緩斜大采高工作面支架倒架的分析與處理

張 博 李 寶 鄭 偉

（山西長平煤業有限責任公司，山西 晉城 048006）

長平礦4319 大采高工作面回采初期，工作面40#～60#支架段過斷層割矸但底板平整，平均傾角5°，120#～140#架段為全煤開采但底板坡度大（傾角約19°）。隨著工作面的推進，底板平整的構造架段支架開始出現不同程度的倒架現象，而底板坡度較大的120#～140#架段雖然支架傾斜角度達到18°卻未出現倒架，如圖1 所示。構造區域支架的倒架影響工作面平穩推進，增大頂板管理的難度。

圖1 不同架段支架傾倒情況

1 工作面概況

4319 大采高工作面位于四盤區+630 m 水平，所采煤層為3 號煤，工作面標高為541～572 m，走向長471.05 m，傾斜長256.3 m，采高5.84 m。工作面為雙巷布置方式：43191 巷為進風巷，呈東西向布置，位于開切眼南側，供運煤、進風、供液、供電、供水、排水用；43193 巷為回風巷，呈東西向布置，位于開切眼北側，供回風、供風、供水、排水、輔助運輸用。初采期間工作面呈機頭高、機尾低，高差約22 m，工作面有竄后現象。

基本頂巖性為細粒砂巖，厚度7.40 m，普氏硬度4.8～11.6，平均7.1，抗壓強度為43.2～72.7 MPa，抗拉強度為1.55～5.3 MPa；直接頂巖性為泥巖，厚度5.17 m，普氏硬度2.8～7.1，平均5.2，抗壓強度為34.4～46.3 MPa，抗拉強度為0.66～2.99 MPa。

工作面切眼內揭露SF327 正斷層，該斷層走向83°，傾向353°，傾角60°，斷距＞6 m。受斷層影響，工作面29#～55#架出現割矸現象，部分架段為全斷面矸。隨工作面推進，斷層影響范圍逐漸向機頭方向移動，具體如圖2。

圖2 工作面構造示意圖

2 支架穩定性分析

液壓支架在頂板載荷P（合力為P），支架自重力G，相鄰支架作用力P上、P下，底板對支架支撐力r（合力為W1），支架初撐力反作用力q（合力為W2），頂底板對支架摩擦力f1、f2作用下處于平衡狀態。支架受力模型如圖3[1-2]。

圖3 支架受力模型

支架防倒的力學模型為[3]：

其中：W1為底板對支架支撐力，N；W2為支架支撐力反作用力，N；P上、P下為相鄰支架作用力，N；α為支架傾斜角度，（°）；Mkn為防止支架傾倒的扭轉力矩，N·m；μ2為頂板與支架間的摩擦系數；b為支架重力方向與支架底座上邊緣之間的水平距離，m；H為支架高度，m；B為支架底座寬度，m；c為支架中心高度，m。

支架傾倒與支架自重、初撐力、底座寬度、相互作用力、工作面傾角、采高、頂板壓力等因素密切相關，而煤巖層具有一定傾角后，刮板輸送機與支架極易發生聯動失穩，造成刮板輸送機下滑與支架傾倒[4]。受客觀條件限制，可通過改善支架初撐力、相互作用力、刮板輸送機與支架的聯動作用及頂板壓力等方面控制其穩定性。

3 支架倒架原因分析

支架的工作狀態、刮板輸送機與支架的聯動作用等都可能導致支架穩定性的失衡[5-8]。經現場勘察與分析，得出倒架的原因主要有以下幾方面：

（1）割矸架段由于割矸困難、循環進度不夠造成該段整體滯后，導致該架段支架頂梁分別向機頭機尾方向偏移，進而造成支架頂梁前端擠壓而相鄰支架尾梁架間超寬失去約束，使支架出現失穩現象。如圖4。

圖4 工作面倒架區域俯視圖

根據支架防倒的力學模型分析可知，循環進度不夠時相鄰支架作用力P上、P下受力點發生改變，不再是均勻受力，受力點為支架前梁接觸點。受力點的改變一方面使掩護梁側護板失效，導致支架移架過程中失去了側向支撐力；另一方面造成前梁擠壓，進而增加移架難度，進一步加劇進度滯后的不利情況。

（2）工作面整體竄后，按照常規思路采用由小到大磨三角的方式調整竄后，導致支架推移桿與刮板輸送機呈偏向機尾方向的斜交，移架過程中支架被動地向機尾方向偏移，進一步惡化了掩護梁側護板失效的現狀。對比120#～140#架段直線度較好，雖然底板坡度大卻沒有發生倒架的現象，可知直線度對倒架的調整有非常重要的作用；此外，雖然工作面呈竄后的狀態，但是簡單的磨機尾導致推移桿與刮板輸送機斜交的情況進一步惡化，一方面使循環進度更慢，另一方面加劇了支架擠架。

