綜放工作面過陷落柱支架穩(wěn)定性控制技術(shù)研究

（西山煤電建筑工程集團(tuán)有限公司礦建第二分公司 山西 030027）

1.引言

在地下水長期的溶蝕作用，地下巖溶洞穴在地質(zhì)構(gòu)造力、上部巖層重力作用下發(fā)生塌陷，這種塌陷呈現(xiàn)出大小不一的圓形或者不規(guī)則的錐形，因此將這種不良的地質(zhì)現(xiàn)象稱為陷落柱。采煤作業(yè)中經(jīng)常會(huì)遇到陷落柱這一地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象，在礦井勘探期間或在掘進(jìn)巷道以及回采期間常常會(huì)存在不明陷落柱，由于陷落柱的邊界和影響范圍的不確定性，在掘進(jìn)過程中會(huì)破壞采煤層，使采煤量大大減少，并使機(jī)械設(shè)備的使用遭到制約，對工程造成巨大影響，因此原設(shè)計(jì)工作面的采掘價(jià)值急劇降低，甚至?xí)斐山?jīng)濟(jì)虧損，不得不另行設(shè)計(jì)，浪費(fèi)了大量的時(shí)間以及財(cái)力。在陜西、山東、河北、河南、安徽等省的20多個(gè)煤田采掘過程中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的陷落柱高達(dá)45處，陷落柱的總數(shù)已接近3000個(gè)，以汾河沿岸、太行山東、西麓礦區(qū)最為發(fā)育，在山西礦區(qū)已發(fā)現(xiàn)陷落柱1300多個(gè)。因此，在實(shí)際工程中，為了避免陷落柱引起工程經(jīng)濟(jì)損失以及工程事故的發(fā)生，針對陷落柱支架的穩(wěn)定性問題以及防控措施進(jìn)行探究是十分有必要的。

2.支架的穩(wěn)定性分析

假設(shè)支架的自身重力為G，支架的上部支護(hù)力為P，支架與底板的摩擦系數(shù)為μ1，支架與底板的摩擦力為f1，支架與頂板的摩擦系數(shù)為μ2，支架與頂板的摩擦力f2，支架的底板與水平面的傾角θ，支架的高度為H，支架的重心高度為h，支架的底板長度為B。支架的失穩(wěn)主要在于兩個(gè)方面即滑動(dòng)失穩(wěn)和傾倒失穩(wěn)，下面針對這兩個(gè)方面進(jìn)行簡要的受力分析。

其中，

(1)支架滑動(dòng)失穩(wěn)分析

支架發(fā)生滑動(dòng)失穩(wěn)的主要原因從力的方面來分析是由于支架在傾角方向（即與底板平行的方向）的力不平衡造成的，即重力和支護(hù)力的合力在傾角方向的分力大于摩擦力。支架能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)的力矩表達(dá)式為：

將式（1）、式（2）代入式（3）可得：

從式（4）可知，支架的滑動(dòng)失穩(wěn)只與支架與底板的摩擦系數(shù)為μ1，支架與頂板的摩擦系數(shù)為μ2，支架的自身重力為G，支架的上部支護(hù)力為P，支架的底板與水平面的傾角θ相關(guān)，而與支架結(jié)構(gòu)（支架的高度為H，支架的重心高度為h，支架的底板長度為B）無關(guān)。在實(shí)際工程中，為了防止支架滑動(dòng)失穩(wěn)，能夠有效控制的手段是改變支架與周圍土體的摩擦力即增大支架與底板的摩擦系數(shù)為μ1，支架與頂板的摩擦系數(shù)為μ2，其次也可減輕支架的自重。

(2)支架傾倒失穩(wěn)分析

支架發(fā)生傾倒失穩(wěn)的主要原因從力的平衡角度來分析是由于支架所受到的合力偏離支架下邊緣，即支架合力作用點(diǎn)處的力矩沿著某一點(diǎn)或者某條軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，根本原因在于支架在水平和豎直方向的力矩沒有達(dá)到平衡。對支架的底板角點(diǎn)處求矩，支架能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)的力矩表達(dá)式為：

將式（2）代入式（5）可以得到：

從式（6）可知，當(dāng)支架底板與水平的傾角θ滿足上式，支架能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)而不發(fā)生偏轉(zhuǎn)失穩(wěn)，且當(dāng)上部的支護(hù)力P一定時(shí)，支架的底板與水平面的存在臨界傾角。在設(shè)計(jì)過程中，當(dāng)按照支護(hù)力進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，支架的底板與水平面的傾角θ不得大于臨界傾角；當(dāng)按照支架的底板與水平面的傾角θ進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以得到支架所能提供的最大支護(hù)力，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程狀況進(jìn)行計(jì)算。從式（3）也可以看出，支架的傾倒穩(wěn)定性與支架的自身重力為G，支架的上部支護(hù)力為P，支架與頂板的摩擦系數(shù)為μ，支架的底板與水平面的傾角θ，支架的高度為H，支架的重心高度為h，支架的底板長度為B有直接關(guān)系，但與支架與底板的摩擦力為f1無關(guān)，在實(shí)際工程中，為了防止支架傾倒失穩(wěn)，能夠有效控制的手段是支架自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即通過改變支架的高度H，支架的重心高度h，支架的底板長度B來避免支架傾斜失穩(wěn)的發(fā)生，其次也可改良周圍土體特性，增大支架與底板的摩擦系數(shù)μ1。

