大傾角大采高支架穩態控制失效分析

贠東風，葛 普，伍永平，林 勇，王 震，曾慶林，李培樹，黃正平

(1.西安科技大學能源學院，陜西 西安 710054；2.教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054；3.四川省煤炭產業集團攀枝花煤業公司，四川 攀枝花 617066；4.四川省煤炭產業集團攀枝花煤業公司花山煤礦，四川 攀枝花 617066)

0 引 言

煤炭作為我國的主要能源，對我國經濟發展具有不可替代性[1]。大傾角煤層一般指35°～55°的煤層，是國內外采礦界公認的難采煤層[2-3]。大傾角大采高工作面產量、回采率和效率均較高，基本頂來壓劇烈，煤壁片幫高度與傾角和采高成正比增大。煤壁片幫加劇且導致架前冒頂頻發。架前冒頂沿傾斜向上擴展，范圍驟增。同時設備防倒防滑和處理冒頂難度及安全隱患極大，對操作與管理水平要求更高[4-5]。由于大傾角厚煤層綜放工作面支架頂梁上為破碎頂煤，降架時(實際一般支架做不到帶壓移架，擦頂移架操作難度大)破碎頂煤易滑落，幾乎所有大傾角綜放工作面均發生過支架傾倒而導致工作面停產[6-7]。支架一旦傾倒，扶正難度相當大，耗時也長[8]。特別是支架扶正過程存在頂板抽冒、架間漏矸等安全隱患，需要嚴格采用并落實相應的安全保障技術，保證傾倒支架安全順利復位并再穩定[9]。安裝防倒裝置、活動側護板、安裝底調裝置及改變支架的移架方式等技術措施，可以防止工作面生產過程中支架下滑和傾倒，有利于提高工作面支架的整體穩定性[10-11]。分析支架傾倒原因，采取正確有效的預防措施可極大地降低倒架頻次，保證工作面生產安全與效率[12]。提高支架穩態控制對工作面安全高效生產至關重要。

攀煤公司花山煤礦1970年10月正式投產，現生產能力240萬t/a。主采煤層均為焦煤。煤層賦存從較穩定到不穩定、地質條件復雜，煤層傾角大，厚度變化大，最厚達5 m以上，綜采難度極大。建礦至前十多年一直沿用炮采，勞動強度大、產量效率低、安全隱患多，嚴重制約礦區的安全高效持續發展。為安全高效地開采大傾角厚煤層，實現攀煤公司難采煤層綜采技術的突破，經考察論證并借鑒大傾角大采高綜采成功案例，決定在花山煤礦和太平煤礦進行大傾角大采高綜采試驗。花山煤礦由于采掘接替緊張，直接將6231綜采面設備未經大修搬到6152綜采面。礦方為加強綜采一隊整體技術與管理水平新組建了綜采一隊，以承擔6152大傾角大采高綜采面回采重任。6152綜采面于2016年8月開始回采。工作面推進不足兩個月便出現支架穩態控制失效，導致支架傾倒。隨后，邊調架邊回采持續長達15個月之久仍未能調正支架，最終導致支架群體性嚴重傾倒而致使工作面癱瘓。本次倒架造成直接經濟損失逾千萬。因扶正支架安全風險及技術難度極大，攀煤公司采納專家意見，做出外委綜采搬家公司撤出支架進行大修的決策。

1 工作面概況

6152工作面位于六采區南翼，主采煤層為15#煤層，賦存較穩定。煤層傾角30°～41°，平均為34.5°。煤普氏系數1.5～2.5。工作面設計可采走向長557 m，平均傾斜長141 m。煤層厚度3.5～4.5 m，平均厚度4.2 m。直接頂下部為煤矸互層、上部為深灰色薄層狀泥質粉砂巖；老頂為淺灰色中厚層狀泥質粉砂巖～粗粒砂巖。煤層直接底為灰色中厚層狀粉砂巖老底為淺灰色厚層狀粉砂巖。

