第四讲 大采高工作面矿压显现规律讲稿.ppt

第四讲大采高综采工作面矿山压力及控制讲课提纲1大采高综采支架2大采高支架的合理阻力及架型2．1大采高支架的合理阻力2．2大采高支架的架型3大采高综采面煤壁片帮及防治3．1煤壁片帮的影响因素3．2防治煤壁片帮的措施,4大采高液压支架稳定性及其控制技术4.1大采高液压支架稳定性事故分类4.2高架倾倒的特征及力学模型4.3高架顶梁俯仰及控制4.4大采高支架的配套及发展4.5大采高工作面端头支护5大采高支架一围岩系统控制指标,6工作面快速推进下的矿压显现规律及控制6.1工作面的矿压规律及特征6.2工作面的矿压显现特征6.3工作面支架承载特性6.4工作面顶板的位移特征6.5工作面工序及支架围岩系统监控6.6液压支架改进设计7分层开采综采工作面顶板控制,第四讲大采高综采工作面矿山压力及控制我国倾斜厚煤层煤炭产量占总产量的45.4％，其中很多矿区赋存有3.5～5.0m厚的煤层。如果能用一套综采设备一次回采，无疑对简化巷道布置，减少开采的分层数有重要意义。传统的分层开采不但掘进量大，接替紧张，分层巷道在区段煤柱支承压力影响下受多次反复采动，使维护困难，且易导致发火；此外，为了增加顶板的再生程度，需加长分层开采的间隔时间，但假顶材料易腐蚀而降低强度，有些矿区要开掘集中巷则费用更大。,这类煤层在徐州、开滦、邢台、龙口、阜新、双鸭山，义马、西山、神府、晋城、淮南等矿区均为主采煤层，改善这类厚煤层的开采方法对改善矿井生产面貌，提高经济效益无疑是重要的技术途径。,当然，大采高综采也将带来一些问题如采高加大，将引起片帮增加，矿压显现加剧；另方面支架高度增加易降低支架的稳定性，使设备加重，搬运安装复杂，设备费用高，使工作面的产量、效益并不能较大幅度地增长。权衡利弊，应该存在一个合理的采高上限，一般认为，按国内目前的技术水平此采高应限定在4.5～5.5m。而且这开采上限值也应随煤层赋存条件、顶板岩层的结构、煤壁片帮状况及压力控制难易程度而有所变化。,1大采高综采支架现在国外掩护支架高度最大已达7m，但各种采煤机的最大采高仅为5.4m。一般情况下，设备的尺寸，工作面运输能力，顶板控制，煤壁片帮及大断面回采巷道的开掘及支护都是确定大采高回采时所必须考虑的。虽然，目前各国一次采全高开采的经济效益还不显著，但在一些良好的地质技术条件下开采较硬煤层，较其他采煤方法还是经济、安全的，而且还可能提高采出率。我国研制和使用大采高支护设备已取得进展和突破。一些大采高支架的技术特征如表1。,表1大采高液压支架结构特点和适用条件,,BC48022/42型支架在西山矿务局西铭矿应用效果良好；BY36025/50型支架在邢台矿务局东庞矿通过工业性试验，取得良好效益。BY32023/45型支架在开滦矿务局林南仓矿1182面，倾角为220～380条件下，增设防倒防滑装置后使用成功。QY35025/47型支架在义马矿务局耿村矿初次使用时，虽然支架有损坏，但生产技术指标较好。开滦范各庄矿使用引进前联邦德国G32023/45型及BY32023/45型掩护支架也取得良好效果。,图1为两柱支顶式掩护支架。其结构特点底座为半刚性分离底座；顶梁为铰接顶梁加外套式伸缩梁见图1；护帮装置为两级护帮，最长可达2.2m，可实现及时支护及超前支护，当煤壁片帮较大时，防片帮板可翻转伸入煤壁线内支撑顶板；双前梁千斤顶、双平衡千斤顶、双向侧护板；并装有底座调架千斤顶及防滑装置。,图1大采高双柱掩护支架,图2为结合徐州矿务局权台矿“三软”煤层设计的插底式大采高掩护支架。其结构特点为1顶梁长度短，为不插底掩护支架的1/2～2/3，只需经过2～3次移架就可使新控顶部分顶板进入采空区，减轻反覆支撑对顶板完整性的破坏。2改进顶梁端部结构，采用内伸缩梁，为此可在托梁上设置双向可调活动侧护板，以消除相邻前梁间的间隙，防止架间漏矸。3采取可伸缩及折叠式护帮装置。护帮板的伸缩千斤顶可增加护帮高度，又可当临时贴帮柱用。当片帮很深时，翻转的护帮板可当临时前梁使用。,图2ZYR3400-25/47型大采高支掩式掩护支架,4插底式的支架底座可插入输送机底下，使底座承压面积增大，底板载荷集度分布合理，且较一般支架低20％～40％，对软底更适应。插底式支架的缺点是抬高输送机槽，增大装煤高度；输送机槽底托架中的浮煤易导致移架不到位，顶梁太短也易引起破碎顶板的切顶线前移，当支架呈仰斜开采时控顶及防片帮更加困难，因此，在生产中效果不理想，并未解决“三软”煤层大采高工作面的问题。