唐山矿大倾角综放工作面支架失稳力学机理及控制技术_王明强.pdf

第42卷第03期2023年03月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.03Mar.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.03.0440前言煤炭开采在我国能源战略中将长期处于主导地位，目前开滦矿区部分煤矿的开采区域逐渐向深部延伸，大倾角工作面煤炭资源回收已经成为制约煤矿安全高效生产的难题。综放工作面因其具有生产效率高、成本低等优点，已逐渐成为厚煤层开采的优选工艺，唐山矿岳胥区、南五采区8、9煤层，煤层倾角最大为39左右。大倾角综放工作面开采存在的问题：（1）煤壁易于片帮冒顶；（2）工作面设备的防倒防滑问题严重；（3）顶煤放出后支架上方接顶困难。2021年唐山矿0291工作面初采期间发生了抽冒、倒架等问题，致使近工作面3个月停产，给煤矿生产安全和经济效益造成严重影响。因此，大倾角综放工作面的片帮冒顶、设备失稳等已是继续解决的关键问题，开展大倾角综放工作面失稳防控等技术研究，对今后指导大倾角综放工作面安全高效开采和提高唐山矿大倾角综放工作面支架失稳力学机理及控制技术*王明强1，王永建2，师皓宇2，赵启峰2，马龙2，杨长益2（1.开滦（集团）有限责任公司 唐山矿业分公司，河北 唐山063012；2.华北科技学院 安全工程学院，北京101601）摘要：以唐山矿0291工作面初采时支架倒架事件，建立了大倾角工作面支架滑移力学方程和支架倾倒力矩方程，推导了支架滑移判断力、倾倒判断力矩以及发生滑移和倾倒的极限倾角计算公式。依据ZF7600/17/34D型液压支架的基本参数，计算了该型液压支架在漏顶情况下产生滑移的极限倾角为21.8，发生倾倒的极限倾角为26.6，从而判断该工作面支架上方一旦漏顶，倾角为38的支架必将发生滑移和倾倒，得出了0291工作面发生倒架事件的原因，给出了防治支架滑移需增加抗滑力75.1 kN，防止支架倾倒的抗倾倒力矩83 kNm，从而提出了4项支架失稳防控措施：增加防倒防滑装置、调整支架形态等措施.关键词：大倾角；综放工作面；支架失稳；力学模型；防倒防滑中图分类号：TD353；TD325文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）03 225 04Mechanical Mechanism and Control Technology of Support Instabilityin Large Dip Fully Mechanized Top Coal Caving Face in TangshanMineWANG Mingqiang1，WANG Yongjian2，SHI Haoyu2，ZHAO Qifeng2，MA Long2，YANG Changyi2(1.Tangshan Mining Branch Company,Kailuan(Group)Limited Liability Corporation,Tangshan 063012,China；2.College of Safety Engineering,North China Institute of Science and Technology,Beijing 101601,China）Abstact:Based on the support toppling event during the initial mining of 0291 working face in TangshanMine,the support slip andmechanical equation and support toppling moment equation of large dipworking face are established,and the calculation formulas of support slip judgment force,topplingjudgment moment and the limit inclination of slip and toppling are deduced.According to the basicparameters of ZF7600/17/34D hydraulic support,the limit inclination angle of