大倾角大采高支架稳态控制失效分析.pdf

第29卷第5期 2020年5月 中国矿业 CHINA MINING MAGAZINE Vol. 29 , No. 5 Ma y 2020 大倾角大采高支架稳态控制失效分析 负东风12,葛 普1,伍永平12,林 勇3,王 震】，曾庆林3,李培树3,黄正平4 1.西安科技大学能源学院，陕西西安710054； 2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室,陕西西安710054； 3 .四川省煤炭产业集团攀枝花煤业公司,四川攀枝花617066； 4 .四川省煤炭产业集团攀枝花煤业公司花山煤矿,四川攀枝花617066 摘要大摘要大倾角煤层走向长壁综采面顶板载荷与支架重力的切向分量随工作面倾角增加而增大，但顶板 载荷与支架重力的法向分量却相反，造成支架在斜面上所处的力学环境复杂、稳态控制劣化。特别是采高 加大使支架重心增高、煤壁片帮加剧、架前冒顶频发，支架稳态控制难度加大甚或失效而导致支架下滑倾 斜加剧或最终群体倾倒 2 Key La bora tory of Western MineExploita tiona nd Ha za rdPrevention MinistryofEduca tion Xia n University of S cience a nd Technology， Xia n 710054， China； 3 Pa nzhihua Coa lCo.Ltd.S ichua nCoa lIndustryGroupPa nzhihua 617066China; 4. Hua sha n Coa l Mine， Pa nzhihua Coa l Co. ， Ltd.， S ichua n Coa l Industry Group， Pa nzhihua 617066， China Abstra ct The ta ngentia l component of the roof loa d a nd the support gra vita tiona l gra vity of the longwa ll fuly mecha nized miningfa ceincrea ses withtheincrea sing ofthe workingfa cea nglewhilethe norma l componentisoppositewhich ca usesthecomplica ted mecha nica lenvironmenta nd degra ded stea dy sta te controlofsupportontheinclinedsurfa ceInpa rticula rtheincrea seintheheightofthesupportheighten the center of gra vity of the supportwith the coa l wal intensified a nd the top of the fra me prone to rise a nd fal whichinturninducesthedificultyofthestea dysta tecontrolofthesupportoreventhefa ilure resulting in the colla pse of the support or the ultima te overturning. The stea dy-sta te control fa ilure of the stent occurred in the 6152 high mining height longwal in steeply dipping sea m ful y mecha nized mining fa ce 收稿日期收稿日期2019-04-22 责任编辑责任编辑刘硕 基金项目基金项目国家自然科学基金资助项目资助编号 51634007 第一作者简介员东风第一作者简介员东风1962 ， ，男，陕西临潼人，教授男，陕西临潼人，教授,E-ma il752651395qq. com。 。 引用格式引用格式员东风，葛普，伍永平，等大倾角大采高支架稳态控制失效分析中国矿业，2020,29 591-96. doi10. 12075/j. issn. 1004- 4051 2020 05 008 92中国矿业 第29卷 of Hua sha n coa l mine, which ca used the bra cket to be seriously dumped a nd difficult to reset, a nd the productionoftheworkingsurfa ceisforcedtobeinterrupted.T hedipa ngleofthesupporta ndtheworking surfa ce is mea sured on site a nd the qua ntita tive index一inclina tion of the support is ca lcula ted. The comprehensivea na lysisresultsshowtha tthedumpingofthesupportgroupisma