大采高液壓支架失穩與礦壓顯現關系研究

王東攀，劉前進

(天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京100013)

?

大采高液壓支架失穩與礦壓顯現關系研究

王東攀，劉前進

(天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京100013)

［摘要］通過對近水平大采高綜采工作面支架失穩過程的分析，獲知煤壁片幫漏頂是支架失穩的重要原因，在此基礎上對倒架段支架不同階段的礦壓顯現特征和原因進行研究，結果表明初撐力決定了支架工作阻力的運行狀況，過低初撐力將導致液壓支架高工作阻力無法發揮，提高初撐力是防止支架失穩的關鍵。

［關鍵詞］大采高綜采;支架失穩;初撐力;給定變形;限定變形

［引用格式］王東攀，劉前進.大采高液壓支架失穩與礦壓顯現關系研究［J］.煤礦開采，2015，20 (2) : 78－80.

大采高液壓支架支撐高度大，工作面礦壓顯現強烈，支架受力狀況復雜，對破碎頂底、松軟煤層、復雜地質構造適應性相對較差，煤壁片幫、架前冒頂發生幾率高，進而易引發液壓支架擠架、倒架等失穩事故。由于支架重量大、支撐高度高、重心位置高，采用普通單體液壓支柱進行調架操作難度大、風險高，因此大采高工作面一旦發生支架失穩，將會給工作面安全生產和經濟效益帶來嚴重威脅。

國內有關學者已就大采高綜采工作面煤壁的片幫機理和防治進行了相關研究，本文在現有研究成果的基礎上，針對山西長治霍爾辛赫煤礦3208工作面支架失穩事故進行分析，并重點對比研究了支架失穩前后礦壓顯現的差異。

1　工作面生產技術條件

3208大采高工作面開采3號煤層，煤層厚度5.2～6.0m，平均厚度5.6m，煤層結構簡單，堅固性系數f為0.5～0.6，含泥巖、炭質泥巖夾矸1層，堅固性系數f平均為1.0，節理裂隙發育，煤層傾角0～15°，平均9°。基本頂為厚度11.2m細砂巖，直接頂為4.6m泥巖、1.1m細砂巖和2.4m泥巖，堅固性系數3～4，強度較低，隨采隨冒，偽頂為厚度0.38m炭質泥巖，硬度軟，泥質膠結。直接底為8m厚泥巖，堅固性系數2.5，老底為厚度5.70m砂質泥巖。工作面斜長173.5m，布置100付ZY12000/28/60D型電液控制液壓支架。

2　支架失穩過程及原因分析

3208工作面于3月10日開始初采，日平均推進3.6m，自4月5日開始工作面20～50號支架煤壁片幫嚴重，深度達1.0m左右，20～40號支架發生傾倒，傾倒角度75～82°，其中32～37號支架傾倒嚴重，平均角度達70°。支架傾倒后，調架期間工作面推進速度慢，直接頂破碎度提高，基本頂回轉變形量增大，漏頂范圍進一步擴展，在頂板沿傾斜方向分力的作用下，使支架傾倒范圍和程度加劇，直至機頭。經過工作面調斜和單體支柱強扶，至5月28日工作面恢復正常生產，期間共推進40m。

分析3208大采高工作面支架失穩的主要原因有:

(1)頂板存在0.38m炭質泥巖，直接頂為泥巖，煤層堅固性系數f為0.5～0.6，節理裂隙發育，工作面采高大，礦壓大幅度增加，煤壁塑性區寬度增大，煤壁發生剪切滑移破壞，片幫嚴重，支架端面距增大，空頂區直接頂破碎，發生冒頂，造成支架無法接頂或接頂不實，由此引起失穩。

(2)工作面偽斜控制不當。回采初期工作面呈俯偽斜布置，導致刮板輸送機下滑至運輸巷下幫，無法推溜。后采用機頭快進方式進行調斜，由于刮板輸送機重量輕，調向速度快，但支架未及時跟上調向，引起中間支架擠架，側護板行程轉移到相鄰支架，支架間隙增大，側護板千斤頂即使完全打開也無法靠上相鄰支架，在沿頂板傾斜方向切向分力的作用下支架傾倒程度加劇，進而發生大范圍倒架。

(3)工作面運輸巷沿頂板布置，支架沿底板回采，機頭段10付支架沿頂板逐漸降低采高緩慢過渡至運輸巷底板，且靠近機頭段出現了一個小向斜，由此造成支架向低凹段傾斜，進而發生擠架，加之低凹段易發生積水，底板為泥巖，遇水軟化，支架鉆底，造成拉架困難，加劇了支架擠咬。

(4)倒架前支架平均初撐力3300kN，僅占額定初撐力的38%，主動支護作用發揮不夠，支架對頂板的支撐作用處于“給定變形”，頂板下沉量增大，壓力轉移至煤幫，造成煤壁片幫漏頂加劇，引起支架失穩。

3　支架失穩與礦壓顯現關系分析

防治大采高綜采液壓支架失穩必須控制煤壁片幫、架前漏頂。為了控制煤壁片幫冒頂，目前大采高綜采支架初撐力一般均留有較高的富裕量，但支架失穩仍時有發生，因此有必要對支架失穩前后支架與圍巖的相互作用關系進行分析。針對3208工作面倒架前后礦壓實測數據進行分析，以倒架嚴重的28號支架為例，其支架工作阻力原始曲線見圖1，并重點對比倒架段支架工作阻力特征。