sliding of this type ofhydraulic support in the case of roof leakage is 21.8,and the limit inclination angle of toppling is26.6,so it is judged that once the roof leakage occurs above the support of the working face,the supportwith an inclination angle of 38will slip and dump,the causes of support toppling event in 0291working face are obtained,and the anti-sliding force of 75.1 kN and the anti-dumping moment of 83 kNmare given to prevent support instability.Therefore,four prevention and control measures for supportinstabilityareputforward:addinganti-dumpingandanti-slippingdevices,adjustingsupportslayout.Key words:large inclination angle；fully mechanized top coal caving face；support instability；mechanical model；anti-dumping and anti-slipping*中央高校基本科研项目（3142015087；3142018022）；华北科技学院自选课题（HJXKT20200001）225第42卷第03期唐山矿大倾角综放工作面支架失稳力学机理及控制技术王明强，等Vol.42 No.03企业经济效益有着重要的意义。1工作面概况唐山矿0291综放工作面位于南五采区8、9煤层，工作面标高-772.0-915.4 m，西部为0290已采工作面，其余三面均为该采区系统煤柱及巷道，如图1所示；上覆5煤层为0250、0251已回采工作面，工作面为8、9煤层分合区，煤层厚度8.611.7 m，平均10.5 m，煤层中含12层夹石，岩性为碳质泥岩，分区夹石厚度1.03.3 m，岩性为碳质泥岩-粉砂岩。顶板属类，如表1所示。0291工作面煤层倾角539，初采时工作面倾角最大39，平均倾角38，倾斜长度163 m，可采走向长度610 m，如图2所示。0291工作面采用走向长壁综合机械化放顶煤采煤法，采用ZF7600/17/34D型液压支架，下出口采用ZT17390/20/40D型端头支架进行支护，端头支架外端至煤壁外8 m及上出口范围使用U型梁配合DW30（35）/100单体柱替回，8120 m采用ZQ4000/18/35型单元式超前液压支架加强支护。图10291工作面布置图图20291工作面素描图2大倾角支架稳定性力学模型支架受力分析图如图3所示。（a）正常状态时支架受力分析图（b）倾倒极限时支架受力分析图图3支架受力分析图假设支架不发生下滑，工作面在倾斜方向抗滑力和滑移力合力为0，则建立临界状态力学平衡方程f1+f2=Gsin（1）Gcos+qb=Pb（2）其中，f1=1qbf2=2Pb式中1，2顶底板与液压支架间的摩擦因数；b支架宽度；P支架底座反作用力。则支架滑移判断力fh=f1+f2-Gsin（3）当滑移判断力fh0时，支架向下滑移。当支架处于临界状态时，其极限倾角hmax=arcsin2qbG1+2+arccos11+2（4）假设支架不发生倾倒，正常状态下的力矩平衡方程：b2Gcos+b0qxdx+f1h=b0Pxdx+h2Gsin（5）式中h支架高度；x支架沿底板的坐标，m。当支架达到旋转的临界状态时，底板载荷P将集中在A点，此时支架以A点旋转的抗倒力矩和倾倒力矩的临界力矩方程：12qb2+f1h=G2（hsin-bcos）（6）设：cos=hh2+b2，sin=bh2+b2，将式（6）化简改写为12qb2+f1h=Gb2+h22sin（-）（7）将支架以A点旋转的抗倒力矩和倾倒力矩之差作为判断支架是否倾倒的倾倒判断力矩fd，则：fd=12qb2+1qbh-Gb2+h22sin（-）（8）当倾倒判断力矩fd0时，支架倾倒；当fd0为理论上的支架沿A点顺时针旋转，此种情况在生产中不出现，因此不作讨论。