綜上所述，可知工作面直線度和刮板輸送機與支架推移桿的斜交狀態對支架倒架起決定性作用。

4 支架倒架的處理方法

鄭偉等[9]通過對兩次倒架原因的分析制定了不同的處理方案，并提出預防倒架的幾項具體措施；李朋迪等[10]通過支架穩定性的受力分析，采用超前移架、煤壁注漿、調斜、人工靠架、控制底板等具體措施，有效保證了工作面在推進過程中支架的穩定性。

經分析得出，在刮板輸送機竄后、中部局部進度滯后嚴重和倒架重疊的情況下，可通過調整工作面直線度和刮板輸送機與支架的聯動作用來解決倒架問題。

4.1 工作面直線度調整

針對直線度差造成擠架的現象，首先通過調整工作面直線度確保改善支架擠架。具體為進度滯后區段多次沖刀，彌補構造段丟失的進度，解決因滯后導致的擠架、倒架現象。采煤機行走軌跡如圖5。

圖5 調整直線時采煤機行走軌跡圖

4.2 刮板輸送機與支架相對關系調整

工作面直線度調整完成后，工作面推進過程中的循環進度得到保證。此時，工作面支架推移桿與刮板輸送機斜交角度在70°～90°之間，機尾段角度最小。具體見表1。

表1 支架推移桿與刮板輸送機斜交角度統計（調整前）

斜交角度小導致支架推移刮板輸送機過程中除推動刮板輸送機前移外，還給刮板輸送機一個指向機尾的推力，導致刮板輸送機不斷向機尾移動，使刮板輸送機進一步竄后。對此，在1#～120#架通過反向大三角磨機頭的循環方式，減小機頭機尾的進度差，調整工作面整體直線，減緩支架推移桿和刮板輸送機斜交的情況，改善支架移架時的受力狀態，糾正刮板輸送機對支架的聯動作用，從而徹底解決中部構造段倒架問題，并避免因構造段倒架不能及時解決導致倒架范圍向機頭方向擴大帶來的惡化趨勢。采煤機行走軌跡如圖6。

圖6 反向磨大三角時采煤機行走軌跡圖

最后再次通過由小到大磨機尾的方法，實時根據工作面直線、頂底板、支架工作狀態等情況，確定合理的磨三角范圍，確保工作面所有支架循環進度都能符合要求，使支架與刮板輸送機處于合理的聯動工作狀態，既調整了刮板輸送機竄后，也避免了因調整竄后帶來的支架倒架事故。

5 實施效果

采用上述方案后，工作面直線度有了明顯的改觀，基本呈一條直線，所有架段的循環進度能夠保持一致，有效改善了支架受力狀態，使相鄰支架間作用力不再僅作用于支架前梁處；其次，支架頂梁無側護空間而掩護梁側護空間超寬的現象明顯改善，使得側護板能夠在支架移架過程中提供側向支撐力，發揮靠架的作用，恢復了P上、P下對支架的約束作用；最后，支架推移桿與刮板輸送機的斜交角度得到改善，支架與刮板輸送機的聯動作用得到充分發揮。調整后的斜交角度見表2。

表2 支架推移桿與刮板輸送機斜交角度統計（調整后）

調整工作面直線度的過程中原來的彎度已經變直，機尾超前機頭的偽斜優勢已經逐漸顯現，刮板運輸機機尾大架距巷幫距離由0.9 m 增大至2.8 m，竄后現象得到改善，工作面恢復正常生產。

6 結論

因ZY12000 掩護式支架頭重尾輕、重心不穩，在頂板破碎、采高較大、底板不平、直線較差等綜合因素或某種因素極度惡化的影響下，極易出現工作面倒架，采用人工靠架、支架底座墊方木等方式強行扶架，效果雖明顯但工作量大。通過4319 大采高工作面處理倒架的成功經驗可知，未采取打柱靠架、墊方木等方式，在保持“工作面三直一平”的良好生產條件下，合理控制采高和利用刮板輸送機竄動同樣是處理倒架的有效方法，并且在短時間內就有效解決了倒架的問題，既減少了工作量又節省了大量的材料。因此工作面的竄前竄后、直線度差等工程質量問題與倒架均存在內在關聯，表明工程質量的管控對倒架具有重要意義。