6152大傾角厚煤層工作面采用走向長壁大采高綜合機械化采煤法。工作面安裝74副ZY8600/26/56型大傾角大采高液壓支架。支架主要參數見表1。

表1 液壓支架主要參數表

2 倒架過程

6152工作面2016年8月8日開始回采，9月28日工作面首次發生倒架，30#支架～33#支架最先出現傾倒。10月份開始處理工作面倒架，主要采用單體支柱頂推方式調架，但效果不理想，支架傾倒程度加劇。隨著工作面勉強推進，30#支架～40#支架出現嚴重傾倒，最大傾斜達60°。礦方決定對傾倒支架繼續采取單體支柱頂推，調整架態。由于調架難度極大，調正效果并未好轉反而傾倒加劇。除1#支架～5#支架、11#支架～29#支架、45#支架～74#支架態基本正常外，處于嚴重片幫段的6#支架～10#支架、30#支架～44#支架嚴重倒架，支架頂梁擠緊底座下擺并擠死，推溜桿上擺，擺角達20°～45°。6152大傾角大采高綜采面支架傾倒持續長達15個月，調架效果每況愈下，最終于2017年11月徹底癱瘓。

6152工作面礦壓監測表明，支架傾倒前，工作面上部、中部、下部支架上下立柱工作阻力大小基本一致，當支架傾倒后上立柱工作阻力降低，上下立柱工作阻力差異較大。以2016年7月上半月10#支架、40#支架與65#支架上下立柱工作阻力監測數據曲線(圖1)為例，結合6152工作面支架狀態記錄，7月份工作面中部40#支架傾倒，底座上側翹起懸空，上立柱工作阻力降低，上下立柱工作阻力差異明顯(圖1(b))；這期間工作面下部10#支架和上部65#支架尚未傾倒，支架上下支柱工作阻力基本一致(圖1(a)和圖1(c))。

圖1 10#支架、40#支架和65#支架立柱工作阻力曲線

Fig.1 10#、40# and 65# support column working resistance curve

綜合分析持續礦壓監測結果，發現工作面中上部支架上立柱工作阻力遠比下立柱工作阻力小，支架嚴重傾倒，而工作面上部與下部支架的上立柱工作阻力略小于下立柱工作阻力，支架略有傾斜。由此可見，依據同一支架上下立柱工作阻力差異程度就可基本判斷支架的傾倒程度。

3 倒架處理

6152綜采工作面倒架后，首先對支架進行了調正處理。處理過程中還遇到了直接制約支架調正的技術難題：①支架尾部下擺擠靠嚴重，調架極其困難；②工作面中部30#支架～44#支架倒架咬架最為嚴重，要獲得調架所需的架間空隙難度極大；③調正支架的臨時穩定難以解決，頻發再次失穩。這些難題一直未得到解決，特別是由于支架過重且采高加大，支架傾倒嚴重，扶架難度極大且安全隱患多。因此，攀煤公司2018年3月邀請國內大傾角煤層綜采知名專家對6152大傾角大采高綜采面倒架處理進行會診。會診意見為“在確保安全前提下，將6152工作面支架撤出地面返廠檢修恢復設計功能后重新安裝”。攀煤公司綜合評估支架回撤難度及公司回撤技術實力后，為確保回撤安全，決定嚴格依照程序外委經驗豐富的綜采搬家公司承擔回撤，花山煤礦安裝隊與綜采一隊配合。

4 倒架分析

6152綜采面發生嚴重倒架，造成礦井經濟損失巨大。本文主要從采高、架重、側護、片幫和操作等方面對支架傾倒進行綜合分析，以避免再次發生類似的倒架事故。首先對大傾角大采高支架受力作以分析。如圖2所示，支架底座寬度為B，支架高度為H，支架重心O距底板垂直高度為h(隨支架的高度增大而增高)，頂板載荷p、支架重力G、初撐力反力P1、底板反作用力p2、上下鄰架對支架的作用力F1、F2，頂底板對支架的摩擦力f1、f2。大傾角支架穩態控制有效時，支架在這組力的共同作用下處于穩定狀態。

圖2 支架受力分析

Fig.2 Support force analysis

為分析支架重力、支架重心高度、支架底座寬度和煤層傾角對支架穩定性影響，這里僅考慮支架降架狀態(失去頂板約束)并忽略其他作用力時，支架重力對O1(支架底座下沿與底板接觸點)傾倒力矩M計算見式(1)。

M=G(hsinα-B/2cosα)

(1)