3.1支架失穩前后初撐力對比

應用統計分析方法，對倒架段支架不同階段的初撐力進行對比分析，見圖2。

圖1　28號支架工作阻力原始曲線

圖2　不同階段倒架段支架初撐力對比柱狀圖

由圖2可知，工作面初采期間支架平均初撐力5500kN，倒架前平均初撐力降為3300kN，僅占額定初撐力的40%，倒架后平均初撐力2040kN。倒架前支架初撐力較初采期間顯著降低，煤壁片幫漏頂加劇，支架發生傾倒后，頂梁上方為浮矸，支架難以充分接頂，初撐力進一步降低，支架的強控頂能力完全無法發揮。當周期來壓時，過低初撐力使支架處于急增阻狀態，基本頂回轉下沉速度快，對直接頂和煤壁產生較大的沖擊，進一步加劇了煤壁片幫漏頂。

3.2失穩前后支架工作阻力對比

應用統計分析方法，對倒架段不同階段的支架工作阻力進行對比分析，見圖3。

由圖3可知，初采期間支架平均工作阻力為6415kN，倒架前支架平均工作阻力為5060kN，倒架后支架平均工作阻力為2900kN，僅占額定工作阻力的24%。由支架初撐力與工作阻力的相關性可知，初采期間支架由初撐狀態增至循環末阻力增量為915kN，增阻率16.6%，倒架前壓力增量為1760kN，增阻率53.3%，倒架后壓力增量為860kN，增阻率42.2%。

圖3　不同階段倒架段支架工作阻力對比柱狀圖

工作面初采期間支架初撐力較高，當周期來壓時，支架可很快達到最大工作阻力，支架對頂板的抵抗作用表現為“限定變形”，頂板的下沉量得到控制，使基本頂的回轉變形速度降低，限制了基本頂關鍵塊的回轉失穩，發揮了基本頂“砌體梁”的自穩能力，降低頂板來壓強度。倒架前支架平均初撐力較初采期間降低了2200kN，循環末阻力增阻率高達53.3%，支架對頂板的抵抗作用表現為“給定變形”，立柱下縮量大，破碎直接頂不能與基本頂同步協調變形，基本頂形成的鉸接平衡結構易失穩，支架對基本頂的控制程度減弱，高工作阻力無法充分發揮，煤壁和采空區矸石受力增大，加劇了片幫漏頂，加之工作面偽斜控制不當、調架措施不到位等管理原因，由此造成大采高綜采支架失穩。

4　結論

(1)從支架失穩過程礦壓觀測數據對比分析看，隨著初撐力降低，支架平均工作阻力隨之降低，初撐力一定程度上決定著支架工作阻力的運行狀況，過低初撐力將導致液壓支架高工作阻力無法發揮。

(2)高初撐力使支架對頂板的抵抗作用表現為“限定變形”，能有效控制基本頂“砌體梁”關鍵塊失穩造成的頂板下沉，降低來壓強度;低初撐力支架對頂板的抵抗作用表現為“給定變形”，通過立柱的下縮平衡基本頂回轉變形的擠壓力，支架對基本頂的控制程度減弱，高工作阻力無法充分發揮，煤壁和采空區矸石受力增大，加劇了片幫漏頂。

(3)實測結果分析表明，支架初撐力過小是導致工作面支架發生失穩的重要影響因素之一，必須采取措施保證工作面支架合理初撐力，更好地發揮支架性能。

［參考文獻］

［1］錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2003.

［2］文志杰，湯建泉.大采高采場力學模型及支架工作狀態研究［J］.煤炭學報，2011，36 (5) : 42－46.

［3］閆少宏，尹希文.大采高綜采頂板短懸臂梁－鉸接巖梁結構與支架工作阻力的確定［J］.煤炭學報，2011，36 (11) .

［4］閻建華，綜采工作面支架初撐力與圍巖相互作用關系分析［J］.煤炭科學技術，2014，42 (4) : 12－15.

［5］石棟，段紅民.大采高綜采面煤壁片幫預防措施［J］.中國煤炭，2008，34 (2) : 24－26.

［6］李亞軍.大采高工作面片幫冒頂機理及防治技術［J］.煤礦開采，2014，19 (4) : 106－107，99.

［7］何風強，李宏，王東攀.四柱放頂煤液壓支架立柱受力不均衡規律及機理研究［J］.煤礦開采，2012，17 (6) : 35－37.

［8］紀玉龍，何風強，王東攀.近距離大傾角綜放工作面礦壓規律及成因探析［J］.煤炭工程，2012，44 (8) : 79－80，84.

［責任編輯:潘俊鋒］

Relationship between instability of Large-mining-height Powered Support and Underground Pressure Behavior

WANG Dong-pan，LIU Qian-jin

(Coal Mining＆Designing Department，Tiandi Science＆Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

Abstract:By analyzing the instability process of large-mining-height powered support，it was obtained that coal-wall slide and fall was main cause of supports instability.On the basis of this，underground pressure behavior of instable powered supports in different phrases was analyzed.Results showed that operation state of powered support was decided by setting load and lower setting load would restrict high working resistance，therefore，improving setting load was the key to preventing powered support instability.

Keywords:large-mining-height full-mechanized mining; powered support instability; setting load; given deformation; finite deformation

［作者簡介］王東攀(1978－)，男，河南南陽人，副研究員，主要從事煤礦安全高效開采、礦山壓力與巖層控制技術等方面研究工作。

［基金項目］“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2012BAK04B08) ; 2013年川煤集團重點科研項目:大傾角松軟厚煤層一次采全高關鍵技術與裝備

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.022

［收稿日期］2014－08－18

［中圖分類號］TD355.4

［文獻標識碼］A

［文章編號］1006-6225 (2015) 02-0078-03