,山东龙口局梁家矿采用BY420023／42型支架开采三软煤层，它是一种支顶支掩式支撑掩护支架，取得良好效果。四柱支撑掩护式大采高支架目前的使用效果不如两柱掩护式支架，因其使用中支架损坏比较严重，但两柱掩护支架的平衡千斤顶在使用中也易损坏，因此，有一种看法认为为了加强支护强度，大采高支架的结构有向四柱支顶支掩式支架发展的趋向，即取消平衡千斤顶，两根双伸缩大立柱支撑在顶梁上，两根单伸缩小立柱支撑在掩护梁上，以增加支架的工作可靠性及对软底的适应性。大采高液压支架应有相配套的采、运设备，并有相应的工艺及技术措施，才能充分发挥设备效益。,我国西安煤机厂生产的MXA300/3.5型双滚筒采煤机是采高达2.3～4.5m的采煤机。又如SGZC764/320及SGZ830/500型为两种与大采高支架配套的输送机。其结构特点为侧卸机头，双速电机，铸造封底整体中部槽，中双链。,图4表示随着采高M的增加，为避免老顶来压所需的最小直接顶厚度h或h/M值也将随之变化。图中曲线2及4分别表示在易垮及难垮顶板条件下M与h的关系曲线，图中曲线1及3分别表示在相应条件下M和h/M值的关系曲线。当采高由0.7增为4.5m时，值应为4.3～2倍，图中带网状区为老顶来压强烈区；带单斜线区为老顶来压显著区。,由此可知，实测支护阻力和采高呈非线性关系。如采高为3、4及5m，实测阻力分别为1900、2499及2997kN／架，阻力增长幅度分别1.65％、1.32％及1.2％。,2．2大采高支架的架型目前使用的大采高支架主要有四柱支撑掩护支架，如BC480型；两柱支顶式掩护支架，如BY型；以及两柱支掩式掩护支架，如ZYR型等，共三类。1四柱支掩式特点为支撑能力大，顶梁长，支架承载合力作用范围较大。但由于支架高度增大后显得过于笨重；支架稍有歪斜使四连杆受扭，易于损坏。BC52025／47型支撑掩护式支架在西山矿务局官地矿试验时，发现不少四连杆销轴出现弯曲破坏，后连杆筋板出现焊缝开裂。该工作面支架设计初撑力及工作阻力分别为4800kN及5200kN，实测平均值分别为2813kN及3136kN，为额定值的55.3％及61.5％。均方差为1254kN及1068kN，因此其支架参数的选择基本是合理的。近年来，在双鸭山局使用的ZY560025／47型及在龙口局使用的BY420022／42型同样属于支撑掩护式支架，使用效果较好。,2两柱掩护支架这种架型的大采高支架也分为支掩式及支顶式两种。两柱支掩式大采高掩护支架，如徐州权台矿使用的适合“三软”煤层的插腿两柱掩护支架ZYR340025／47型。在顶板控制方面首先要控制好直接顶，尽量避免与老顶间产生离层破碎，使其冒落在托梁后方。实际曾出现以下几种支架与围岩关系状况图5。当支架顶梁处于低头状态时，虽然对端面可能形成平衡拱有一定水平力，但实际加大了接顶点至煤壁的距离，容易引起端面冒落。,,矿压观测表明，当顶梁后部顶板冒空时，立柱达不到工作阻力，故P按初撑力计算，W可按掩护梁上两倍采高岩重计算。以ZYR340025／47支架为例，按上式确定PE约为1600kN。插底式支架可以减少顶梁长度，改善底座受压分布，但缺点是配套较复杂，由于输送机放在底托盘上，给工作面设备管理增加了一个环节，同时提高了装煤高度，此外支架的通风断面较小。,两柱支顶式掩护支架，如邢台东庞矿使用的BY36025／50型支架图1。其特点是装有手套式伸缩梁，两级护帮板，长达2.2m，半刚性分离式底座便于排矸。短框架浮动活塞式推移机构，双平衡千斤顶，双伸缩立柱，中流量安全阀。支顶式大采高支架在东庞矿使用时，平均采高4m，最大采高4.8m，顶板类级属Ⅱ2偏上，上覆岩层断裂垮落时对支架动载增大，初次及周期来压时动压系数为1.7及1.3。支架工作良好，其Pt、Pm分别为额定值的57％及66％。当老顶来压期间，若支架初撑力不足，顶梁抬头，易出现煤壁片帮严重，平衡千斤顶拉坏的情况；当倾角大于21时，由于采高大，支架倾倒下滑的机会增多。如采取相应措施后仍不能控制防倾、防滑时，必须采取单向割煤，反向移输送机，集中调架等项措施。,不论何种掩护支架在架型选择时应注意1为了保证大采高支架在移架时架体运动的稳定性，掩护梁所受的垮落矸石水平推力要大于移架时顶梁及掩护梁侧护板所受到的摩擦阻力，以保证移架过程中架体上部不出现滞后现象。