≤15 初撑力/ kN5 036～5 527泵站压力/ MPa31. 5 工作阻力/ kN6 000～6 250操纵方式电液控制 支护强度/ MPa0.80～0. 86移架步距/ mm1 000 底板比压/ MPa1. 4～1. 9支架重量/ t25 工作面开采初期,支架发生下滑、 倾倒、 咬架等 失稳现象,严重影响工作面生产. 1 支架失稳机理 在综放条件下,大倾角工作面支架的失稳方式 主要有下滑、 倾倒、 尾部受扭等几种.为推导方便, 假定上覆煤岩体对支架的压力、 底板对支架的作用 力为均匀分布,工作面支架按从上到下的顺序编 号,1 ,2 ,3⋯,n n为工作面总支架数 . 1. 1 支架的下滑 如图1所示,支架在自重W ,上覆岩层对支架 的压力合力P,底板合力R ,上下邻架挤靠力Ts与 Tx共同作用下,有沿底板坡度下滑的趋势,支架保 持稳定的条件是抗滑力大于等于滑动力,即 Tx Pf1cosα W P f2cosα≥ W Psinα Ts,1 式中f1, f2为支架与煤层顶、 底板间的摩擦系数; α为工作面煤层倾角;令nh为工作面下滑支架数. 图1 支架下滑、 倾倒分析模型 Fig. 1 Analysis model of support sliding and tipping 1当nh 1时, TsTx 0,即单个支架下滑, 分两种情况①支架不接顶, P 0,此时式1简化 为f2≥tanα,即支架在自重条件下保持稳定的条 件;②支架接顶, P≠0,此时由式1可得支架失稳 临界角αhl为 αhl≤arctanf2 Pf1 P W .2 支架在α一定时,保持稳定所需的最小支护阻 力为 Qmin≥ W sinα-f2cosα f 1 f2 - tanα .3 一般情况下, f1受顶板完整程度的影响,其值 为0.35～0.40;而f2受底板水、 浮煤、 来压期间压 力等因素影响,变化较大,其值在0.22～0.82之 间 [728] ,由式2 , 3分析知 ①α hl与P和f1及f2 呈非线性正比关系, P和f1及f2越大,αhl越大,反 之亦成立;②αhl与W呈非线性反比关系,W越大, αhl越小,反之亦成立;③式3有意义的条件是 f1 f2 tanαf2,即此时,可通过调节支架支护阻 力控制支架下滑;当tanαf2时,支架在自重条 件下可保持稳定;当f1f2 tan α时 ,单靠调节 支护阻力已不能控制支架下滑,此时支架下滑是必 然的;④在东滩煤矿1301面条件下,W 250 kN, f1 0.35, f2 0.3, 当α 16 时,支架在自重条件 下保持稳定, 当α 33 时,支架必然下滑,当16α 33 时,可根据不同煤层倾角调节支护阻力来控 制支架下滑. 2当1 nh 1架支架成组布置,则该支架组保持稳定的条件 为 nhThs1-2≤Tx kP[cosα f 1 f2 - sinα] W f2cosα-sinα.5 由式4 , 5分析知α越大, nh越大, k越小, 支架组越易下滑,反之宜成立. 3当nhn时,工作面支架保持稳定的最小 抗滑力为nThx1 - 2,即工作面支架整体下滑,此种 情况发生的可能性较小且易控制. 1.2 支架的倾倒 由于支架沿煤层倾斜分力的存在,支架的合力 作用点可能要偏离出支架的下边缘,导致支架倾 覆.在力矩极限平衡条件下,底板反力作用点在O 处,如图1所示,此时保持支架稳定的条件是 T s-Tx h ph WCsinα≤ P B 2 W B 2 Pf1 h cosα,6 式中h为割煤高,m; B为支架底座宽,m; C为支 架重心高,m;令nd为工作面倾倒支架数. 