inlyca usedbytheincrea se of coa l sea m dip a ngle the increa se of mining height the overweight of the support the inversion a nd fa ilure of the side gua rd,the roof topping,the a nti-fa ll a nd a nti-skid device,a nd the improper opera tion of the pull supporN.Ba sedonNhecha ra cNerisicsofNherockpressurebeha viorofNhelongwalworkingfa ceinNhein sNeeplydippingsea mNhedumpingofNhesupporNisgeneralynorma ldisNribuNion. Keywords steeply dipping； high mining height； fully mecha nized; hydra ulic powered support； dumping 0引言 煤炭作为我国的主要能源，对我国经济发展具 有不可替代性1。大倾角煤层一般指35。〜55。的煤 层，是国内外采矿界公认的难采煤层大倾角大 采高工作面产量、回采率和效率均较高，基本顶来压 剧烈，煤壁片帮高度与倾角和采高成正比增大。煤 壁片帮加剧且导致架前冒顶频发②工作面中部30支架〜44支架倒架咬架最 为严重，要获得调架所需的架间空隙难度极大;③调 正支架的临时稳定难以解决，频发再次失稳这些 难题一直未得到解决，特别是由于支架过重且采高 加大,支架倾倒严重，扶架难度极大且安全隐患多。 因此，攀煤公司2018年3月邀请国内大倾角煤层综 采知名专家对6152大倾角大采高综采面倒架处理 进行会诊会诊意见为“在确保安全前提下，将 6152工作面支架撤出地面返厂检修恢复设计功能 后重新安装,攀煤公司综合评估支架回撤难度及 公司回撤技术实力后，为确保回撤安全，决定严格依 照程序外委经验丰富的综采搬家公司承担回撤，花 N W 4 N W 4 理世 H H 时间/d N W 4 N W 4 理世 H H （C）65支架 图图1 10支架、支架、40“支架和支架和65“支架立柱工作阻力曲线支架立柱工作阻力曲线 Fig. 1 10“、40“ and 65“ support column workingre7i7tancecurve 山煤矿安装队与综采一队配合 4倒架分析 6152综采面发生严重倒架，造成矿井经济损失 巨大。本文主要从采高、架重、侧护、片帮和操作等 方面对支架倾倒进行综合分析，以避免再次发生类 似的倒架事故首先对大倾角大采高支架受力作以 分析。如图2所示，支架底座宽度为占占，支架高度为 H，支架重心O距底板垂直高度为力力（随支架的高度 增大而增高），顶板载荷、支架重力G、初撑力反力 01、底板反作用力化、上下邻架对支架的作用力 1、2，顶底板对支架的摩擦力G1、九。大倾角支架 稳态控制有效时，支架在这组力的共同作用下处于 稳定状态 为分析支架重力、支架重心高度、支架底座宽度 和煤层倾角对支架稳定性影响，这里仅考虑支架降 94中国矿业第29卷 支架受力分析支架受力分析 图图2 Fig. 2 Support force analysis 架状态（失去顶板约束）并忽略其彳作用力时，支架 重力对01（支架底座下沿与底板接触点）倾倒力矩 M计算见见式（1）。 M G（hsina B/2c o sa） （1） 由式（1）可知，支架彳倒力矩与支架重量、支架 重心高度和煤层倾角成正比，而与支架底座宽度成 反比故增大底座宽度降低支架重量以提高大采高 支架的稳定性 1） 高加大。依据式（1）,M与h成正比，即支架 重心越高（采高越大支架重心越高）支架倾倒力矩就 越大。按花山矿所用的大采高支架G 40 t、B 1. 75 m、h 2. 2 m、a 3 5. 5 （6152 工作面平均倾 角），则M）221. 57 kN・m。由此可见，大采高支架降 架时支架受更大的力矩作用而处于倒架状态，故支 架的稳态控制难度加大 2） 支架过重。依据式（1）,M与G成正比，即 支架越重，支架倾倒力矩就越大。当B 1. 75 m、 h 2. 2 m、a 3 5. 5,而G从20 t（花山煤矿现用非 大采高支架）增大到40 t,则M从110. 79 kN・m增 221 57kN・m， 1 。 此 见见， 采高 支架过重，降架时支架因较大重力产生的力矩作用 而加重倒架状态，导致支架倾倒力矩增大，稳态控制 度。 3） 侧护倒置与故障①侧护倒置支架由右工 作面搬到左工作面，支架侧护板从下侧伸缩变为上 侧伸缩。这就导致下侧伸缩将支架上调防倒变为上 侧伸缩将支架下调倾倒，这是倒架的主要因素之一 ②侧调护故障由于花山煤矿采掘接替紧张,该工作 面支架均为上一个工作面生产结束未经过撤出地面 大修而直接搬来的；支架侧护板伸缩控制千斤顶损 坏且井下不能更换，导致支架下滑后不能上调；支架 底调千斤顶损坏且井下也无法更换，直接影响支架 下滑或下滑后无法上调支架侧调护功能丧失直接 导致支架沦为无主动防倒防滑功能的非大倾角普通 支架 4） 片帮冒顶。