悬移支架机采放顶煤工作面防治片帮关键技术研究.doc

悬移支架机采放顶煤工作面防治片帮关键技术研究

郑州矿区回采的煤层为“三软”煤层，煤层松软破碎、易片易掉，杨河煤业42051是采用整体顶梁悬移支架配合采煤机机采工艺，采高为2.5m，采煤机割煤后煤壁暴露面积较大，工作面切巷较长，回采进度慢，同时工作面受到老空老巷的影响，工作面煤壁片帮问题是制约安全生产的关键因素，特别是工作面老巷段及顶煤较薄段煤壁片帮问题尤为突出，当煤壁片帮时，需要及时进行超前支护，而超前支护是一种被动行为，不仅费工费时，影响工作面的回采进度，并且操作过程中很不安全，很容易发生顶板事故，因此，治理煤壁片帮问题成为该工作面急需解决的问题。
1 松软煤层煤壁片帮类型及分析
煤壁片帮的形成因素是受到各向不均受力影响而产生的煤壁破坏现象。当煤壁受到自重和顶板压力时，就会产生拉裂破坏和剪切破坏两种形式。
1.1 探究煤壁拉裂破坏
在脆性硬煤中，煤壁拉裂破坏是较常发生的现象，此类煤层煤壁允许有较小的形变量。受到顶板压力的影响，煤壁内会有横向拉应力出现，因其无法借助煤体的变形得到释放或者缓解，一旦横向拉应力与煤体相比较大时，煤壁位置就会有拉裂破坏产生，这也是煤壁片帮现象产生的重要因素。(如图1(a)、(b))。
煤壁拉裂破坏规则为：
Rt不大于2 Kp或者πH （6-1）
其中，Rt表达煤体抗拉强度值；
K表达应力修正系数；
P表达煤壁所受压力值；
H代表煤壁高度值。

（a) (b) (c)
（a，b）煤壁拉裂破坏；（c）煤壁剪切破坏
图1 煤壁片帮破坏形式
1.2 探究煤壁剪切破坏
软煤层会受到煤体自重及顶板压力的影响，在煤壁内部位置处煤体会有横向拉应力产生，在此过程中产生的横向拉应力会致使软煤层在横向以及蠕动变形时得到释放或缓解，一旦煤壁内的剪应力与抗剪强度相比较大时，就会导致剪切滑动破坏，如图1 (c)所示。曲面占据了实际剪切滑动面的大部分，假设煤壁高度和片帮高度较小，就可以将其转化为平面(如图2所示)，将莫尔强度理论及破坏准则作为依据，就可以用公式表达为：
G=D-S=Chsecα+Ntanφ-S≤0
G为安全余量；
其中D表达沿着剪切面的抗剪力；
S表达该面上的滑动力；
C代表煤体粘聚力；
Φ代表煤体内摩擦角；
N代表剪切面上的法向力；
S代表剪切面上的剪力；
H代表剪切面破坏高度；
Q代表为顶板载荷集度；
Α代表剪切面与煤壁的夹角。
当此值低于0时，煤壁就会有剪切破坏产生。

图2 煤壁剪切破坏
N、S的重要构成部分就是顶板压力以及破坏体自重。顶板压力（p）值为qhtanα，滑动体自重（W）为h2γtanα／2，煤体容重用γ表达。
根据穆尔—库仑理论：
G=45°-φ／2，N=(p+W)sinα，S=(p+W)cosα；
代入(6-2)式，由此得出煤壁剪切破坏准则为：
G=Chsecα+(qh+h2γ／2)(sinαtanφ一cosα)tanα≤0
根据上述煤壁片帮机理分析得出，煤壁的拉裂破坏以及剪切破坏，都会受到煤体顶板压力、抗剪强度、煤体的物理力学性质影响。由此可见，解决煤壁片帮问题的重要方式就是将煤壁所受的顶板压力减小，将煤体的物理力学性质改变、将煤体的抗剪强度提高。
1.3 计算煤壁挠度的方式
为简化分析，计算煤壁在顶板压力作用下的挠度可作如下考虑：一方面，忽略煤壁的剪切变形情况；另一方面，忽略煤壁垂直方向上的压缩变形情况；第三，忽略煤壁重力影响；第四，不考虑水平作用下对煤壁片帮的制约。
当压杆处在临界平衡状态时，将小挠度微分方程以及端部约束条件作为依据，以将煤壁的挠度曲线拟定下来，将此作为基础，将煤壁在顶板压力作用下的挠度最大值求出，也就是煤壁容易失稳的部位。煤壁挠度计算力学分析模型见图3。

