大采高液压支架失稳与矿压显现关系研究.pdf

第2 0卷 第2期 总第 1 2 3期 2 0 1 5年 4月 煤 矿 开 采 C0AL MI NI NG TECHNOL0GY V o 1 ． 2 0 N o ． 2 S e r i e s N o ． 1 2 3 April 201 5 大采高液压支架失稳 与矿 压显现关 系研 究 王东攀 ，刘前进 天地科技股份有 限公 司 开采设计事业 部，北京 1 0 0 0 1 3 [ 摘要] 通过对近水平大采高综采工作面支架失稳过程的分析，获知煤壁片帮漏顶是支架失 稳的重要原因，在此基础上对倒架段支架不同阶段的矿压显现特征和原因进行研究，结果表明初撑力 决定了支架工作阻力的运行状况，过低初撑力将导致液压支架高工作阻力无法发挥，提高初撑力是防 止支架失稳的关键。 [ 关键词] 大采高综采；支架失稳；初撑力；给定变形；限定变形 [ 中图分类号]T D 3 5 5 ． 4 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 6 6 2 2 5 2 0 1 5 0 2 0 0 7 8 0 3 Re l a t i o n s h i p b e t we e n i ns t a bi l i t y o f La r g e - mi n i n g-- he i g ht Po we r e d S u p p o r t a n d Un d e r g r o u n d Pr e s s u r e Be h a v i o r wA N G D o n g - p a n ．L I U Q i a n - j i n C o a l Mi n i n g＆D e s i g n i n g D e p a r t me n t ，T i a n d i S c i e n c e＆T e c h n o l o g y C o ． ，L t d ． ，B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a Ab s t r a c t B y a n aly z i n g t h e i n s t a b i l i t y p r o c e s s o f l a r g e mi n i n g h e i g h t p o w e r e d s u p p o ， i t wa s o b t n e d t h a t c o a l wa l l s l i d e a n d f a l l w a s ma i n c a u s e o f s up p o s i ns t a bi l i t y ．On t h e b a s i s o f t h i s，u nd e r g r o un d pr e s s ur e be ha v i o r o f i n s t a b l e po we r e d s up p o s i n di f f e r e n t p hr a s e s wa s a n aly z e d ． R e s u l t s s h o w e d t h a t o p e r a t i o n s t a t e o f p o we r e d s u p p o w a s d e c i d e d b y s e t t i n g l o a d a n d l o w e r s e t t i n g l o a d wo u l d r e s t ri c t h i g h wo r k i n g r e s i s t a n c e ， t h e r e f o r e，i mp r o v i n g s e t t i n g l o a d wa s t h e k e y t o p r e v e n t i n g p o we r e d s u p p o i n s t a b i l i t y ． Ke y wo r d s l arg e - mi n i n g h e i g h t f u l l - me c h a n i z e d mi n i n g；p o we r e d s u p p o i n s t a b i l i t y； s e t t i n g l o a d；g i v e n d e f o r ma t i o n；f i n i t e d e f o rm a t i o n 大采高液压支架支撑高度大 ，工作面矿压显现 强烈 ，支架受力状况 复杂，对破碎顶 底、松 软煤 层、复杂地质构造适应性相对较差 ，煤壁片帮 、架 前冒顶发生几率高，进而易引发液压支架挤架、倒 架等失稳事故。