此外，支架在平时掩护梁的推力可使架体受到一个指向煤壁的水平推力，以阻止顶板向采空区方向变形移动。由此推算，当采高为44.5m时，掩护梁倾角应为600～650，这足以保证移架过程中掩护梁上矸石能沿梁体下滑的掩护梁最小倾角为170～190。,2两柱掩护支架的上柱窝位置对顶梁前端部的承载能力影响很大，从而也是影响端面冒落度的重要参数。虽然将上柱窝前移有利于增加梁端承载能力，但却易使平衡千斤顶受力过大而损坏，故在直接顶属不稳或中稳条件下，顶梁在支柱前后长度比，应为1～1.5，使梁前端部有700800kN／m2的支护强度。,3平衡千斤顶应有足够的工作阻力及行程，应认真考虑支柱根数和布置。当支架处于拉架状态时，顶梁卸载而掩护梁受载，此时平衡千斤顶受拉。如顶梁仰角过大，应操作千斤顶收回行程，提起掩护梁，使支架在下一循环开始时能恢复良好的工作状态。据此推算平衡千斤顶工作阻力在最大采高为3.5～4.5m时应为700750kN。当支架顶梁前端冒空，顶梁与掩护梁接近直线状的情况下，即使用工作阻力较大的双平衡千斤顶亦难于改变支架成正常状态，为此应在掩护梁上设置具有足够强度的机械限位装置，在限位时千斤顶仍有2530mm的行程。,3大采高综采面煤壁片帮及防治当工作面采高加大后会增加煤壁片帮的可能性，煤壁片帮后又导致端面顶板悬露面积加大进而引起冒顶，直接影响工作面推进。3．1煤壁片帮的影响因素1煤层节理裂隙等弱面分布及地质破碎带。当综采工作面推至断层影响带和煤岩松软带时，经常会发生煤壁片帮。因工作面采高大，煤壁对地质构造特别敏感，如遇到落差较大的斜交断层，也会诱发大面积片帮。特别是倾斜断层危害更大。权台矿大采高工作面大面积的片帮事故中，因地质构造而引起的占65％,2煤壁处的支承压力。当受上部煤层的煤柱影响或在老顶来压期间都能引起支承压力增高，进而煤壁片帮成为松塌区，支承压力再向煤体深部转移，支承压力愈高，松塌区愈宽。如义马矿务局千秋矿当综采面进入上部遗留的未采薄煤带下，老顶来压时，液压支架80％以上安全阀开启，其中16架压死，片帮深23m，冒顶高45m，工作面接近停产。3采高。松塌区煤壁的片帮深度如按最大剪切面计，则片帮角α为45φ/2，式中φ为煤的内摩擦角，取300，则α＝600。若按离底板1/3采高处开始片帮，则平均片帮深度约为采高的38.7％。当采高为4.5m时，片帮深度可达1.7m。因此，常有因片帮严重只得将采高降低的情况。,据邢台矿务局东庞矿大采高综采工作面统计，煤壁片帮深度C与采高M呈非线性关系图7。由此可见，当采高为13m时，片帮深度增长速度较缓，再继续增加采高，则片帮深度急剧增大。权台矿的大采高工作面试验结果如表4。表4权台矿大采高工作面采高对片帮的影响,4综采工作面管理及操作。如支架初撑力和工作阻力过低或采高过大，使支架不能有效接顶；移架不及时，或移架时降柱过多；未发挥护帮板作用；工作面工程质量差，支架挤、倒，或间距过大，移不动仍盲目降柱；设备事故频繁，工作面推进过慢，当推进速度小于1.5m/d时，片帮严重，而当推进速度达4.5m/d时片帮明显减少。上述因素常交织在一起，如以地质、矿压因素为先导，出现片帮冒顶事故后，加上管理不善，不能迅速扭转被动局面，片帮引起冒顶、片冒交替，小冒引起大冒，长期陷入顶板事故与设备事故交替出现的恶性循环中。此外老顶来压、工作面推进方向、仰俯斜角度、煤壁暴露时间、顶梁接顶程度都对工作面片帮有很大影响。,3．2防治煤壁片帮的措施煤壁片帮是松软煤层大采高综采的关键问题。治理煤壁片帮及由此引起的冒顶，可从机械装置及采矿技术两方面采取措施。1改进顶梁端部结构，加装防片帮板。据统计，大采高工作面煤壁片帮程度与是否采用支架护帮板有关。使用护帮板并靠紧煤壁时，煤壁片帮会减少。没有护帮板支护下的片帮机率约为有支护的3倍。因此要提高护帮板的使用率，在机组割煤移架后，立即打开护帮板。在机组割煤前，提前于采煤机1～2架才将护帮板收起，使工作面煤壁始终在护帮板支撑下。为了在片帮发生情况下护帮板仍然能支撑住煤壁，就要改进梁端结构，要将护帮板装置安装在伸缩梁前以至具有二级护帮装置（图8）。,护帮推力的作用点随采高、煤质和顶板压力而变，一般把护帮推力的作用点放在距顶板1／3采高的地方。现在护帮阻力多在70～100kN左右，护帮板的高度约为1m左右，双伸缩已达2.1m。2提高支架的实际初撑力和工作阻力。为此，应尽可能提高泵站的供液压力或选择高压泵站32～35MPa的供液系统；安设压力指示器，正确操作移架后升柱；采用初撑力保持阀提高实际初撑力。