大采高综放面支架压死损坏机理分析及对策.pdf

2013 年 6 月 Feb., 2013 doi10.3969/j.issn.1672- 9943.2013.03.036 大采高综放面支架压死损坏机理分析及对策 鲁展， 赵荣阔， 高灵志， 赵东城 （徐州矿务集团 安全监察部， 江苏 徐州 221006 ） ［摘要］ 介绍了某煤矿 1303 大采高综采放顶煤工作面大面积支架被压死、 损坏情况， 通过 对其机理分析， 提出了防范措施， 为以后生产杜绝类似事故发生， 具有借鉴意义。 ［关键词］大采高；综放支架；损坏机理；机理分析；对策 ［中图分类号］TD355.9［文献标识码］B［文章编号］1672-9943201303-0093-03 1概况 宝鸡地区某煤矿 1303 工作面所采煤层为中 侏罗统延安组 3煤层， 煤层平均厚 14.6 m， 老顶 为砂岩， 厚 4.9 m， 成分主要为石英， 长石次之， 次 棱角状， 硅质胶结、 致密坚硬， 粉砂岩夹深灰色泥 岩薄层与条带。 直接顶为泥岩， 厚度 3.4 m。 该工作 面存在较大的向斜及多条断层，主要充水因素为 顶板砂岩水和日常生产用水， 最大涌水量 260m3/h， 正常涌水量 18 m3/h。 2采煤方法 1303 工作面采用走向长壁后退式全部垮落 综合机械化放顶采煤法。设计采高 3.6 m， 采放比 为 1∶3， 采取采放平行作业、 一采一放双轮顺序 放煤方式，选用德国艾柯夫 SL300 型双滚筒采煤 机割煤， 其技术参数如表 1 所示。 表 1SL- 300 型双滚筒采煤机主要技术参数 工作面布置 129 台 ZF12000/25/38 型支架， 其技术参数如表 2 所示。 表 2ZF12000/25/38 型液压支架主要技术参数 另外安装过渡架 7台， 端头支架 1 台， 工作面 刮板输送机为 PF6/1142 型刮板输送机 （前部输送 机 ） 和 PF6/1342 型刮板输送机 （后部输送机） 各 1 台， 卡马特乳化液泵 4 台， 双进双回。 3支架压死损坏情况 2012 年 2 月 13 日工作面投产试采， 采至 38 m 初次来压， 8 月 16 日中班，工作面回采至 538 m， 50100支架被压死， 8 月 24 日, 推进至 570 m 处， 工作面下段 714支架、 上段 9397支架出 现淋水， 采空区涌水， 瞬时最大涌水量为 2300m3/h， 并且上段顶板突然来压， 煤 （岩 ） 炮响声不断， 煤壁 大部分严重片帮，上段 90132支架安全阀全部 开启， 几分钟内 “压死” 。恢复生产期间修复支架， 支架顶梁立柱窝被压碎 32 个， 开焊 16 个， 支架底 座立柱窝 9 个， 立柱爆缸、 变形 37 棵。 4支架支护强度 4.1支护强度计算 支架支护强度采用估算法计算。对于放顶煤 工作面支架工作阻力应支撑直接顶和顶煤的重 量， 并平衡基本顶失稳时对支架的动载， 计算公式 如下 PKd （q直q煤） 式中P 工作面所需支护强度， MPa； Kd基本顶失稳时动载系数， 一般为 1.11.8， 由于顶板容易垮落， 取 1.6； q直直接顶自重应力， kN/m2； q煤支 架 上 方 顶 煤 的 自 重 应 力 ， kN/m2。 经计算， P0.882 MPa 4.2支架工作阻力计算 支架工作阻力计算 项目技术参数项目技术参数 采高范围 /m- 0.35～3.81过煤高度 /m00.695 供电电压 /V3 300总装机功率/kW1 138 滚筒直径 /mm2 000滚筒截深 /mm800 生产能力 / （t/h ）1 500牵引速度 / （m/min ）036.5 尺寸 长宽高 /mm 14 1503 125 1 500 整机重量 /t50 项目技术参数项目技术参数 工作阻力 /kN12 000支撑高度 /mm2 5003 800 支护强度 /MPa1.14支护初撑力 /kN10 132 支架中心距/mm1 750移架步距 /mm800 泵站压力 /MPa31.5推溜力 /kN445 对底板比压/MPa 移架力 /kN 3.4 801 拉后部溜力 /kN 适应煤层倾角 / 306 ≤15 能 源 技 术 与 管 理 EnergyTechnologyand Management 2013 年第 38 卷第 3 期 Vol. 38 No.393 2013 年 6 月 Feb., 2013 FS q 其中SA （Lc ） 式中F支架工作阻力， kN； q支架支护强度， MPa； A支架中心距； L支架顶梁长， 取 6.04 m； c梁端距， 取 0.34 m。 经计算 F9 847.53 kN 通过对地表勘察发现，井上下对照距工作面 切眼 60 m地表有 3 条裂缝， 宽 150 mm， 且有高低 错差， 错差距离达 400 mm， 以后每 5060 m （为周 期来压步距 3 倍 ） 均有此现象， 最宽达 850 mm， 高 低错差达 600 mm。 因此，所选液压支架工作阻力 12 000 kN， 虽 然大于 9 847.53 kN，支护强度 1.14 MPa，大于 0.882 MPa。 但支架支护强度的估算法失去了计算 依据， 正常情况下能够满足要求， 但该工作面的上 覆岩层断裂延展到地表，支架的支护强度满足不 了要求。 5支架压死损坏机理分析 5.1部分支架损坏未修复， 弱化了支护效果 2012 年 8 月 16 日中班，工作面回采至 538 m， 50～100支架被压死， 8 个后立柱窝被压破 碎， 15 个后立柱柱窝开焊或开裂， 7 棵后立柱有不 同程度损坏。 对待以上支架构件损坏， 没有及时进 行修复更换， 只进行卧底、 处理压死支架， 3 d 后立 即恢复生产， 支架带病工作， 导致支护强度减弱。 5.2初撑力不足， 支护强度低 初撑力大， 立柱能很快达到工作阻力， 减少顶 板下沉量， 避免顶板的离层， 改善支护性能。当初 撑力达不到设计初撑力时， 支架支撑后， 工作面顶 板压力增大， 立柱的阻力迅速增大， 达到或超过立 柱的额定初撑力， 以求支架处于工作阻力状态， 与 增大的顶板压力保持平衡， 甚至安全阀开启。 该支 架初撑力设计为 31.5 MPa， 通过对 23 日 1900 至 24 日 300 压死支架支护质量在线监测历史数据 分析（每 8 架 1 个传感器） ，部分立柱初撑力在 20 MPa 以下， 如图 1 所示； 部分前立柱初撑力低 于后立柱， 甚至有的支架前立柱无初撑， 如图 2 所 示。 来压时压力集中在后立柱； 部分后立柱顶煤松 散， 支架呈减压型支护， 如图 3 所示； 甚至有的支 架后立柱无初撑力， 如图 4 所示； 导致来压时立柱 迅速下缩， 然后安全阀开启。 图 11303 面工作阻力曲线分析 图 21303 面工作阻力曲线分析 图 31303 面工作阻力曲线分析 图 41303 面工作阻力曲线分析 5.3安全阀开启压力整定值偏低 该工作面支架为四立柱支撑掩护式，缸径为 320 mm， 额定工作阻力为 12 000 kN， 每个立柱工 作阻力为 37.3 MPa，安全阀整定值是工作阻力的 0.91.1 倍， 关闭压力为工作阻力的 0.85倍。因此 鲁展， 等大采高综放面支架压死损坏机理分析及对策94 2013 年 6 月 Feb., 2013 该支架安全阀开启压力应为 33.5741.03 MPa， 而 该支架安全阀开启压力调定为下线 33.57 MPa， 致 使工作面周期来压， 大量支架立柱安全阀开启， 立 柱内乳化液全部泄露， 导致立柱无行程， 致使发生 压垮型事故， 支架损坏严重。 