由于支架重量大 、支撑高度高 、重 心位置高 ，采用普通单体液压支柱进行调架操作难 度大 、风险高 ，因此大采高工作面一旦发生支架失 稳 ，将会给工作面安全生产和经济效益带来严重威 胁。 国内有关学者已就大采高综采工作面煤壁的片 帮机理和防治进行了相关研究 ，本文在现有研究成 果的基础上 ，针对 山西长治霍尔辛赫煤矿 3 2 0 8工 作面支架失稳事故进行分析 ，并重点对 比研究 了支 架失稳前后矿压显现的差异。 1 工作面生产技术条件 3 2 0 8 大采高工作面开采 3号煤层，煤层厚度 5 ． 2 ～ 6 ． 0 m，平均厚度 5 ． 6 m，煤层结构简单，坚 固性系数，为 0 ． 5～ 0 ． 6 ，含泥岩、炭质泥岩夹矸 1 层 ，坚固性系数． 厂 平均为 1 ． 0 ，节理裂隙发育，煤 层倾角 0～1 5 。 ，平均 9 。 。基本顶为厚度 1 1 ． 2 m细 砂岩 ，直接顶为 4 ． 6 m泥岩 、1 ． 1 m细砂岩和 2 ． 4 m 泥岩 ，坚 固性 系数 34，强度 较低 ，随采 随 冒， 伪顶为厚度 0 ． 3 8 m炭质泥岩 ，硬度软 ，泥质胶结。 直接底为 8 m厚泥岩 ，坚 固性系数 2 ． 5，老底为厚 度 5 ． 7 0 m 砂 质泥 岩。工 作 面斜 长 1 7 3 ． 5 m，布 置 1 0 0付 Z Y 1 2 0 0 0 ／ 2 8 ／ 6 0 D型电液控制液压支架 。 2 支架失稳过程及原 因分析 3 2 0 8工作面于 3月 1 0日开始初采 ，日平均推 进 3 ． 6 m，自4月 5日开始工作面 2 0～5 0号支架煤 壁片帮严重，深度达 1 ． 0 m左右，2 0～4 O号支架发 生倾倒 ，倾倒 角度 7 5～8 2 。 ，其 中 3 2～3 7号支 架 倾倒严重 ，平均角度达 7 0 。 。支架倾倒后 ，调架期 间工作面推进速度慢，直接顶破碎度提高，基本顶 回转变形量增大 ，漏顶范围进一步扩展 ，在顶板沿 [ 收稿日 期]2 0 1 4 - 0 8 - 1 8 [ D O I ]1 0 ． 1 3 5 3 2 ／ j ． c n k i ． c n l 1 3 6 7 7 ／ t d ． 2 0 1 5 ． 0 2 ． 0 2 2 [ 基金项 目]“ 十二五” 国家科技支撑计划资助项 目 2 0 1 2 B A K 0 4 B 0 8 ；2 0 1 3年川煤集 团重点科研项 目大倾角松 软厚煤层 一次采全 高关 键技术与装备 [ 作者简介]王东攀 1 9 7 8 - ，男，河南南阳人，副研究员，主要从事煤矿安全高效开采、矿山压力与岩层控制技术等方面研究工作。 [ 引用格式] 王东攀，刘前进 ．大采高液压支架失稳与矿压显现关系研究 [ J ]．煤矿开采 ，2 0 1 5 ，2 0 2 7 8 8 0 ． 7 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王东攀等大采高液压支架失稳与矿压显现关系研究 2 0 1 5年第2期 倾斜方向分力的作用下 ，使支架倾倒范围和程度加 剧 ，直至机头。经过工作面调斜和单体支柱强扶 ， 至 5月 2 8 日工作 面恢 复正常 生产 ，期 间共 推进 4 0m 。 分析 3 2 0 8大采高工作面支架失稳 的主要原 因 有 1 顶板存在 0 ． 3 8 m炭质泥岩 ，直接顶为泥 岩 ，煤层坚 固性 系数 厂为 0 ． 50 ． 6 ，节 理裂隙发 育 ，工作面采高大 ，矿压大幅度增加 ，煤壁塑性区 宽度增大，煤壁发生剪切滑移破坏 ，片帮严重 ，支 架端面距增大，空顶区直接顶破碎 ，发生 冒顶 ，造 成支架无法接顶或接顶不实 ，由此引起失稳 。 