大采高工作面煤壁垂直高度更 大导致片帮加剧，片帮又加重架前煤肝互层顶板沿 倾斜向上抽冒。这便加剧了支架空顶范围扩大，导 致多副支架严重倾倒。割煤后煤肝复合层顶板易冒 落，架前冒顶频发，导致采高超限，支架不接顶而失 稳倾倒 5） 防倒滑装置缺失。大倾角综采支架设计就 有专用防倒防滑装置（图3（a））。如图3（b）所示，支 架受防倒防滑装置的防倒约束作用力i、2和防 滑约束作用力、4以实现支架的下顶上拉式的 主动联合防倒防滑支架的防倒防滑装置对预防支 架的倒滑具有关键控制作用，必须预先安装好并用 好但是，现场一般除排头排尾支架组安装此装置 外，仅单方面考虑拉架操作的灵活性而忽视支架的 稳定性，通常工作面基本架不安此装置。实践表明, 防倒防滑装置的缺失直接削弱了支架的防倒防滑性 ，加 支 的下 与 倒。 （a）下顶上拉式防倒防滑装置 （b）防倒防滑约束力 图图3支架防倒防滑装置及其约束力支架防倒防滑装置及其约束力 Fig. 3 Support anti-skid device and its binding force 6）拉架操作不当。大倾角大采高支架的下滑 倾倒主要发生在过量降架时。因此综采工作面对支 第5期 负东风，等大倾角大采高支架稳态控制失效分析95 架工操作水平要求非常之高。新组建的综采一队驾 度极大的 采高综采经验 足，特别 是现用支 身不具 ，支架工一般凭 人感觉少降 擦 ，常常降 低擦 1 造成支架失 倒在 5支架倾斜度分布特征 为了定 支 倒状态，现场逐一量测 6152工作面支 和 ，并计算支架的倾 斜度（支 与 之差）。 与计算 果绘制 、支 和支 度曲线如 图4所示图4所示的工作面下段6支〜9支 支架液压系统泄露，初撑力和工作阻力不足, 导致顶板 ，处理 度大安全隐患多， 艮 效治理 支架发生倾倒加重这 对分析支 度 声 为尊重 果 的 性， 剔除此噪声 。由图4 丨， 6152综采面支架倾斜度大致呈正态分布，支架倾斜 度 出现在工作面中 [12（中的支 倒程度 果也大致呈正态分布 图4溜槽倾角、支架倾角和支架倾斜度曲线 Fig. 4 Chute inclination, support inclination and supportslopecurve 基于大倾角煤层长壁工作面冒落肝石自然分区 充填特征[13（，对 综采工作面支 倒程度呈 正态分布现象作 步分析与解释 于肝石自然安 ，顶板破断岩石沿工作面 I 向下 ，沿工作面倾斜方向形成工作面下部填实、 中下 、中 虚、上部悬空的采空区分区充 填特征，如图5（a）所示 工作面上下端头 支撑及顶底板钳制 作用，顶板破断呈倒台阶状，如图5（a）所示沿倾 方向 （可视为斜向简支梁或简支板）客 ， 工作面下 充 ， 板 断线 中 下* ，乍 向下 ，工 （a）顶板冒落实验 （b）岩块运动分析 图5顶板冒落模拟实验与基本顶断裂岩块运动分析 Fig. 5 Roof fall simulation experiment and basic top5ault rock movement analysis 作面下 充 ， 板 断线 向 ， 断 作转动和 向下 的 复合运动（顶板断裂形成A 、B 和C S 作转动和 向下复合运动），如图5（b）所 示；老 呈向背 积状态（图5 （a））；顶板 一步 线向上发展，老顶断裂沿 向形 ， 老 断 作转 和 向下 的复合运动 的 复合运 制支 下 促使支架甩尾，加剧支架失稳,使支架 态控制难度 失效 工作面 长度 ， 向 的 岩梁断 复始地出现，断裂的 作转动和 向下移动的复合运动（图5（b）。由于沿倾斜冒落肝 石的非均匀充填,」 ， 断裂冒 顺 旋转， 又向下运动， 石堆 逆 旋转，则形成背斜，如图5（a）所示 的转 与 向下 的复合运 梁 断裂处支架失 向上蔓延，故一般在工作面沿倾 中 梁 断 发生支 倒。 转动与沿倾斜底板向下 的复合运动 持续（图5（a）） ，乍 复合运 形成的向背斜曲率与 倒支 度均增 趋于定值 此外，当支架彳倒作用于支架侧护板的力大于 侧 的工作阻力（ 液）时，侧护 板 若每副支架的侧护板 为△，自倾 倒的1号支架向上至〃〃号支架的侧护板累积缩回量 △计算见式（2）。 △ （2） 1 由式（2）可知，支架倾斜度随侧护板累积缩回量 △ 逐渐加大，至中部附近支 度达到最 但 端头 支撑 底板的钳制作用， 度最大支 向上的各支架受 的作用力逐渐减弱，每副支架的侧护板 也相 96中国矿业 第29卷 应减少，与之相适应的支架倾斜度也逐渐减小。对 大倾角综采工作面支架彳倒程度大致呈正态分布现 象的本质认识和规律性把握尚需深入研究 6结论 1 花山煤矿6152综采面支架稳态控制失效最 终造成支架倾倒的主要原因是由于采高加大、支架 过重、煤壁片帮、架前冒顶、未安装防倒防滑装置、侧 护倒置与故障、拉架操作不当等多因素共同交织作 用所致 2 支架倾倒极为严重，扶正难度与安全隐患均 相当大，攀煤公司采纳专家意见，决定放弃扶架方 案，而外委经验丰富的综采搬家公司撤出倾倒支架 3 基于大倾角煤层走向长壁工作面矿压特征, 初步解释了支架多米诺骨牌式群体性倾倒后的倾斜 度大致呈正态分布现象 ■ 参考文献 1王国法.煤炭安全高效绿色开采技术与装备的创新和发展 HJ1 煤矿开采，2013,1851-3. 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