,3）当综采工作面通过煤岩碎带或老顶来压时加固煤壁，提高其整体强度。如煤壁成较大块状片落，有一定自稳能力时，可用木锚杆倒楔缝式或快凝药包式锚固煤壁；当煤岩都很破碎、松软时，应考虑采用化学固化方法加固煤岩。邢台东庞矿曾采用快硬膨胀水泥和尼龙绳杆控制煤壁片帮，取得了较好效果。4改进回采工艺和操作技术。如1采用及时移架结构先拉架后推输送机的方法，使支架顶梁顶住煤壁，采煤机只采底刀，如留有粘顶煤，可利用支架顶梁铲落；2工作面出现局部的片帮和大采高支架歪倒、陷底、挤架等现象，应及时调整；,3当遇松软煤体和破碎顶板岩层时，截深要减少为0.3～0.4m，并提高牵引速度，以加快推进；4采用台阶割煤法，即单向割煤方式，采煤机从输送机头向机尾割煤时仅割顶煤，留1.2m高的台阶护帮，并及时移架，用护帮板将煤壁护好，当采煤机返刀割底煤时护帮板不动，随采煤机割底煤后跟机推输送机；5操作液压支架要实行擦顶带压移架，防止液压降低，影响拉架力和拉架速度；6严格工程质量，防止采高超限，支架超高，搞好设备维修，防止片帮冒顶和设备故障交替出现。7在设计工作面时应避开上覆煤层遗留煤柱对工作面造成集中压力；工作面推进方向上煤层主节理应倾向煤壁；工作面宜处于俯斜开采，避免仰斜开采。,此外，大采高综采还应注意两端支护技术及三机配套。由于工作面采高较大，巷道也比较高，虽然高度可能小于煤层厚度，但一般支护设备不易解决，要求设计相适应的端头支架，并要处理好端头支架与巷道、工作面支架、输送机机头、转载机机尾及安全出口等问题。徐州权台矿在开采4.5m厚“三软”煤层时，试验平巷采用两侧直墙的矩形断面图9，巷道顶板为呈13的煤层顶板。中线平均高为2.8m，平均宽度4.6m。顶板采用金属缝管锚杆，间、排距为700mm，共布置7根锚杆；两帮使用全长锚固的树脂木锚杆和砂浆竹锚杆，其布置方式亦为700mm700mm，顶板铺一层塑料网，用钢梁作托板压紧固定塑料网，钢梁是用两根平行的钢筋中焊锚杆托板而成，长1.3m，由此形成锚、梁、网组合的整体支护结构。这种支护结构发挥了柔性支护，主动加固围岩作用，经受住了动压考验，又给工作面出口带来很大方便，经济实用。,在工作面两端平巷处，由于巷道高度低于煤层厚度一米多，为了便于巷道维护，通常使巷道沿顶板掘进而留底煤，这不仅在回采时工作面两端形成三角煤而丢煤严重，且使机头、机尾铺设困难。如用人工放炮拉底则工作量过于繁重，故要求采煤机在输送机头、尾处能挖底，将留的三角底煤割去，这也是设计中应重视的。,由上述分析可知，对厚约4～5m的厚煤层实行大采高一次整层开采是提高开采，这类煤层的单产，实行集中生产，简化开采系统的一种方法，是厚煤层开采的一个重要技术方向。目前，我国生产的高支架及大采高综采设备基本上已能满足同类煤层条件下大采高生产的需要，其开采技术及生产指标已达到国外同类开采方法的水平。为推广这种开采方法，在稳定围岩条件下应注意适当加大支撑能力，以提高支架稳定性。在采高大于3.5m的不稳定顶板煤层三软煤层，一般难于实现大采高回采，主要是很难使煤壁不片帮及控制不住不稳定顶板的冒顶。,4大采高液压支架稳定性及其控制技术综采工作面支架一围岩事故包含顶板事故、片帮事故、支架事故和底板事故，其中顶板事故和大采高液压支架稳定性事故是支架一围岩事故的主体和影响高产高效的关键问题。,综采工作面支架一围岩系统随着工作面的向前推进而处于动态的不断变化的相互作用过程中，再加上地质条件差异和支架可靠性等问题，支架接顶点到煤壁的无支护空间及相邻支架间的悬露顶板就可能出观破坏而冒落。大采高综采工作面由于采高大，容易出现煤壁大面积片帮，片帮后端面距加大，顶板失去煤壁支撑，常常造成冒顶事故，冒顶时岩块落入综采工作面工作空间内会严重影响生产的正常进行和矿工的人身安全，冒顶还会加剧工作面装备的磨损和老化，尤其是液压支架的受力状态会急剧恶化，甚至出现严重损坏。端面直接顶岩体破坏冒落不仅会迫使液压支架的平衡千斤顶被拉坏和顶梁抬头，而且还会导致液压支架立柱、顶梁、护帮等构件出现严重损坏。支架顶梁上方的冒顶洞穴和破碎顶板使支架上部失去约束，再加上生产地质条件复杂和操作控制不当还会使支架出现顶梁台阶、倾倒甚至大规模倒架事故，为避免端面冒顶后支架一围岩关系恶化及直接顶进一步冒落和液压支架严重损坏，工作面往往要停产处理冒顶。处理冒顶作业不仅十分危险和困难，消耗大量坑木和导致吨煤成本增加，而且停产时间过长还会引发更大的冒顶和支架事故。