（a） （b） （c） （d）
图3煤壁挠度计算力学模型
图（a）为一端与另一端互相固定，弹性支承的煤壁，将M0作为固定端力矩，h作为采高，弹簧刚度达成一定值时，杆体端部就不会有侧向位移发生。将杆件的整体平衡条件作为依据，两端就会有水平反力M0/h产生。将x断面以下部分作为分离体，如图（c），将x截面的形心作为中心，从而得出的力矩平衡方程为：

M代表截面形心的弯矩，N·m；
Fp代表煤壁所受垂直方向应力，N；
ω代表煤壁挠度，m；
M0代表煤壁固定端力矩，N·m；
H代表采高，单位m。
由M=Elω”得出微分方程为：
Elω”+Fpω=M0x/h 
式中：EI为煤壁的弯曲刚度，K2=Fp/El。
对微分方程进行求解，得：

由边界条件：当x=0时，ω（0）=0；当x=h时，dω/dx=0
得到：

当sin（4.49x/h）=1时，ω取最大值，即4.49x/h=2kπ+π/2（k取整数），解得：
x=（1.39k+0.35）h
与实际情况相结合，将x值设定为0.5小时，那么1.37M0/Fp就是ω的最大值。
上述煤壁片帮的力学分析表白，杨河煤业42051工作面煤壁重要发生的是剪切破坏，片帮重要部位是煤壁的中部。但无论是煤壁的拉裂破坏还是剪切破坏，煤壁最大挠度点在距底板0.65倍处。可以看出，煤壁的片帮重要与煤体的顶板压力、抗剪强度、煤体性质有关，增大支架的工作阻力（或放顶煤开采使得承压远离煤壁）以减缓煤壁压力或进行煤壁注水以提高煤体抗剪强度是防止煤壁片帮重要途径。
2煤壁防治片帮技术
2.1 将支架工作阻力提高
针对放顶煤开采而言，支架起到了较为重要的作用，在全封闭顶煤的同时，还需要保证支架合理的工作阻力，使其可以对顶板起到支撑的作用，又可以对顶板来压起到抵抗的效果，使煤壁压力得以缓解，并使煤壁片帮和断面漏冒得到减缓以及消除。对于支撑顶板的规定而言，不需要太大的支架工作阻力，但是从缓解煤壁的片帮的角度来说，借助高工作阻力可以使煤壁处压力得以减少，对于煤壁片帮的缓解具有一定的促进作用。
针对工作面支架的工作阻力的求解而言，可以对A点取矩，则可得顶板压力与支架工作阻力的关系式为：