1当nd 1时, TsTx 0,即单个支架倾倒, 也分两种情况①支架不接顶, P 0,此时式6简 化为tanα≤B 2C ,即支架自由状态时保持平衡的条 件;②支架接顶, P≠0,由式6可得支架倾倒临 界角αdl为 αdl≤arctanf1 P W B -2f1WC 2 Ph WC . 7 由式7可知①f1, B越大, C越小,支架越 稳定,反之亦成立;②1/ h与α呈反正切函数关系, α越大,宜开采高度越低;③支架倾倒多发生在降 架和移架的过程中,顶煤冒空,顶煤破碎时,此时支 架承载压力P较小,或P 0,αdl≤arctan B/ 2C , 支架的稳定性主要取决于B/2C. 2当1 ndn时, Ts≠Tx,假定上端头第1 架发生倾倒,其对第2架作用力为 Tds1-2 Psinα- B 2 f1cosα W 2h 2Csinα- Bcosα . 同理,第i- 1架对第i架的推力, Tds i - 1- i i - 1 T ds1 - 2,假如第i架下方由j架支架组成支 架组,则该支架组保持稳定的条件是 T ds i- 1 - i-Tx h ≤jP B 2 W B 2 Pf 1hcosα- Ph WCsinα.8 由式8知i越小, j越大,α越小,支架越稳 定,反之亦成立. 3当ndn时,工作面支架整体倾倒,现实生 产中不允许此种情况发生,本文不予讨论. 1.3 支架的尾部扭斜 低位放顶煤支架在放煤过程中,由于支架尾部 放煤,导致支架受力不均,支架的后柱工作阻力小 于前柱 [7] ,大倾角条件下加剧这种受力不均 [5] ,煤 流沿煤层底板向下的分力对支架尾梁施加侧向力, 此时如果支架的抗扭能力不够,尾梁会发生侧向摆 动,从而带动支架扭斜.如图2所示. 图2 支架尾部抗扭分析模型 Fig. 2 Analysis model of support tail twisting 图2中L为顶板合力P作用线到顶梁后端部 的距离,Ld为底部合力R作用线到顶梁后端部在 底座上投影的距离, D为支架尾梁长,θ为尾梁摆 动角,支架上方的散体重力为 G B HγDsinθ,9 式中 H为垮落散煤岩体高,m;γ为煤岩体容重, t/ m3;垮落散体对支架尾梁的扭动力为 F1 Gf3sinαsinθ,10 式中f3为垮落散体与支架尾梁间的摩擦系数,扭 动力矩为 M1 G Dsinα 2 f3sinαsinθ.11 P产生的沿煤层顶板的抗扭力 F2 Pf1cosα.12 R产生的沿煤层底板的抗扭力 F3 P W f2cosα.13 则抗扭力矩 M2 [ P W Ldf2 PL f1]cosα.14 当M2≥M1时,支架不发生扭斜,支架的扭斜 临界角为 α nl≤arctan 2Pf1L 2 P W Ldf2 B HD2γf3sin3θ . 15 由式15知 P越大, H越小,θ越小,αnl越大. 234 第4期袁 永等大倾角综放面支架失稳机理及控制 需要说明的是,上述分析是支架开始发生扭斜 时,以顶梁后端部中点所在轴为扭轴的情况,随着 支架扭斜的发生,扭轴可能发生变化,如以支架底 座端部中点所在轴等,其分析方法与本节类似,限 于篇幅,不再赘述. 2 支架稳定性控制 2. 1 控制原则 根据以上对支架失稳机理的分析,可制定支架 稳定性控制原则如下 1 单个支架失稳是大倾角综放面支架失稳的 诱因,是支架稳定性控制的重点;支架稳定性控制 的关键是确保失稳临界角大于工作面倾角. 2 支架稳定性控制的目的是保持工作面整体 支护系统的稳定性,支架成组布置有利于增强其稳 定性,有条件时工作面支架宜成组布置. 3 倾角较大时,支架有必然下滑的趋势,工作 面宜预留一定的下滑空间. 2. 