大采高綜采工作面液壓支架傾倒原因分析及改進

祁惠星

（陽煤集團二礦調度室， 山西 陽泉 045000）

引言

目前，我國厚煤層的開采主要集中在采高為3.5～7.0 m的煤層上，在開采這些煤層時，大部分煤礦所采用的采煤方法是綜采采煤法，但是隨著采煤高度的不斷上升，液壓支架的穩定性出現了新的問題，其中最嚴重的就是液壓支架倒架。液壓支架發生傾倒是由于支架的頂梁與底座之間發生了相對移動，使支架沿著煤層傾向產生了位移，當距離煤層頂板的法線方向較遠時，支架所受到的合力就會發生偏移，超出支架的下邊緣，從而使支架傾倒。而對于大采高綜采工作面來說，為了取得良好的支護效果，一般采用兩柱掩護式支架，但是這種支架的高度較一般支架的高度高，同時重心靠前，因此，此類支架更容易發生傾倒，從而影響工作面的正常生產。經過多年的實踐可知，液壓支架的倒架現象不僅會發生在傾角較大的工作面，還會發生在緩斜甚至是近水平工作面。除此之外，當工作面的管理以及液壓支架的操作出現問題時，也會影響支架的穩定性，從而引起倒架現象的發生。就目前的研究情況來說，大部分液壓支架傾倒都發生在開采高度為4.5 m以上的煤層中，而開采高度為7.0 m的緩傾斜工作面的倒架在我國還沒有研究，因此在這種情況下，倒架現象一經發生，就較難處理，故本文基于某礦大采高工作面的實際情況，對開采高度為7.0 m的綜采工作面的倒架原因進行了分析，并提出了相應的處理措施及對策。

1 礦井工作面概況

該礦擁有較為復雜的地質條件，其頂板條件不好，容易發生破碎，而煤質也比較松軟，在這種開采條件下，所采煤層的埋藏深度在353～455 m之間，煤層的平均開采厚度為6.3 m，且煤層為緩傾斜煤層，煤層傾角為3°～9°。本文所研究的大采高綜采工作面的最大開采高度為7.0 m，其直接底和基本頂主要由泥巖組成，而直接頂的巖石則主要由是泥巖或者砂質泥巖，老底則為細粒砂巖。該工作面的走向長度為550 m，工作面長度為270 m。在進行采煤作業時，工作面主要采用三機配套的設備，設備主要情況見表1。同時表2說明了該工作面所采用的中間支架的主要參數情況。

表1 工作面設備配套情況

表2 中間支架主要參數

2 支架倒架情況

在進行采煤作業時，工作面不斷向前推進，當推進長度為210 m時，液壓支架的穩定性出現了問題，引起了大面積倒架現象的發生，同時還出現了煤壁片幫。就整個工作面而言，主要是工作面下部的液壓支架發生了不同程度的傾倒，傾倒后支架呈臺階分布。在支架傾倒最嚴重的區域，其傾倒的角度最大為27°，此時支架的頂梁已經不能發生移動，側護板完全失去作用。

由于該礦的液壓支架自動化程度較高，均由電液控制，因此在傾倒事故發生以后，可以通過相應的傳感器，測出液壓支架此時的工作阻力以及頂梁傾斜的角度。從傳感器的操作界面上我們可以清晰的看到傾倒的角度情況，以此來判斷倒架的嚴重程度。圖1顯示了沿煤層傾向的支架傾斜角度的變化情況。

圖1 支架傾斜角度變化（沿煤層傾向）

3 倒架原因分析

3.1 液壓支架上部漏頂較為嚴重

從該工作面的實際情況來看，其機尾的一端所處的位置與斷層相距非常近，受斷層的影響，該位置的頂板松軟，非常容易發生破碎。而在倒架現象發生以后，通過實地勘測可知，從發生傾倒的液壓支架開始，上部的頂板就發生了破碎，且破碎程度較高，從而造成了工作面頂部發生漏空，煤矸石大量堆積。同時，隨著工作面的不斷推進，上覆巖層所受到的圍巖應力增大，當支架傾倒、工作面停止生產后，上覆巖層對頂板所造成的壓力也在不斷加大，這使得煤層頂板在不斷下沉，并在下沉過程中發生更大的破碎。此時對于液壓支架來說，由于支架發生了傾斜，其受力狀況發生了變化，影響了支架的支撐效果，這更加劇了頂板的下沉，正是這三方面的原因使頂板發生了極為嚴重的漏頂現象。除此之外，由于工作面停止生產的時間較長，煤壁也發生了不同程度的片幫，其中最嚴重的區域，片幫的深度高達4.0 m。