2 工作面伪斜控 制不 当。回采 初期工作 面 呈俯伪斜 布置 ，导致 刮板 输送机下滑 至运输巷下 帮 ，无法推溜。后采用机头快进方式进行调斜 ，由 于刮板输送机重量轻 ，调向速度快，但支架未及时 跟上调向 ，引起中间支架挤架 ，侧护板行程转移到 相邻支架 ，支架间隙增大 ，侧护板千斤顶即使完全 打开也无法靠上相邻支架 ，在沿顶板倾斜方向切向 分力的作用下支架倾倒程度加剧 ，进而发生大范围 倒架 。 3 工作面运输巷沿 顶板 布置 ，支 架沿底板 回采 ，机头段 1 O付支架沿顶板逐渐降低采高缓慢 过渡至运输巷底板 ，且靠近机头段 出现了一个小 向 斜 ，由此造成支架 向低凹段倾斜 ，进而发生挤架 ， 加之低凹段易发生积水 ，底板为泥岩 ，遇水软化 ， 支架钻底 ，造成拉架困难 ，加剧了支架挤咬。 4 倒架前支架平均初撑力 3 3 0 0 k N，仅 占额 定初撑力的 3 8 ％ ，主动支护作用 发挥不够 ，支架 对顶板 的支撑作用处于 “ 给定变形” ，顶板下沉量 增大 ，压力转移至煤帮，造成煤壁片帮漏顶加剧 ， 引起支架失稳。 3 支架失稳与矿压显现关系分析 防治大采高综采液压支架失稳必须控制煤壁片 帮 、架前漏顶。为了控制煤壁片帮冒顶 ，目前大采 高综采支架初撑力一般均 留有较高的富裕量 ，但支 架失稳仍时有发生 ，因此有必要对支架失稳前后支 架与围岩的相互作用关系进行分析。针对 3 2 0 8工 作面倒架前后矿压实测数据进行分析 ，以倒架严重 的2 8号支架为例，其支架工作阻力原始曲线见图 1 ，并重点对比倒架段支架工作阻力特征 。 3 ． 1 支架失稳前后初撑力对比 应用统计分析方法 ，对倒架段支架不同阶段的 初撑力进行对比分析 ，见 图2 。 l 2 0 o 0 星 6 0 o 0 H 4 o o o 2 O 0 0 稿蹄 掰硝 鼎 撸 ； 青 镐 冉 髓 捕绍粥 ； 胃 始 ； 错 韶 a 】 初采期间支架工作阻力原始曲线 f。 I f f h r， j ／ I f { ，l ．／ | 铡 _ 4’ ～ } } } l 蚕 盘 世 H b 倒架前支架工作阻力原始曲线 c 倒架质支架工作阻力原始睡线 图1 2 8号支架工作阻力原始曲线 7 O 0 0 6 O 0 o 茧5 0 0 0 4 0 0 0 瓣 犀 3 0 0 0 置 I} 2 0 0 0 1 O0 0 0 5 6 7 2 8 2 9 3 O 支架号 图2 不 同阶段倒架段支架初撑力对 比柱状 图 由图2可知 ，工作面初采期间支架平均初撑力 5 5 0 0 k N，倒架前平均初撑力降为 3 3 0 0 k N，仅 占额 定初撑力的 4 0 ％ ，倒架后平均初 撑力 2 0 4 0 k N。倒 架前支架初撑力较初采期间显著降低 ，煤壁片帮漏 顶加剧 ，支架发生倾倒后 ，顶梁上方为浮矸 ，支架 难以充分接顶 ，初撑力进一步降低 ，支架的强控顶 能力完全无法发挥。当周期来压时 ，过低初撑力使 支架处于急增阻状态 ，基本顶 回转下沉速度快 ，对 直接顶和煤壁产生较大的冲击 ，进一步加剧了煤壁 片帮漏顶。 3 ． 2 失稳前后支架工作阻力对比 应用统计分析方法，对倒架段不同阶段的支架 工作 阻力进行对 比分析 ，见图 3 。 由图3可 知，初采期 间支 架平均工 作阻力 为 6 4 1 5 k N，倒架前支架平均工作阻力为 5 0 6 0 k N，倒 架后支架平均工作 阻力为 2 9 0 0 k N，仅 占额定工作 7 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 1 2 3期 煤矿 开 采 2 0 1 5年第2期 8 0 0 0 7 0 0 0 蚕6 0 0 0 5 0 0 0 星 4 O O O 蒙 3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 1 从支架失稳过 程矿压 观测数 据对 比分 析 看 ， 随着初撑力降低 ， 支架平均工作阻力随之降 低 ，初撑力一定程度上决定着支架工作阻力的运行 状况 ，过低初撑力将导致液压支架高工作阻力无法 发挥 。 