由式（8）可知，顶板上方载荷q的增大有利于支架的平衡稳定，煤层底板倾角和液压支架重量G的增大则不利于支架稳定，支架宽度b和高度h对支架的稳定性则需要进一步探讨。当f=0时，且其支架处于极限平衡状态时的倾角dmax=arcsinqb2+2f1hGb2+h2+arctanbh（9）30291工作面支架失稳原因分析AA0291风道-790-800-820-840-850-860-8800291溜子道-860-850-840-8200291风道760780800820840860880100组3631343335373737383698组80组70组60组50组40组30组20组10组0291溜子道760780800820840860880Gqf1hPAf2斜面Gqf1hbAf2斜面Pb标高/m-8002263.10291工作面支架稳定性分析0291工作面初采期间2048组范围片帮抽冒，由于工作面倾角较大，约40，造成片帮后松散煤体滑落，加重片帮抽冒，片帮深度达15 m，大量顶煤冒落造成支架上顶空，液压支架初撑力不足，工作面顶网损坏，大量碎煤涌入架间，导致了工作面支架歪倒、后溜和支架拉移困难，工作面无法正常生产。0291综放工作面选择ZF7600/17/34D型液压支架，其倾角在38左右，液压支架宽度为1.5 m，采高按3 m计算，支架质量约为25 t，即250 kN，金属与岩石的摩擦因数取0.4，计算fh和fd值可知：当支架随着载荷的增大，其滑移极限倾角随之增大，当工作面倾角为38时，其临界载荷约为63 kPa时，按照支架支护面积S=7.4 m1.5 m=11.1 m2计算，此时支架的临界工作阻力仅为701.8 kN；支架载荷为0时，发生滑移的极限倾角为21.8，表明工作面的刮板输送机在38的斜面上易发生滑移，且支架所受的fh=-75.1 kN，即一旦支架顶板出现漏顶情况，防止支架滑移至少施加75.1 kN的抗滑力。当支架随着载荷的增大，其支架倾倒极限倾角随之增大，当工作面倾角为38，其载荷须大于32 kPa时，按照支架支护面积S=7.4 m1.5 m=11.1 m2计算，此时支架的工作阻力仅为356.5 kN，远大于液压支架临界工作阻力，因此在正常生产时，工作面支架不发生倾倒。当载荷为0时的支架倾倒的极限倾角为26.6，表明工作面的液压支架和刮板输送机等设备在38的斜面上易发生滑移，且支架沿A点产生的力矩为fd=-83 kNm，即一旦支架顶板出现漏顶情况，防止支架倾倒至少要施加83 kNm的抗倒力矩。3.20291工作面支架失稳原因分析由于唐山矿为冲击地压矿井，0291工作面有冲击地压危险。在掘进及安装期间工作面切眼进行了煤体深孔爆破，造成煤体内部裂隙发育，局部煤体在浅部锚杆支护解除后失去支撑性和整体性。由于工作面煤层倾角大，局部煤壁煤体失稳后向上扩散，片帮、抽冒后散煤无法形成堆积，造成片帮、抽冒范围延伸扩大，冒落煤量增大无法控制，结果导致支架上方的载荷急速减小，甚至支架局部不能接顶，当倾角为38的支架工作阻力小于891.2 kN时，即可发生倾倒或滑移事件，2021年0291工作面初采期间发生了倒架事故，支架的前方煤壁及顶板上方均有破坏的煤体。因此，支架倒架原因主要有4点：（1）通过分析38斜面支架的临界状态可知，液压支架工作阻力小于701.8 kN时支架发生滑移；支架工作阻力小于356.5 kN时支架发生倾倒，0291工作面初采期间煤壁片帮、顶煤抽冒造成支架上顶空，支架工作阻力严重不足，因而出现了支架倾倒和滑移现象同时出现。（2）为便于工作面安装，切眼底板走向基本水平，初采工作面需下卧找底，支架下扎，造成支架局部不能接顶、支架超高，致使支架高度h的增大和支架工作阻力q的减小，致使抗滑力和抗倒力矩的减小，以及倾倒力矩的增大。（3）初采时工作面防倒防滑装置尚不完善，未能发挥主要装置的效能。（4）工作面顶网强度低，顶煤破碎抽冒后顶煤破碎支架反复支撑造成支架上部金属网破损，支架上溜煤严重，加重了支架初撑力不足问题，同时给支架调整造成困难。4支架失稳控制措施4.1增加防倒防滑装置每组支架在顶梁前部加装架间防倒千斤顶，每5组支架在顶梁中部和摆梁加装架间 防 倒 千 斤顶100/70400-1140，如图4所示；该千斤顶可施加188.4 kN的拉力，形成188.4 kN3 m=565.2 kNm的力矩，大于漏顶时所需抗倒力矩83 kNm，能有效防止支架倾倒。