5.4周期来压作用 1303 工作面初次来压步距为 38 m， 周期来压 步距为 1719 m， 8 月 16 日工作面推进至 538 m 时， 周期来压， 部分支架被压死， 处理 3 d 恢复生 产， 8月 24 日回采至 570 m， 其间推进 32 m， 由于 回采速度慢， 推进距约为两个周期来压步距， 因此 压死损坏支架正值周期来压期间。 5.5离层水溃入， 压力异常 1303 工作面离层带上方的坚硬致密砂岩层 随着走向跨度的增加，突然断裂后对离层水产生 相当大的挤压力，导致离层水突破其底部的隔水 层而突然溃出， 导致压力猛增， 作用在支架上， 超 过支架支护能力。 5.6构造叠加 由煤层顶板等高线图分析，此位置为 X5 向 斜轴和 B4 背斜轴交叉位置，且煤层顶板等高线 不连续， 工作面刚过 X5 向斜， 转入 B4 背斜， 构造 叠加， 造成压力相对集中。 5.7压力集中在工作面中部 1303 工作面回风顺槽与皮带顺槽落差为 10m， 两道掘进期间撇底煤施工， 工作面中部跟底回采， 形成中间低两端高， 似 “向斜” 构造， 如图 5 所示。 同时工作面长 235 m， 中部压力集中， 工作面周期 来压期间中部压力大于两端位置， 应力叠加。 图 51303 工作面剖面图 5.8推进速度慢， 压力集中 由于受到煤炭 “寒冬” 的影响， 煤炭滞销， 以销 定产， 致使工作面生产不连续， 推进速度慢， 造成 压力大、 压力集中。 6防范措施 6.1采取科学手段， 预报周期来压 充分利用在线监测， 加强支护质量监测， 进一 步研究综放工作面顶板压力显现规律，开展周期 来压预报， 在周期来压期间不放煤， 加快推进， 让 周期压迅速转移至采空区。 6.2树立正确思想， 提高支护强度 优选高工作阻力支架，杜绝液压支架带病工 作；液压支架的初撑力不低于工作阻力的 80； 同时兼顾前后立柱，对于支架顶梁采空区侧顶煤 松动， 或放过顶煤后， 及时进行二次补液； 调定立 柱安全阀开启压力，杜绝因顶板来压大量安全阀 迅速开启， 支架压死， 损坏支架。 6.3积极创造条件， 为周期压快速推进创造条件 加强设备检修， 杜绝机械事故的发生； 进一步 完善防排水系统，扩大 1303 工作面的排水规模， 该面的排水能力不得低于 300 m3/h，确保周期来 压关键时刻不会因为排水能力满足不了要求或设 备损坏而影响周期来压期间快速推进。 6.4坚持有疑必探， 实现隐患闭合 开展冒落带、 裂隙带的井下空间位置观测， 确 定两带的高度， 研究离层水体发育规律、 顶板运动 规律及离层水体的形成时间，探索离层水体在空 间纵向和横向发育规律；建立井田内含水层的地 下水位观测网， 采用物探、 钻探相结合的方法， 研 究煤层顶板砂岩层的水害形成机理及防治等重点 技术难题， 查明工作面煤层顶板砂岩的富水性、 区 域， 及时探放， 为安全生产创造条件； 加强地表裂 缝回填， 防止空气进入引起采空区煤炭发火。 6.5科学从容组织生产， 避免事故发生 工作面均匀开采， 连续推进， 避免工作面间歇 回采，造成压力集中；工作面两道施工时跟底掘 进， 回采时跟底回采， 衬平工作面底板， 杜绝人为 制造 “向斜” ， 导致压力相对集中。 7结语 该综放工作面大采高， 设备实现了大功率、 高 工作阻力， 但由于支护强度弱、 生产的不连续， 对 顶板运动规律、离层水体的发育规律及离层水体 的形成认识不足，导致了工作面突水期间大面积 支架被压死、 损坏， 影响了生产的正常进行， 文章 对支架压死损坏机理进行分析， 寻求防范措施， 为 将来科学合理组织生产提供了借鉴。 ［作者简介］ 鲁展 （1968-） ， 男， 高级工程师， 毕业于中国矿业大学 采矿工程专业， 现在徐州矿务集团安全监察部从事安全监 察工作。［收稿日期 2013- 01- 21］ 能 源 技 术 与 管 理 EnergyTechnologyand Management 2013 年第 38 卷第 3 期 Vol. 38 No.395