大倾角复杂地质条件下轻放支架适应性研究

摘要：本文主要以大倾角复杂地质条件下的7172轻放工作面的开采为例，说明7172轻放工作面的采放工艺、矿压显现规律，重点对支架的适应性进行了研究，最终得出支架的适应性评价、支架改进建议，为今后更好地使用轻放开采技术具有较好的参考价值。

主题词：大倾角；复杂地质；轻放；采放工艺；支架的适应性

1  前言

7172工作面为徐庄煤矿第一个轻型放顶煤工作面，位于东七采区，煤层倾角大、地质条件复杂，工作面走向长1033m，倾向长146.1m，地质储量110万吨。该面于2001年1月份回采，2003年10月份回采结束，共回采22个月。实际回采原煤95万吨，回采率86.4%，最高月产6.3万吨，平均月产4.3万吨，平均工效13.5吨/工。在回采过程中歪、倒架及支架下滑事故在过断层期间时常发生，组织正规循环难度较大，造成单产、工效较低。

2  地质概况

2.1  煤层情况

该工作面煤层结构较简单，煤层倾角平均22.3°，东部煤层较薄，西部较厚，西部发育一层夹矸，夹矸发育长度150m，煤层均厚5.32 m，因受断层影响最薄处仅有1.3 m。

2.2  顶底板状况

该工作面7煤老顶为灰白色细纱岩，均厚9.0 m，以石英长石为主，较硬；直接顶为砂质泥岩，均厚0～5.8 m；底板为黑色砂质泥岩，均厚8.6m。

2.3  地质构造情况

该工作面构造较为复杂，共有断层15条，其中落差大于3.0 m的断层6条，上顺槽揭露4条，断层落差最大达5.5m，下顺槽揭露2条。

2.4  水文地质

该面水文地质条件较复杂，工作面东部煤层顶底板富水性较强，在工作面掘进过程中造成很大的影响，工作面初次放顶期间，最大涌水量300m3/h，正常回采期间涌水量为80 m3/h。

2.5  瓦斯、煤尘自燃等特征

瓦斯含量低，煤尘为强爆炸性，煤层易自燃。

3  设备选型

表1   技术参数表

序号	设备类型	型 号	主要技术参数
1	液压支架	YFJ2200-16/24	支撑掩护式，工作阻力2400KN，支架高度1600～2400mm，中心距1250 mm，支护强度0.55Mpa，底板比压1.65 Mpa，适应倾角∠25°
2	采 煤 机	6MG200-W	电机功率200KW，生产能力800t/h，滚筒直径1.8m，截深0.6m
3	刮板运输机	SGZ630/264	封底式，双中链，运输能力450 t/h，功率2*132kw
4	转 载 机	SZZ-764/160	电机功率160KW，输送量1000t/h，铺设长度45m
5	皮带输送机	SDJ-150	电机功率2* 75KW，输送量630t/h，铺设长度（2部）1020m
6	乳化泵站	WRB160/35	额定压力35Mpa，流量160L/Min，容量1600L
7	移 变	KBSGZY-800/1.2	额定电压1140V

4  采放工艺

4.1  采煤工艺

采用6MG200-W煤机割煤，截割深度0.6米，割采高度2.1米，两采一放，专职放煤工双轮顺序放煤，放煤步距1.2米。

4.2  进刀方式

两端头斜切进刀

4.3  工艺流程

煤机割煤→移架→推前溜→拉后溜→煤机割煤→移架→推前溜→放煤→拉后溜→清理。

4.4  采放比

工作面设计煤机割采高度为2.1米，煤层厚度平均为5.32米，故采放比为1：1.53。

5  工作面矿压显现规律

5.1  测点布置

在工作面倾向方向的上部、中部和下部各布置一条测线，每条测线两台支架，分别在支架的前面两立柱和后面两立柱上各设置1套圆图压力自记仪，即每台支架布置4套圆图压力自记仪，整个工作面总共布置24套。具体布置在距机头20m的13#和14#支架，中部（距机头75m）50#和51#支架，距机尾20m的87#和88#支架上。

5.2  周期来压步距分析

当工作面推进19.2m时，支架的总平均载荷即前柱末阻力达到25.43Mpa，属于一次明显的周期来压过程，记为周压Ⅰ。当工作面推进36.9m时，支架的前、后柱末阻力分别达到28.76Mpa、28.2Mpa，是观测期间的第二次周期来压，记为周压Ⅱ，周期来压步距17.7m。当工作面推进43.8m时，支架的前、后柱末阻力分别达到30.5Mpa、24Mpa，是观测期间的第三次周期来压，记为周压Ⅲ，周期来压步距9m。当工作面推进59.5～62.2m时，支架的前、后柱末阻力分别达到31.7Mpa、35.2Mpa，是观测期间的第四次周期来压，记为周压Ⅳ，周期来压步距18.4m。 当工作面推进73.9m时，支架的前、后柱末阻力分别达到29.0Mpa、25.9Mpa，是观测期间的第五次周期来压，记为周压Ⅴ，周期来压步距11.7m。当工作面推进82.3m时，支架的前、后柱末阻力分别达到33.6Mpa、18.4Mpa，是观测期间的第六次周期来压，记为周压Ⅵ，周期来压步距8.4m。以上分析表明，7172工作面观测到6次周期来压，来压期间的前柱下腔载荷平均为29.83Mpa，后腔压强平均为25.18Mpa，工作面周期来压步距平均为13.0m。