图4支架平拉式防倒装置0291工作面的ZF7600/17/34D型液压支架的额定工作阻力为7 600 kN，初撑力按照0.8的系数计算，可达到6 080 kN，远大于临界工作阻力，因此在正常生产时，单台支架可产生支架滑移判断力为579.3 kN，工作面支架不发生滑移，即1组支架工作阻力正常，即可阻挡9组支架的下滑。因此设计每5组支架间加装前溜和后溜防倒防滑千斤顶125/70485，同时防止前后刮板输送机的下滑，如图5所示。图5液压支架与刮板输送机防滑装置第42卷第03期Vol.42 No.03唐山矿大倾角综放工作面支架失稳力学机理及控制技术王明强，等防倒千斤顶支架顶梁前刮板输送机1 500支架顶梁防滑千斤顶支架底座后刮板输送机防滑千斤顶支架底座支架底座支架底座支架底座227第42卷第03期唐山矿大倾角综放工作面支架失稳力学机理及控制技术王明强，等Vol.42 No.034.2支架调整措施0291工作面初采期间，支架发生倾倒和滑移，加之片帮冒顶，支架形态各异，调整支架的主要措施如下：（1）对倒架严重的支架选择支架侧护板尚有活动余量的支架，从上往下分组调整。使用支架防倒千斤顶或13棵单体柱将支架向斜上方支顶，3棵单体柱分别打在：支架回转处，顶梁柱窝处，尾梁与掩护梁铰接处。（2）对于因支架大量倾倒后下半面的支架顶梁侧护板均已经无活动空间，无法向斜上支顶，采用支架底调将支架底向斜下方支顶的方法调整支架。（3）由于支架歪扭严重及支架推溜装置间隙小，部分推溜滑块进入支架底脚下方无法拉移支架，同时支架底调无法支移支架底脚，因此将这部分支架推溜装置与面溜解开，使用14环锚链环绕链接，将推溜滑块重新入滑道避免支架底脚采压，也使支架底调可以向下支移底脚。工作面3790组支架改用大链连接，支架调正后又改为原连接头连接。5结语（1）建立了0291大倾角工作面支架滑移力学方程和支架倾倒力矩方程，推导了支架滑移判断力、倾倒判断力矩以及发生滑移和倾倒的极限倾角计算公式。（2）依据ZF7600/17/34D型液压支架的基本参数，计算了该型液压支架在空载时发生滑移的极限倾角为21.8，发生倾倒的极限倾角为26.6，而倾角为38的0291工作面在初采期间发生片帮、冒顶及漏顶现象，导致支架工作阻力严重不足，支架滑移和倾倒成为一种必然，得出了0291工作面发生倒架事件的原因。（3）计算了空载时支架稳定需增加抗滑力75.1 kN，增加抗倾倒力矩83 kNm，设计顶梁前部加装架间防倒千斤顶，每5组支架加装前溜和后溜防倒防滑千斤顶，能有效防止支架倾倒和滑移。参考文献：1宋选民，朱德福，王仲伦，等我国煤矿综放开采40年:理论与技术装备研究进展J煤炭科学技术，2021,49(3):1-29.2师皓宇,马念杰,石建军,等.采场围岩能量演化及释放模拟研究J.煤炭科学技术,2020,48(3):106-111.3于斌，徐刚，黄志增，等特厚煤层智能化综放开采理论与关键技术架构J煤炭学报，2019,44(1):42-534王明强,王永建,张强,等.唐山矿冲击地压影响因素的主控性指标J.辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2021,40(5):415-419.5张浩，伍永平大倾角煤层长壁大采高采场煤壁片帮机制J采矿与安全工程学报，2019,36(2):331-3376张益东，程敬义，王晓溪，等大倾角仰(俯)采采场顶板破断的薄板模型分析J采矿与安全工程学报，2010,27(4):487-4937黄炳香，刘长友，程庆迎低位综放开采顶煤放出率与含矸率的关系J煤炭学报，2007,32(8):789-7938田多，师皓宇，付恩俊，等基于椭球体理论的放煤步距与放出率关系研究J煤炭科学技术，2015,43(5):5153,1439郭峰，郎丁，黄克军，等.大倾角松软煤层综放采场支架-围岩系统失稳研究J.煤炭科学技术，2018,46(4):123128.10杨科，池小楼，刘钦节，等大倾角煤层综采工作面再生顶板与支架失稳机理J煤炭学报，2020,45(9):3045-305311伍永平，郎丁，解盘石大倾角软煤综放工作面支架倾倒机理研究J煤炭科学技术，2016,44(1):73-7812罗生虎，伍永平，解盘石，等大倾角煤层走向长壁开采支架稳定性力学分析J煤炭学报，2019,44(9):2664-2672作者简介：王明强（1979-），黑龙江双鸭山人，高级工程师，硕士，主要从事煤矿生产的技术管理等，电子信箱：；通信作者：师皓宇,电子信箱：.责任编辑：李景奇收稿日期：20220125228