2 控制措施 根据支架稳定性控制的原则,结合东滩煤矿 1301面实际,可确定支架稳定性控制的措施如下 1 支架按自下而上的顺序安装,运输平巷第 一组支架位于开切眼内,回风平巷多安一组支架, 位于回风平巷内,即使支架下滑,也不影响工作面 生产. 2 工作面伪斜布置,一方面可减小工作面倾 角,使其小于支架失稳临界角;另一方面增加刮板 输送机的稳定性,消除其下滑对支架稳定性的影 响. 3 增大支架的失稳临界角,主要可从以下几 方面入手 ①提高支架支护阻力.理论分析和实践经验 表明,较大的支架工作阻力对保持支架稳定是有益 的,因此,要保证泵站有足够的压力,支架安装后, 迅速施加较大的初撑力,移架时应采用 “带压移架” 的方式,做到 “少降快拉”. ②保证较大的支架与顶、 底板间的摩擦系数 f .煤层底板浮煤清理不彻底、 顶板破碎、 底板积 水,都会降低f,因此,应提高采煤机截割质量,确 保顶、 底板平整,移架前必须清理干净架前浮煤,确 保支架底座与底板严密接触;顶板破碎时,应做好 超前支护,仰斜推进时注意排水. ③严格控制采高,适当提高推进速度.控制采 高,可有效保持支架的稳定性;适当提高推进速度, 及时支护,既可有效控制冒顶和空顶距的增加,又 可减轻支架的压力[9]. ④留设防滑平台.在下端头5～7 m范围割煤 时适当留底煤,使下端头附近工作面坡度变小,成 为防滑平台.平台既阻止输送机下滑,又能保证输 送机机头与转载机的合理搭接高度. ⑤用好侧护板,减小相邻支架间距.使用相邻 支架侧护板来限位,及时调整支架间距和方向,防 止架间漏矸和支架歪斜.支架充分接顶,使支架受 力均匀,避免发生空顶、 露顶、 冒顶现象,以防支架 尾部受扭失稳. ⑥采煤机采取单向割煤方式,即采煤自上而 下割煤、 移架,自下向上清理浮煤、 推移输送机. 4 支架3～5架一组成组布置. 1301面采用工 字钢横梁将3架一组成组布置,分组间隔交错式移 架,有效地控制支架的稳定性. 2. 3 控制效果 上述控制措施在东滩煤矿1301工作面进行了 试验,结果表明 1 支架初撑力、 工作阻力分布均呈正态分布 状态,说明支架的初撑力和工作阻力分布均匀;支 架前柱平均阻力886 kN/柱,后柱为692 kN/柱, 前柱阻力超过后柱的22 ,而一般综放面此值为 16 [5 ,7],差别不明显;工作面支架最大末阻力5 592 kN ,平均5 355 kN ,分别为额定工作阻力的 93. 2 和89. 3 ,支架工作阻力得到有效利用,支 架处于较好的支护状态. 2 有效地控制了支架的下滑、 倒架和尾部扭 斜,工作面工时利用率大幅度提高. 3 结 论 1 支架稳定性是大倾角综放面安全高效开采 的基本问题,支架失稳主要有下滑、 倾倒、 尾部扭斜 等几种方式,单个支架失稳是工作面支架失稳的诱 因,应重点控制,大倾角煤层综放面支架稳定性控 制目的是确保工作面整体支护有较高的稳定性. 2 支架稳定性可从减小工作面倾角和增大支 架失稳临界角两个方面进行控制,以确保支架失稳 临界角大于工作面倾角. 3 通过采取单向割煤、 工作面伪斜布置、 优化 移架推溜次序、 支架成组布置、 控制采高、 提高推进 速度等技术措施,东滩煤矿1301面支架稳定性得 到了有效控制,回采期间共安全采煤299万t ,平均 月产量为49. 84万t ,平均月进尺为208 m ,最高月 产达55. 618 2万t ,最高日产25 869 t ,回采工效 114. 7 t/工,技术经济效果显著. 334 采矿与安全工程学报第25卷 参考文献 [1] 伍永平.大倾角煤层开采 “R2S2F” 系统动力学控制基 础研究[D].西安西安科技大学能源学院,2003. 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