5.3  周期来压强度分析

根据7172工作面液压支架的载荷观测数据，6次周期来压的显现强度（动载系数）分析结果，参见表2

表2  7172工作面周期来压显现强度

来压次序	来压载荷P压（Mpa）	非来压平均载荷P平（Mpa）	来压显现强度Kd
周压Ⅰ	25.43	24.175	1.05
周压Ⅱ	28.76	22.377	1.29
周压Ⅲ	30.5	24.94	1.22
周压Ⅳ	31.7	25.273	1.25
周压Ⅴ	29.04	27.691	1.05
周压Ⅵ	33.6	24.443	1.37
平 均	29.84	24.82	1.21

由表2可见，7172轻放工作面的周期来压动载系数变化在1.05～1.37之间，平均动载系数Kd为1.21。据此分析结果，大倾角复杂地质条件下轻放工作面矿压显现强度比较缓和，来压期间的支架载荷与平时非来压期间的支架载荷差别不大，仅大21%左右。

6  支架的适应性研究

6.1  支架受力状况分析

7172工作面液压支架为YFJ2200-16/24轻型放顶煤支架，长*宽=4.65*1.19米，最大控顶距3923mm，最小控顶距3323mm，平均支护强度为0.55Mpa，底板比压1.65 Mpa。支架受力包括纵向、侧向、与垂直三个移动轴向及相应的三个转动力矩。在7172工作面回采过程中，由于大倾角煤层条件与放煤工艺的影响，特别遇到较大断层时，支架常发生倾倒、滑动等问题。主要表现在支架倾向歪斜倒架，严重影响了正常回采，减缓了工作面推进度，制约了轻型放顶煤支架高产高效的发挥。

6.2  支架纵向（向煤壁）倾倒的受力分析

放顶煤工作面由于顶煤的放出，使四柱式轻放支架的前后柱受载不均衡，前柱阻力大于后柱阻力，如此形成XOZ平面内绕Y轴的逆时针力矩My，见下图：

即：My=Q*q-W*ω-G*e

式中： Q—顶梁受力，KN；

q—底梁前端和Q力作用线的距离，m；

W—掩护梁上的受力，KN；

ω—底座前端与W力作用线的距离，m；

G—支架自重，KN；

e—底座前端到支架重心的距离，m；

如果支架倾倒必须具备的条件是My＞0，

即：Q*q-W*ω-G*e＞0

故有：Q*q＞W*ω-G*e

顶煤的放空造成两方面的作用：一是前柱载荷大，后柱载荷小，使Q合力作用线更加靠近底座前端，甚至超过底座前端即q减小；二是顶煤的放空使掩护梁上的作用力W≈0；另外由于轻放支架的自重G值较小，在这三者影响下上式极易满足，因此轻放支架特别容易向煤壁倾倒。

6.3  支架侧向滑动与倾倒的受力分析

在徐庄煤矿7172工作面，由于放煤工艺和大倾角的影响，在回采过程中支架常发生倾向即沿工作面下行方向的滑动和倾倒事故。支架的滑动表现为两种现象，其一为支架的整体下滑，原因是大倾角的影响；其二是绕支架前端的后尾下滑，俗称“支架甩腚”，原因是支架尾梁后端放空而支架前端尚处于支撑状态，另受大倾角的影响造成。

6.3.1  支架侧向纯滑动的受力分析

支架侧向纯滑动即支架沿工作面的向下滑动，见下图。若支架重量沿斜面的分力大于支架与底板间的摩擦力F，就要侧向移动。

下滑力F可按下式计算：

F=G*（sina-fcosa）

式中a—工作面倾角，度；f—钢材沿岩石面的摩擦系数，0.27。

当F＞0时支架要下滑

即G*（sina-fcosa）＞0

变形为a＞tg-1f

故有：a＞15°6＇

因此如果煤层倾角大于临界角15°6＇时支架就要下滑，而7172工作面的煤层倾角a=20～27°,远远超过临界倾角，因此在工作面空载移架时，沿工作面倾斜下滑是必然的。