由式(1)可知，支架傾倒力矩與支架重量、支架重心高度和煤層傾角成正比，而與支架底座寬度成反比。故增大底座寬度降低支架重量以提高大采高支架的穩定性。

1) 高加大。依據式(1)，M與h成正比，即支架重心越高(采高越大支架重心越高)支架傾倒力矩就越大。按花山礦所用的大采高支架，G=40 t、B=1.75 m、h=2.2 m、α=35.5°(6152工作面平均傾角)，則M≈221.57 kN·m。由此可見，大采高支架降架時支架受更大的力矩作用而處于倒架狀態，故支架的穩態控制難度加大。

2) 支架過重。依據式(1)，M與G成正比，即支架越重，支架傾倒力矩就越大。當B=1.75 m、h=2.2 m、α=35.5°，而G從20 t(花山煤礦現用非大采高支架)增大到40 t,則M從110.79 kN·m增大到221.57 kN·m，增大了1倍。由此可見，大采高支架過重，降架時支架因較大重力產生的力矩作用而加重倒架狀態，導致支架傾倒力矩增大，穩態控制難度愈大。

3) 側護倒置與故障。①側護倒置：支架由右工作面搬到左工作面，支架側護板從下側伸縮變為上側伸縮。這就導致下側伸縮將支架上調防倒變為上側伸縮將支架下調傾倒，這是倒架的主要因素之一。②側調護故障：由于花山煤礦采掘接替緊張，該工作面支架均為上一個工作面生產結束未經過撤出地面大修而直接搬來的；支架側護板伸縮控制千斤頂損壞且井下不能更換，導致支架下滑后不能上調；支架底調千斤頂損壞且井下也無法更換，直接影響支架下滑或下滑后無法上調。支架側調護功能喪失直接導致支架淪為無主動防倒防滑功能的非大傾角普通支架。

4) 片幫冒頂。大采高工作面煤壁垂直高度更大導致片幫加劇，片幫又加重架前煤矸互層頂板沿傾斜向上抽冒。這便加劇了支架空頂范圍擴大，導致多副支架嚴重傾倒。割煤后煤矸復合層頂板易冒落，架前冒頂頻發，導致采高超限，支架不接頂而失穩傾倒。

5) 防倒滑裝置缺失。大傾角綜采支架設計就有專用防倒防滑裝置(圖3(a))。如圖3(b)所示，支架受防倒防滑裝置的防倒約束作用力F1、F2和防滑約束作用力F3、F4以實現支架的下頂上拉式的主動聯合防倒防滑。支架的防倒防滑裝置對預防支架的倒滑具有關鍵控制作用，必須預先安裝好并用好。但是，現場一般除排頭排尾支架組安裝此裝置外，僅單方面考慮拉架操作的靈活性而忽視支架的穩定性，通常工作面基本架不安此裝置。實踐表明，防倒防滑裝置的缺失直接削弱了支架的防倒防滑性能，加劇了支架的下滑與傾倒。

圖3 支架防倒防滑裝置及其約束力

Fig.3 Support anti-skid device and its binding force

6) 拉架操作不當。大傾角大采高支架的下滑傾倒主要發生在過量降架時。因此綜采工作面對支架工操作水平要求非常之高。新組建的綜采一隊駕馭難度極大的大傾角大采高綜采經驗尚不足，特別是現用支架本身不具帶壓移架功能，支架工一般憑個人感覺少降快拉擦頂移架，常常降架過低擦不住頂而造成支架失穩傾倒在所難免。

5 支架傾斜度分布特征

為了定量表述支架傾倒狀態，現場逐一量測6152工作面支架傾角和溜槽傾角，并計算支架的傾斜度(支架傾角與溜槽傾角之差)。依據量測與計算結果繪制溜槽傾角、支架傾角和支架傾斜度曲線如圖4所示。圖4所示的工作面下段6#支架～9#支架由于支架液壓系統泄露，初撐力和工作阻力不足，導致頂板冒落，處理冒頂難度大安全隱患多，未能及時有效治理冒頂而使支架發生傾倒加重。這種數據對分析支架傾斜度尚屬噪聲數據。為尊重量測結果的客觀性，這里并未剔除此噪聲數據。由圖4可知，6152綜采面支架傾斜度大致呈正態分布，支架傾斜度最大值出現在工作面中部偏上。文獻[12]中的支架傾倒程度實測結果也大致呈正態分布。