3.過陷落柱的主要技術(shù)難題

（1）開掘工作面在回采期間常常會(huì)造成頂板陷落柱周圍土體的嚴(yán)重破碎，以及與液壓支架的接觸會(huì)發(fā)生不緊密的情況，在過陷落柱時(shí)支架頂梁與陷落柱之間無法進(jìn)行強(qiáng)有效的支護(hù)，此時(shí)會(huì)造成支架所提供的支護(hù)力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因此常常會(huì)發(fā)生支架頂梁的破壞與頂板塌落事故。

（2）陷落柱內(nèi)填充的巖體工程性能較差，硬度低、黏性差、因此在過陷落柱時(shí)，如果不能采用強(qiáng)有力的有效支護(hù)措施，強(qiáng)行帶壓擦頂通過，有時(shí)會(huì)造成支架頂梁以及采煤機(jī)等設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞，甚至造成上部巖體的整體塌落事故，對工作進(jìn)度以及人員安全均有較大影響。

（3）由于陷落柱的存在，導(dǎo)致煤體與陷落柱的交界處的穩(wěn)定性非常差，煤體的剪切破壞十分嚴(yán)重，因此在回采時(shí)會(huì)出現(xiàn)大面積的片幫現(xiàn)象，如果在推進(jìn)過程中不能采取有效的加固措施，那么可能會(huì)導(dǎo)致工作面長時(shí)間的無法推進(jìn)。

4.支架穩(wěn)定性控制措施

通過對支架失穩(wěn)的受力分析以及影響因素分析，結(jié)合實(shí)際工程中綜放工作面開采條件及支架的實(shí)際情況以及經(jīng)常發(fā)生的工程事故與技術(shù)難題，對支架穩(wěn)定性的控制措施進(jìn)行了相應(yīng)的總結(jié)。具體的控制措置如下：

（1）在機(jī)組割陷落柱巖體期間，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制采煤機(jī)的牽引速度，不易過大。可采用割-架拉-架的承壓移架的方式及時(shí)調(diào)整和管理頂板，如果出現(xiàn)支架下陷的情況，要采取相應(yīng)的控制措施，保證在支架下墊柱帽或道木順利拉架，此外在采煤機(jī)割陷落柱石頭時(shí)，還應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際的工程情況及時(shí)補(bǔ)充截齒，安排了專門人員及時(shí)用水沖前后滾筒，以保證順利推進(jìn)，同時(shí)應(yīng)當(dāng)時(shí)刻注意采煤機(jī)的運(yùn)行狀況和頂板情況，避免采煤機(jī)以及頂板安全問題的出現(xiàn)。

（2）嚴(yán)格控制開采高度，對頂板及時(shí)的給予支護(hù)。在割煤過程中，應(yīng)當(dāng)將支架和輸送機(jī)依次進(jìn)行移動(dòng)，并在移架完成后迅速的伸縮梁護(hù)頂，防止冒頂現(xiàn)象的發(fā)生；針對頂板土層的破碎以及大面積的片幫問題的出現(xiàn)，為了避免冒頂漏矸問題的出現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)及時(shí)地將超前架拉出；若拉出超前架后，梁端距仍然達(dá)不到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，可借助超前采煤機(jī)進(jìn)行移架，防止頂板發(fā)生暴露。

（3）嚴(yán)格地控制支架的間距，充分發(fā)揮側(cè)護(hù)板的價(jià)值。借助于支架的側(cè)護(hù)板，及時(shí)的動(dòng)態(tài)調(diào)整支架的方向和間距，以確保支架在整體上受力均勻，不會(huì)造成過大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致支架受損，或者造成支架的失穩(wěn)。

（4）提升支護(hù)阻力，帶壓擦頂拉架。在拉架時(shí)應(yīng)當(dāng)按照少降快拉的原則，同時(shí)也要保證泵站壓力能夠使頂板能夠擦著頂板快速向前移動(dòng)，在擦頂后立即拉架，予以空頂及時(shí)支護(hù)，避免移架對頂板造成較大的破壞。

（5）可適當(dāng)對支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。將支架的高度或者重心位置降低，或?qū)⒅Ъ茼敳颗c底板采取摩擦系數(shù)較大的材料，增大頂板與底板與周圍巖體之間的摩擦力來增大支架的穩(wěn)定性，可使支架不會(huì)因?yàn)槭芰谢蛘咧車馏w發(fā)生破壞而輕易發(fā)生失穩(wěn)。

5.結(jié)論

通過對支架的受力分析、施工過程中存在的技術(shù)問題以及支架穩(wěn)定性控制措置三個(gè)方面進(jìn)行了探究，得出以下結(jié)論：（1）支架的失穩(wěn)主要存在滑動(dòng)失穩(wěn)和傾倒失穩(wěn)，兩種失穩(wěn)模式的影響因素不同，滑動(dòng)失穩(wěn)可以通過改變支架與周圍土體的摩擦力進(jìn)行有效控制，傾倒失穩(wěn)可通過改變支架結(jié)構(gòu)即支架的高度，重心高度，底板長度來避免支架傾斜失穩(wěn)的發(fā)生，其次也可改良周圍土體特性，增大支架與底板的摩擦系數(shù)。（2）陷落柱引起的工程問題主要在于三方面：①頂板陷落柱周圍土體的嚴(yán)重破碎；②陷落柱內(nèi)填充的巖體工程性能較差，硬度低、黏性差；③煤體與陷落柱的交界處的穩(wěn)定性差。（3）可以通過控制采煤機(jī)的牽引速度、控制開采高度、控制支架的間距、提升支護(hù)阻力、對支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化等措施避免支架失穩(wěn)，保證在開挖面過陷落柱時(shí)施工能順利進(jìn)行。