6.3.2  支架后端侧向滑动的受力分析

支架发生绕Z轴转动形成的支架后端侧向滑动情形时，主要是由于后端顶煤放空，支架与顶底板的摩擦力减小，而支架前端顶煤较完整，支架前端支撑力较大，造成支架前端摩擦力较大，此时在顶板压力沿层面分力以及上位支架侧向推力的合力作用下，产生了绕支架前端Z轴的转动，最终表现形式为支架后端的侧向下滑，亦即“支架甩腚” 见下图：

在不考虑顶板前端支撑区域摩擦力的情况下，支架绕Z轴的力矩为：

M_Z=Qsina*q1 +F_t*e₁+Gsina*e₂-Qcosa*q₁-Gcosa*e₂

式中：F_t—上位支架的沿层面推力，KN；

e₁—推力Ft与转动轴的距离，m；

q₁—Q分力与转动轴的距离，m；

e₂—重力与转动轴的距离，m。

7172工作面的倾角较大，多为20～27°，加之上位支架很大的倾斜推力，因此正向力矩（即公式中的正项）很大，造成MZ＞0，且有时较大，故工作面尾梁常发生下甩、滑动以至造成尾梁咬架。

6.3.3  支架侧向倾倒的受力分析

当支架重力G和顶板压力W的分力作用线超过底座宽度边沿时，就产生倾倒。此倒转力矩MX为：

MX=（G*H+W*H0）sina-(G+W)cosa*B/2

式中B—支架底座宽度，m；

H—支架重心高度，m；

H0—W力作用点的高度，实际上可视为支架的高度，m。

从上式可以看出支架倾倒力矩MX的大小与工作面采高、支架结构（支架重心高度和底宽）、顶板压力的作用高度和大小有关。

在7172工作面，煤层倾角大，使侧向倾倒力矩MX变大，同时由于采高的关系，支架高度相对较大（2.1米），W作用高度大，且此种轻放支架的底座宽度小（B小），故此种支架易于倾向倾倒，即常说的“倾向倒架”。

6.4  支架适应性评价

⑴ 总体讲，YFJ2200—16/24型轻放支架是适应徐庄矿7#煤层的顶底板岩层赋存条件的，也能有效的控制轻放工作面的顶底板围岩，并且低位放顶煤架型能较好地适应顶煤的压裂、冒落和顺利放出，利于冒放煤岩的有序控制，放煤率较高，是一种经济性较好的放顶煤支架架型。

⑵ YFJ2200—16/24型轻放支架，对于徐庄矿7#煤层的大倾角复杂地质开采条件，支架工作阻力是足够的，能够抵抗放顶煤工作面的顶板压力，为顺利实现顶煤放出提供安全保证。

⑶ 分析研究表明，YFJ2200—16/24型轻放支架在徐庄矿7#煤层的大倾角复杂地质开采条件使用，也存在以下几个问题：

① 由于顶煤放出后造成前柱载荷大，后柱载荷小，顶板对支架的合力作用线前移，靠近支架底座前端有时超过底座前端，造成支架前柱受压，后柱受拉；另外由于顶煤的放出造成顶板对掩护梁上的作用力近似为0；YFJ2200-16/24支架重量轻；三方面的综合影响导致该型号的轻放支架特别易向煤壁倾倒。

② 对于煤层倾角较大的7172工作面，由于其倾角在20～27°，超过临界倾角15°6＇，故在工作面空载移架时，沿工作面倾斜下滑是必然的。

③ 由于放顶煤的影响，支架易发生“支架甩腚”咬架等现象。

④ 7172工作面，煤层倾角大，顶板对支架的合力作用线相对较高，支架底座宽度小，使支架重力G和顶板压力W的分力作用线超过底座边缘，支架易于倾向倾倒。

6.5  支架改进建议

⑴ 为了防止倾向倾倒，尽可能地降低支架重心，加大底座宽度；相应增加顶梁宽度。

⑵ 为了防止支架的纵向倾倒，在可能的情况下应尽量增加底座长度；同时合理设计轻放支架架型结构，使放顶煤采场的顶板合力作用点位置靠后。

⑶ 设计并安设有效控制工作面支架下滑、倾倒的“防滑、防倒”装置。

⑷ 目前YFJ2200-16/24轻放支架的前梁与主梁为一刚性整体，支架适用顶板的变化较差，常造成支架前部接顶不实，顶煤易在支架前部掉空，导致歪倒架，因此应改变前梁与主梁的连接方式，使支架前梁与主梁采取铰接联接，以提高支架前梁仰俯采的角度，确保支架前梁接顶严实。

⑸综放开采造成支架前柱受压，后柱受拉，由于支架立柱与顶梁相连接装置的顶梁耳座强度低，在实际回采过程中顶梁耳座常被拉坏，使后立柱失去支撑效果，据统计7172工作面顶梁耳座被拉坏的占20%，根据以上分析表明提高综放支架后柱顶梁耳座的强度极为重要。

参考文献

⑴钱鸣高  刘听成  矿山压力及其控制  煤炭工业出版社  1991