,我国许多大采高工作面都曾发生过此类事故。如，由于支架初撑力过低和接顶状况差导致顶板离层破碎，尤其是在沿走向300m的断层区内冒顶严重，支架顶梁不接顶且上翘，平衡千斤顶大量折断损坏；工作面出现严重冒顶和支架倾倒歪扭现象，支架四连杆中的前连杆销轴弯曲破坏，后连杆筋板焊缝开裂；工作面生产地质条件复杂且冒顶严重，支架平衡千斤顶大量损坏甚至出现大规模倒架事故。,4.1大采高液压支架稳定性事故分类大采高综采支架结构高度大、液压支架重型化，导致工作面支架一围岩系统控制困难，尤其是大采高液压支架的稳定性问题难以解决。侧面空间活动性大和自身稳定性差，在现场生产过程中易发生高架稳定性事故。根据大采高支架在井下的生产实践，大采高支架稳定性问题可分为两大类，即横向稳定性和纵向稳定性。在不同的开采方式、生产技术条件下，两类稳定性问题表现各不相同。,1横向不稳定，是指高架顶梁相对底座偏离原横向设计位置。有以下三种具体情形①顶梁与底座发生相对角位移，即高架在走向方向上歪扭，属横向歪扭；②顶梁与底座发生相对线位移，即高架沿倾向倾倒，属横向倾倒；③顶梁平面相对底座平面有一横向夹角，顶梁与底座不平行。2纵向不稳定，是指高架顶梁相对底座偏离原纵向设计位置。有以下三种具体情形①支架向煤壁方向倾倒；②支架向采空区方向倾倒；③顶梁平面与底座平面不平行，存在一个纵向夹角。其中前两种情况为支架纵向倾倒，而顶梁平面与底座平面有一纵向夹角。又有三种情况①顶梁平面沿走向偏离底座平面一个角度，即顶梁俯仰角；②底座前部下陷，底座前倾一个角度；③底座整体上翘一个角度。由上述可见，大采高液压支架稳定性问题是一个空间问题，由此决定了大采高液压支架的稳定性属三维稳定性问题。,4.2高架倾倒的特征及力学模型4.2.1高架倾倒的特征与影响因素高架倾倒是大采高液压支架横向不稳定的主要表现形式，它是指高架顶梁与底座发生相对线位移时，高架沿倾向偏离煤层法线方向，即高架沿倾向倾倒。现场观测表明，高架倾倒在大采高综采工作面表现为向上或向下倾倒两种形式，两者均占一定的比例。衡量高架倾倒程度的指标为高架立柱偏离工作面底板法线方向的角度，简称立柱横向倾倒角。高架倾倒受众多因素的影响，诸因素有时单独作用，有时交织在一起，使高架倾倒问题更加复杂。,1倾角的影响在有倾角的工作面，支架在其重力沿倾斜向下分力的作用下，有下滑的可能。生产实践表明，在支架正常支设状态下，由于支架立柱支撑力的作用，支架与顶、底板间摩擦阻力较大，一般不会发生下滑。支架的下滑往往发生在立柱支撑力小或无支撑力时，如发生在支架上方顶板冒空或移架过程中。由于支架顶梁间排列较密，相互间还有顶梁侧护板的约束作用，而支架底座间间隙较大，这就导致支架的下滑主要是底座的下滑，因而支架的下滑有引发支架向上倾倒的趋势。,2采高的影响大采高综采工作面采高较大，支架支撑高度相应较大，重量也增大，支架重心高度较高，而支架底座宽度变化很小或不变，这些都使其自稳性变差，稳定性明显下降。,3顶、底板状况的影响中等稳定以下顶板的裂隙非常发育，顶板在下沉的同时，往往还伴有微量的向下倾斜移动，这往往会带动顶梁也向下偏斜，促使支架在一定程度上向下倾倒。当发生顶板漏冒时，支架的上方就会形成空顶，支架就失去了顶板约束，对支架稳定性不利。顶、底板的平整程度直接关系到支架顶梁的接顶及底座的接底状况。当顶板不平时，顶梁受力不均，支架顶梁间易出现台阶，引发支架咬架、倾倒；当底板不平时，支架底座受力不均，底座可能损坏，立柱工作阻力亦可能不均匀，易使支架出现倒架事故。另外，当顶、底板光滑或顶、底板有淋水时，顶、底板的摩擦性能会大大降低，对防止支架倾倒不利。,4高架在工作面位置的影响支架之间相互的侧向约束，对制约高架倾倒的发展具有重要的作用。工作面中部的支架排列紧密，相互间具有较强的侧向约束，稳定性较好；而在工作面两端头，当端头支护使用单体支柱加顶梁的方式时，工作面两端头的高架都有一侧为没有约束的自由空间，所以两端头的高架稳定性较低，上端头支架易发生向上倾倒，下端头支架易发生向下倾倒。大采高综采工作面一次采高较大，而回采巷道的高度较工作面采高要低，这样就必然存在一个由工作面正常采高到回采巷道的过渡段。在这一过渡段，顶底板不再平行，上过渡段底面倾角变大，下过渡段底面倾角变小，上、下过渡段底面倾角的异常易使支架沿倾向出现不正常的几何位态。另外，高架撑力、高架结构特性、支架推拉杆方位角和操作管理水平等因素也与高架的倾倒有关。