圖4 溜槽傾角、支架傾角和支架傾斜度曲線

Fig.4 Chute inclination,support inclination and support slope curve

基于大傾角煤層長壁工作面冒落矸石自然分區充填特征[13]，對大傾角綜采工作面支架傾倒程度呈正態分布現象作以初步分析與解釋。當煤層傾角大于矸石自然安息角時，頂板破斷巖石沿工作面傾角向下滑落，沿工作面傾斜方向形成工作面下部填實、中下部填滿、中上部填虛、上部懸空的采空區分區充填特征，如圖5(a)所示。

圖5 頂板冒落模擬實驗與基本頂斷裂巖塊運動分析

Fig.5 Roof fall simulation experiment and basic top fault rock movement analysis

工作面上下端頭由于受煤柱支撐及頂底板鉗制作用，頂板破斷呈倒臺階狀，如圖5(a)所示。沿傾斜方向直接頂(可視為斜向簡支梁或簡支板)未冒落前，工作面下部尚未被冒落巖塊充填，頂板破斷線位于中間偏下；直接頂冒落后，冒落巖塊向下滑滾，工作面下部被冒落巖塊充填，頂板破斷線沿傾斜向上偏移，直接頂斷裂巖塊作轉動和沿傾斜向下移動的復合運動(頂板斷裂形成A巖塊、B巖塊和C巖塊，巖塊作轉動和沿傾斜向下復合運動)，如圖5(b)所示；老頂垮落巖塊最終呈向背斜堆積狀態(圖5(a))；頂板離層進一步沿法線向上發展，老頂斷裂沿傾向形成鉸接巖塊，老頂斷裂巖塊作轉動和沿傾斜向下移動的復合運動。巖塊的這種復合運動牽制支架傾斜下滑并促使支架甩尾，加劇支架失穩，使支架穩態控制難度驟增以至失效。

當工作面傾斜長度較大時，沿傾斜向上的懸臂巖梁斷裂周而復始地出現，斷裂的巖塊仍作轉動和向下移動的復合運動(圖5(b)。由于沿傾斜冒落矸石的非均勻充填，上部未填滿，基本頂斷裂冒落巖塊先順時針旋轉，垮落后又向下運動，觸到冒落矸石堆后逆時針旋轉，則形成背斜，如圖5(a)所示。這種巖塊的轉動與沿傾斜向下位移的復合運動被迫巖梁斷裂處支架失穩并向上蔓延，故一般在工作面沿傾斜中上部巖梁破斷處多發生支架傾斜甚至傾倒。伴隨冒落巖塊轉動與沿傾斜底板向下移動的復合運動持續(圖5(a))至冒落巖塊被壓實，冒落巖塊復合運動形成的向背斜曲率與傾斜或傾倒支架傾斜度均增大至趨于定值。

此外，當支架傾倒作用于支架側護板的力大于側護千斤頂的工作阻力(或千斤頂竄漏液)時，側護板便縮回。若每副支架的側護板縮回量為Δi，自傾倒的1號支架向上至n號支架的側護板累積縮回量Δ計算見式(2)。

(2)

由式(2)可知，支架傾斜度隨側護板累積縮回量Δ增大而逐漸加大，至中部附近支架傾斜度達到最大。但由于上端頭煤柱支撐及頂底板的鉗制作用，由傾斜度最大支架沿傾斜向上的各支架受冒落巖塊的作用力逐漸減弱，每副支架的側護板伸縮量也相應減少，與之相適應的支架傾斜度也逐漸減小。對大傾角綜采工作面支架傾倒程度大致呈正態分布現象的本質認識和規律性把握尚需深入研究。

6 結 論

1) 花山煤礦6152綜采面支架穩態控制失效最終造成支架傾倒的主要原因是由于采高加大、支架過重、煤壁片幫、架前冒頂、未安裝防倒防滑裝置、側護倒置與故障、拉架操作不當等多因素共同交織作用所致。

2) 支架傾倒極為嚴重，扶正難度與安全隱患均相當大，攀煤公司采納專家意見，決定放棄扶架方案，而外委經驗豐富的綜采搬家公司撤出傾倒支架。

3) 基于大傾角煤層走向長壁工作面礦壓特征，初步解釋了支架多米諾骨牌式群體性傾倒后的傾斜度大致呈正態分布現象。