在工作面上部發生漏頂的情況下，支架會失去支撐，使其穩定性變差。基于該力學模型，對支架進行受力分析可知，支架發生向下滑動的最小角度為11°，而支架發生傾倒的最小角度為15°，所以在原始狀態下，支架是不會發生傾倒的，但是發生傾倒時的支架傾角一般大于15°，因此當工作面上部發生漏頂時，支架的傾倒更為嚴重。

3.2 偽斜控制不當

如圖2所示，在綜采工作面進行調偽斜時，工作面上下部的推進速度不一致，使輸送機下部的偽斜角度增大，從而導致工作面下部的膠帶輸送機向上發生位移，此時上部輸送機在下部輸送機的作用下向下發生移動，使支架與膠帶輸送機的連接處發生偏移，上部的支架慢慢向下方傾斜，如此反復作業，工作面上部的膠帶輸送機以及支架都會向下發生不同程度的傾斜。同樣的，支架也會在膠帶輸送機的作用下向上發生位移，對中間的支架造成擠壓，經過多次作用后，支架的頂梁就會被頂死。在之后的降架過程中，由于頂梁無法實現自己的作用，支架的底座最終會被抬高，從而影響支架的穩定性，使支架傾倒。

圖2 工作面中上部膠帶輸送機向下發生移動示意圖

3.3 煤層松軟，防傾倒措施不完善

該礦井工作面的煤層較軟，其底板的巖石大部分為泥巖，承受壓力的程度較低，一旦支架發生傾倒，底座的上部就會離地發生一定的位移，而下部則會向下扎底，這會加劇支架的傾倒，使支架失去穩定性。另外，由于礦井中的防滑防倒裝置不完善，甚至沒有相應的裝置，使支架在發生傾倒時缺乏有效的橫向約束，此時當支架間的千斤頂被拉斷時，支架就會不可避免的發生傾倒了。

3.4 工作面推進緩慢，事故發生時未及時采取措施

在液壓支架剛開始發生傾倒時，由于工作面頂板漏空現象的發生，大量的煤矸石下落，對工作面的設備造成了極大的破壞，由于這部分煤矸石未得到及時的處理，使工作面的正常生產受到了影響，加劇了頂板的漏空，同樣的，當工作面上存在有大量的煤矸石時，推進速度就會變慢，使其陷入了一個惡性循環。另外，由于井下工作人員的認識不足，未采取合理有效的調架措施，最后導致事故加重，難以處理。

4 支架傾倒的治理措施

當工作面的開采高度在4.5 m以下時，一旦支架發生了傾倒，往往會在煤層頂板上架設網上板梁，或者采用單體液壓支柱設置走向抬棚，但是一般的支柱其最大支撐高度為4.5 m，當采高為7.0 m時就不適用了，因此為了解決7.0 m大采高綜采工作面對倒架問題，特提出了以下解決措施：

1）對于煤層較松軟，頂板易發生破碎的工作面來說，要想防止頂板漏空程度的加劇，必須對支架上部的頂板進行灌漿，使漿液充分地注入到煤體的裂隙中，增強煤體的內摩擦力，提高煤體的穩定性和抗壓能力。

2）為了防止煤壁發生片幫，需要沿著煤層的頂板進行擴幫，使其在煤壁的下部形成一個3 m高的臺階，同時在開采條件允許的情況下，采用臺階割煤的方式可以很好的防治煤壁片幫。

3）采用錨索槽鋼抬棚來對頂板進行進一步的支護，以防止頂板冒落進一步的發生，同時設置網片，必要條件下可以安設“井字型”木垛。

4）為防止支架的二次傾倒以及設置合理的防倒防滑裝置，應該設置斜拉千斤頂，并配合單體液壓支架來聯合對支架進行橫向約束。同時，在擴建后的巷道臺階上沿著傾斜方向打兩根懸浮單體液壓支柱，以對支架前梁起到支撐作用。

5 預防支架傾架的措施

根據礦井的實際情況，基于工作面的地質條件，采取有針對性的措施來對支架的傾倒進行預防，一旦支架出現問題，要及時采取對策；提高工作面向前推進的速度，減少煤層頂板承受圍巖應力的時間，使煤層頂板下沉的速度變慢；設置合理的防倒防滑裝置，并將工作面的前面三架支架鎖在一起，為中間的支架提供穩定的支撐點；最后加強支架的維修與保養，避免支架發生液壓油泄露的現象，同時，移架后要及時升緊支架，確保支架的初始支撐力達到要求值。

6 結語

通過采取的一系列的措施，該礦工作面支架的傾倒得到了良好的改善，工作面的生產也恢復了正常。由于開采高度為7.0 m的工作面的液壓支架倒架的問題目前還沒有很成功的處理方案，因此，該問題的解決可為大采高綜采工作面的長遠發展提供可借鑒的經驗，同時，還加強了支架的穩定性，為破碎頂板的支護提供了一種新的解決途徑。