,现场实测和调研表明，顶梁接顶条件下的支架翻倒，不同于顶板冒空条件下支架整体向下翻倒。移架过程中支架受向下倾倒力矩的作用，会使顶梁沿倾向偏移和歪扭。当顶梁偏移和歪扭随工作面推进累积到一定程度时，会使支架承载能力下降和可能出现支架构件损坏，并最终导致支架严重倾倒。支架立柱与底座、顶梁之间采用球面柱窝和销子连接，而掩护梁和四连杆机构与底座和顶梁之间沿倾向连接刚性较大，因此支架倾倒时立柱能出现相应倾倒角度而不易损坏，却有支架初撑后受较大顶板载荷作用时掩护梁和四连杆焊缝开裂及连接销轴破断现象。,3大采高液压支架倾倒控制实例邢台东庞煤矿自1986年以来，采用国产BY3200／23／45和BY3600／25／50型二柱掩护式液压支架开采厚4m5m的2煤，取得了显著的技术经济效益，但支架倾倒和顶板冒漏事故使矿井生产起伏波动和经济损失很大，有4个综采面发生了极为严重的倒架事故。通过对大采高综采面液压支架倾倒特征与控制条件的研究后，液压支架运行可靠性和顶板控制技术水平明显提高，2705面月产煤炭由原先的13万t／月提高到21万t／月～24万t／月，基本消除了恶性倒架和冒顶事故。,对于2705综采面在移架过程中支架倾倒控制条件，根据生产地质条件和BY3600／25／50型支架结构参数，Fm值为77kN～136kN。在移架过程中，应采用有关仪器保证支架卸载后立柱实际残余支撑力FFm。,4.2.3高架倾倒的控制控制高架倾倒，应从控制引发高架倾倒的各影响因素入手，通过综合运用各种措施来进行。控制高架倾倒要坚持以“防”为主，以“调”为辅的原则，切实施行各种有效措施，把影响高架倾倒的因素消灭在萌芽状态。1高架结构设计的优化与完善高架结构设计的优化与完善主要从以下几个方面入手减小结构件的装配间隙；降低支架重心高度；适当加大底座宽度，在结构允许的条件下，适当加大底座对底板的接触面积；完善支架的底调装置和侧护装置，配置能力足够的底调千斤顶；优化立柱与底座的联结构件；保证结构件足够的强度；完善支架的防倒、防滑装置。,2防止输送机、支架的下滑与上窜从工作面输送机头开始每隔一定距离安装一组防滑装置，分别固定在支架的底座和输送机溜槽底挡板上，以防输送机下滑。把工作面调成伪斜，选择合适的伪斜角，使支架、输送机处于动态平衡中。在工作面倾角较大时，要防止支架下滑，要尽可能采取带压移架。3防止顶板冒落及时支护工作面新暴露的顶板，要严格防止顶板冒落。对较难管理的复合顶板，更要对下位软岩层进行及时有效的支护，防止其发生离层断裂。在拉架移架后，必须升紧支架，使其达到规定的初撑力。,4提高操作、管理支架的水平及采煤工艺水平主要加强以下几个方面的管理工作严防采高超高；及时维修支架，保证支护有效；使用好防倒、防滑装置；及时调整支架；保持良好的移架顺序；割平顶、底板，使其保持平整。5支架倾倒的调架支架倾倒的调架措施主要有采用支架侧护板调架，此法适用于支架倾倒轻微时；采用防倒锚固或单体液压支柱调架；采用单体液压支柱吊架调整。,4.3高架顶梁俯仰及控制顶梁俯仰是高架纵向稳定性的主要问题，它是指高架顶梁平面沿走向方向偏离底座平面，这个偏离的角度称顶梁俯仰角，亦称顶梁低头、抬头角。高架顶梁俯仰与直接顶稳定性相互影响，此外还受支架本身结构及操作等因素的影响。,4.3.1支架外载合力作用位置的影响由于煤层地质条件、围岩条件的不同，支架外载合力作用位置是多变的，具体可分为外载合力作用位置前移、后移两种。在稳定顶板条件下，当基本顶来压、顶板在采空区悬而不垮或支架掩护梁坡度过缓造成支架后部压力过大时，均可造成顶板合力位置后移。顶板合力位置后移时相应地要求支架应具有较高的支撑切顶能力，一旦支架不能满足此条件时，便需迫使支架抬头来适应。切顶线前移、煤体片帮和煤壁位置前移等均可造成顶板合力作用点前移。顶板合力作用点前移相应地要求支架应具有较高的梁端支撑力，一旦支架不能满足要求，便迫使支架低头来适应。,4.3.2顶板状态的影响支架外载合力位置前移时平衡千斤顶就进入下腔工作区，即外载造成的力矩不能大于平衡于斤顶的额定压力的平衡能力，否则平衡千斤顶泄液，顶梁低头；外载合力作用位置后移时，平衡千斤顶就进入上腔工作区，即外载造成的力矩不能大于平衡千斤顶的额定拉力的平衡能力，否则顶梁抬头。所以平衡千斤顶具有调整支架作用于顶板的支撑合力位置和大小的功能，但完全依靠平衡千斤顶来调整支撑合力位置是困难的，仍要靠顶板的反力来调整合力作用位置，以适应外载合力作用位置的多变。