2 高初撑力使支架对顶板 的抵抗作用表 现 为 “ 限定变形” ，能有效控制基本顶 “ 砌体梁”关 键块失稳造成的顶板下沉 ，降低来压强度 ；低初撑 力支架对顶板 的抵抗作用表现为 “ 给定变形” ，通 过立柱的下缩平衡基本顶 回转变形的挤压力 ，支架 对基本顶的控制程度减弱，高工作阻力无法充分发 挥 ，煤壁 和采空 区矸石受力增 大 ，加剧 了片帮漏 顶 。 3 实测结果分析表 明，支架初撑力过 小是 导致工作面支架发生失稳的重要影响因素之一 ，必 须采取措施保证工作面支架合理初撑力 ，更好地发 挥支架性能 。 [ 参考文献] [ 1 ]钱鸣高，石平五． 矿山压力与岩层控制 [ M]． 徐州中国矿 业大学出版社 ，2 0 0 3 ． [ 2 ]文志杰 ，汤建泉 ．大采高 采场力学模 型及 支架工 作状态 研究 [ J ]． 煤炭学报 ，2 0 1 1 ，3 6 5 4 2 4 6 ． [ 3 ] 闽少宏 ，尹希文 ．大采高综采顶板短悬臂梁一 铰接 岩梁结构与 支架工作阻力的确定 [ J ]．煤炭学报 ，2 0 1 1 ，3 6 1 1 ． [ 4]阎建 华 ，综 采工 作面 支架 初 撑力 与 围岩 相互 作 用关 系 分析 [ J ]．煤炭科学技 术，2 0 1 4，4 2 4 1 2 1 5 ． [ 5 ]石栋，段红民． 大采高综采面煤壁片帮预防措施 [ J ]．中 国煤 炭，2 0 0 8，3 4 2 2 4 2 6 ． [ 6 ]李亚军． 大采高工作面片帮冒顶机理及防治技术 [ J ]． 煤矿 开采 ，2 0 1 4，1 9 4 1 0 6 1 0 7 ，9 9 ． [ 7 ]何风强 ，李宏 ，王东攀 ．四柱放顶 煤液压 支架立 柱受力 不 均衡规律及机理研究 [ J ]．煤矿 开采 ，2 0 1 2，1 7 6 3 5 3 7 ． [ 8 ]纪玉龙，何风强，王东攀 ．近距离大倾角综放工作面矿压规 律及成因探析 [ J ]．煤炭工程 ，2 0 1 2 ，4 4 8 7 9 8 0，8 4 ． [ 责任编辑 潘俊锋 ] 上接 8 9页 [ 3 ]陈崇希 ，等 ．地下水动力学 [ M]．武汉 中国地质大学 出版 社 ，2 0 1 1 ． [ 4 ]董兴文 ．矿井 最大 涌水量计 算与参数 确定试论 岩溶管 流 矿井水均衡预测方法 [ J ]．工程勘察，1 9 9 5 4 2 4 2 8 ． [ 5 ]尹 尚先 ．煤矿区突 涌 水系统分 析模 拟及应用 [ J ]．岩 石 力学与工程学报 ，2 0 0 3 ，2 2 5 8 6 6 ． [ 6 ] 肖有才 ，张孔敏 ．北方岩溶 矿井突 水淹井分 析与最 大涌水 量 的计算 [ J ]． 煤炭学报， 2 0 0 4 ，2 9 s 1 3 0 3 3 ． [ 7]刘建军 ，章宝华 ．流体力学 [ M]．北京 北京 大学 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 8 ]曹代勇． 蔚县矿区断层构造定量研究 [ J ]． 煤田地质与勘探， 2 0 0 1 ，2 9 1 7 1 O ． 8 0 [ 9 ]李 和林 ．马兰井 田内断层 发育规律 的初 步探讨[ J ]．煤 田地 质与勘探 ，2 0 0 2，3 0 1 1 6 1 8 ． [ 1 O ]许进鹏 ．小断层的走 向长度 与断距关系的数学模型 [ J ]．煤 炭学报 ，2 0 0 5，3 0 1 2 2 2 5 ． [ 1 1 ]陈忠辉，胡正平 ，李辉 ，等 ．煤矿隐伏断层 突水的断裂 力 学模型及力 学判据 [ J ]．中国矿业 大学学报，2 0 1 1 ，4 0 5 6 7 4 6 7 7 ． [ 1 2 ]尹尚先， 武强，王尚旭 ． 华北岩溶陷落柱突水的水文地质 及力学基础 [ J ]．煤炭学报 ，2 0 0 4，2 9 2 1 8 2 1 8 5 ． [ 1 3 ]尹 尚先 ，武强 ． 煤层底板陷落柱突水模拟及机理分析 [ J ]． 岩石力学与工程学报 ，2 0 0 4，2 3 1 5 2 2 5 1 2 2 5 6 ． [ 1 4 ] 肖建于 ．证据理论研究及其在矿井突水预测中的应用 [ D]． 徐州 中国矿业 大学 ，2 0 1 2 ． [ 责任编辑 张玉军 ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m