其中支架工作阻力用R表达；
煤壁达成顶板破断电A的距离用Lp表达；
支架支承合力作用点到顶板破断点A的距离用Ls表达；
老顶破断岩块的长度用L表达；
老顶上部岩层的载荷用q表达；
老顶破断岩块的水平力用T表达。
煤壁处的压力与支架工作阻力R之间成反比关系，由此得出，在实际应用中，可以借助支架工作阻力的提高，从而使煤壁的压力得到有效的减缓，即使很小的工作阻力也会使煤壁片帮的面积和深度的迅速扩大。
2.2 煤壁浅孔注水技术
因“三软”煤层有较低的强度，且易碎，在对煤壁进行养护时就需选择合适的注水压力，以使透水半径，注水效果都可以达成最佳，运用注水实验将注水压力调节超过5MPA，煤壁位置会由于有较大的注水压力，产生人为片帮，使扩散半径太小低于3 MPa，注水时间花费较长，注水效果不佳，由此得出，注水压力控制在3-5 MPa之间。
2.3 其他煤壁片帮防治技术
(1) 进行液压系统检修保证乳化液泵站压力
(2)加强支架的支护质量，保证所有支架均达成初撑力，特别是来压前，要将支架调到最佳状态，使悬液支架的顶梁平行，并保证接顶质量，保证支架平、严、实、安全阀灵敏可靠。
(3) 增强顶梁受压均匀技术
为了避免支架栽头现象的发生，需要借助DZ-2.5单体柱的作用，于每架托梁的位置处，增设打点柱，而后实行逐步供液，在此过程中，缓慢下降支架，借助带压拉架方式拉移支架，在操作过程中，需要安排专人对托梁、上挡矸板的情况进行观测，一旦故意外发生时，需要及时停止操作，等到一切回复正常后，才干开始下一步操作；在移架操作完毕后，需保持支架的前柱垂直顶梁的位置，后柱需前倾2～3度左右，以使支护的力量得到保障。
(4) 对带压拉架技术的分析
在煤壁煤出完后，对操作阀进行控制，一方面，需要卸载煤壁两根柱，使柱脚位置可以向前移0.80米距离，处在煤壁位置，而后，升起两根柱将顶梁支撑起来。在完毕此操作后，需要卸载老塘两根柱，前移柱脚0.8米，而后升起两根柱将顶梁支撑起来。在上述过程所有操作完毕后，需要进行拉架油缸，将顶板用支架顶梁支撑住，向前移动，与此同时，将伸缩梁收回。带压拉架时，支柱不能升的太紧，防止阻力过大，对拉架导致一定影响。
(5) 将工作面推动速度加快
将工作面推动速度加快，可以将落煤与放顶两项程序的生产过程时间间隔得以有效缩短，从道理角度分析，此种方法可以将顶板下沉量有效减少，但是，也会带来一定弊端，导致顶板下沉速度加快；将推动度加快，只可以将下沉量中的小部分消除，却不能将此工序剧烈下沉导致的影响消除，至此在原先的工作面推动速度比较缓慢的情况的条件下，加快工作面推动度，才会对工作面的顶板管理有所改善。
2.4 取得的效果
（1）可以有效避免煤壁片帮效果产生。原煤片帮达成最深状态时可以超过3米，此时，需要借助人工打抬棚支护。充足应用综合技术，运用采煤机进行操作，给拉架工作留下了充足的时间，也奠定了采面工程管理的基础。
（2）使人员操作环节可以得到有效减少，也使人员劳动强度得以减轻，在片帮得以减少的同时，人工背料的方式已经很少使用，应用搁架及打抬棚的方式，可以使人员劳动生产效率得到有效提高，在相同条件下由原工作时间10d减少到8d。
（3）使开机率得到有效提高，在通过改善后的采煤机，停机支护时间也得到有效减少，本来19%的采煤机开机率也升高到了30.5%，经济效益在不断的提高。
（4）使支护材料得到了节约，吨煤成本也可以有效缩减。平均每月支护材料消耗可以减少到58m3之多，吨煤成本也节约了0.6元。
（5）通过改善采煤工艺、调整液压支架的工作状态，采用综合防治煤壁片帮技术有效防治了煤壁片帮严重现象，使对煤层片帮的治理由被动支护变为积极防护，使煤层片帮和顶煤脱落现象得到有效控制，保证了工作面的正常推动，减少了因解决片帮和顶煤脱落而带来的不安全隐患，收到了较好的效果。