,要使顶板反力能够发挥作用，就要保证顶板保持良好的状态。若在支架立柱前方区域顶板冒空而使支架得不到应有的附加反力时，顶梁将不断抬头；若支架后部顶板冒空而使顶梁得不到应有的附加反力，顶梁将不断低头。由此可见，保持顶板良好的状态，对产生相应附加反力，从而避免顶梁出现低、抬头是具有重要意义的。,4.3.3高架顶梁俯仰的特性现场观测及模拟实验表明，当高架顶梁存在一个俯、仰角时，对工作面直接顶的稳定性，尤其是对端面直接顶的稳定性影响较大。研究表明，要维护端面顶板的稳定，不仅需要支架提供足够的垂直支撑力，需要支架提供足够的有利于顶板稳定的水平方向支护力，而且要求端面距不能超出一定的范围。当顶梁抬头时，随抬头角的增大，高架支承力递减，高架支承力作用点向煤壁方向移动，但变化较小，支架的整体承载力减弱，不利于顶板的控制。当顶梁抬头角超过100时，支架对顶板的水平支护合力方向指向采空区，使端面顶板受拉而使其更加破碎和易冒落。当顶梁低头时，随低头角的增大，高架支承力递增，但高架支承力作用点较大幅度向采空区方向移动。因此，高架顶梁低头时，虽然高架支承力有所增大，但力的作用点后移很多，造成端面距增大，有可能超过临界端面距而引发端面冒顶。,4.3.4高架顶梁俯仰的控制高架顶梁俯仰是高架纵向稳定性的主要问题，对工作面顶板控制效果影响很大。大采高综采工作面支架顶梁俯仰工况是高架自身支护性能、操作因素、顶底板平整性和破坏、冒顶状况及在此条件下顶板压力共同作用的结果。在现场生产实践中两柱掩护式支架平衡千斤顶保持支架整体结构稳定性和具有调整顶梁俯仰角功能的顶梁俯仰控制问题尤为突出。控制高架顶梁俯仰的主要措施是平衡千斤顶的优化设计、合理操作平衡千斤顶和支架、保持顶底板平整性及防止顶板破坏冒漏。,4.4大采高支架的配套及发展目前使用的大采高支架主要有四柱支撑掩护式支架，如BC型；两柱支顶式掩护支架，如BY型；两柱支掩式掩护支架，如ZY型等。大采高液压支架应在以下方面得到进一步改进1进一步提高大采高液压支架的初撑力和工作阻力；2控制大采高工作面的煤壁片帮；3通过适当增大底座面积、降低支架重心、加大两立柱中心距、改善防倒防滑装置等措施，增加大采高液压支架的稳定性。,随着大采高综采技术的不断发展，大采高液压支架工作阻力不断增大，最大已达两柱7200kN和四柱10000kN。支架宽度仍为1.5m，最近已出现宽度1.75m一2.00m的支架。为了减小重量、提高可靠性，支架制造已普遍采用屈服强度达800MPa～1000MPa的高强度合金钢板，如中炭硅锰钼合金钢等，并经热处理调质，既有较高的强度和硬度，又具有良好的冷焊性能。,4.5大采高工作面端头支护4.5.1大采高工作面端头支护特点合理有效的端头支护是大采高工作面实现高产高效的必要条件。与一般综采工作面相比大采高工作面端头支护具有以下特点1配套设备尺寸大，要求的巷道断面大，因此端头压力一般较大，顶板变形量大，采动压力影响突出；2巷道高度大，端头超前支护要求高，难度大，顶板事故处理困难；3端头处巷道高度往往小于工作面采高，因此端头与工作面过渡处的支护尤为困难。由此可见，大采高工作面的端头支护是十分困难的。,4.5.2端头支架的作用和要求大采高工作面端头支架的主要作用是1支护工作面端头部围岩；2推移工作面刮板输送机机头和机尾，同时要推移平巷转载机；3保证工作面端部的安全出口；4协调工作面输送机、转载机、基本支架等相关设备间的配套关系。,根据大采高工作面端头支护的特点，要求端头支架应具有以下技术特征1有足够的支护强度，其支护强度一般应等于或略小于工作面基本支架；2有容纳输送机、转载机的足够空间和畅通的人行通道；3有足够的推拉力，能够顺利推移输送机机头机尾和转载机、破碎机等平巷移动设备，并顺利自移；4能有效支护端头部巷道顶板，并应能满足采煤机割透底部三角煤和顶煤的要求，顶梁一般应设伸缩梁或挑梁；5应有足够的纵向和横向稳定性，一般应有防倒防滑和调架装置，特别是倾斜煤层端头支架，应成为工作面支架稳定的基础。,4.5.3端头支护形式和端头支架的选择巷道断面形状、尺寸和工作面配套运输设备的形式是决定端头支护形式和端头支架选择的主要因素。对于弧形断面巷道，一般应超前20m替棚，并应超前50m采用单体支柱支护；对于梯形断面巷道，如果采用钢梁支护，一般应提前20m用木梯棚把钢棚替出，并用两排铰接顶梁，一梁两柱加强支护；对于采用锚杆支护的梯形巷道，一般需提前20m～50m，采用单体支柱加强支护。在有条件的工作面应大力推广梯形断面、锚杆支护巷道。不仅减少支护成本，而且可以大大减少综采工作面端头作业量和劳动强度，为高产高效创造有利条件。,当工作面刮板输送机和转载机采用搭接式配套时，由于转载机机尾必须滞后工作面输送机机头，伸向采空区，因此，必须采用中置式或偏置式端头支架。当工作面刮板输送机采用900转弯或交叉侧卸式配套，即转载机与工作面刮板输送机一体式时，则可采用后置式端头支架。交叉侧卸是高产高效工作面运输装备的发展趋势。,4.5.4大采高工作面端头支架使用情况铁法晓南煤矿、大兴煤矿等使用4.7m一次采全高中置式端头支架，配套SGZ--880／800输送机等设备，实现月产20万t以上，端头支架使用效果良好。该型端头支架还配套用于沈阳红阳煤矿和双鸭山东荣三矿等5m大采高工作面，均取得高产高效。两架一组偏置式端头支架用于巷道断面较小、转载机和胶带输送机需偏置的条件下。这种端头支架曾在义马耿村煤矿4.7m大采高支架工作面配套使用，效果较好，但因主架结构庞大，管理难度较大，目前高产高效工作面已较少使用。简化端头支架、改进端头支护是大采高工作面实现高产高效的重要条件。,目前，国内外大采高工作面的发展趋势是采用交叉侧卸的大运力输送机和大功率采煤机；交叉侧卸输送机机头电机和减速箱垂直布置；为简化端头支护，可以采用后置式端头支架，此种端头支架一般主体结构与工作面支架相同，仅根据端头配套要求做局部改动，如神华补连塔煤矿、大柳塔煤矿、活鸡兔煤矿及西山矿区等大采高高产高效工作面均采用这种端头支架，实现了端头支架与平巷移动设备的快速推移。,6工作面快速推进下的矿压显现规律及控制大功率综采面推进速度为普通综采面数倍以上，这使其在煤层开采过程中的矿压规律、支架承载、生产管理及支架一围岩体系控制等带来新的特征。6.1工作面的矿压规律及特征兖州南屯煤矿3307工作面为例。该工作面范围内，煤层赋存稳定，结构简单，在工作面北部自煤层顶板下0.5m开始有一层厚约01.5m的矿物质含量较高、煤质较差的夹层，煤层倾角20～60，平均40，煤厚3.03m～3.31m，基本顶为细砂岩，厚度8.0m，直接顶为粉砂岩，厚度3.27m，底板为细砂岩与粉砂岩互层，厚度16。36m，顶板属Ⅱ级3类。3307综采面采用倾斜长壁式布置，工作面长度219m，推进长度1510m，采用仰斜长壁全部垮落采煤法。工作面采用“四六”制作业，三班生产，一班检修，每个生产班按三个循环组织，日进9刀，截深1.0m。工作面支护采用140架SZY560／1.75／3.6型液压支架和8架SZG600／1.5／3.5型端头支架。工作面基本支架最小控顶距4888mm，最大控顶距5976mm。,1直接顶初次垮落当工作面推进到距切眼17m时，直接顶发生初次垮落，此时采空区内冒落矸石已充满架后空间。直接顶的垮落顺序由西部到东部，垮落步距分别为西部15m、中部17m、东部20m，最大相差5个循环，整个工作面直接顶初次垮落步距平均17.3m。之后直接顶随工作面推进、支架前移而垮落。,2基本顶的来压规律随着工作面由开切眼向前推进，采空区顶板悬露面积增大，顶板的压力增大，支架的支护阻力增高。初次来压时，工作面中部、东部压力大。工作面中部来压时循环末阻力为4889.25kN/架，为支架额定工作阻力的87.3％，东部和西部来压时循环阻力分别为额定工作阻力的80.9％和79.5％。整个工作面初次来压步距平均36m。工作面周期来压时，中部支架最大载荷平均4988.6kN／架，为支架额定工作阻力的89.08％；工作面两端支架最大载荷为5386.25kN/架，为支架额定工作阻力的94.％。可见来压时支架的利用率很高，充分发挥了其支护效能。,6.1.2工作面的顶板来压特点大功率综采工作面推进速度快，其顶板来压和普通综采工作面相比具有以下基本特点。1来压的影响时间缩短，影响范围减小。由于工作面推进速度快，来压后工作面可以较快摆脱来压的影响，使得工作面来压的影响时间缩短，影响范围减小。本工作面来压时的最大影响范围为3m，一般为2m。2来压的间隔时间缩短，来压次数频繁。工作面平均来压步距16.8m，最大21m，按工作面日推进平均8m／d计，则平均2d～3d就有一次来压。可见工作面推进速度快，来压的间隔时间相应缩短。3整个工作面的来压时间趋于一致。对工作面三个部位的观测表明，来压步距最大相差