雙傾角工作面支架穩定性分析

＊馬永生

（寧夏煤業公司棗泉煤礦 寧夏 750409）

在煤礦生產過程當中，經常會面臨到特殊地質情況，如何保證特殊區域生產活動中支架的穩定性是實際工作開展中的一項重要內容[1-4]。在大傾角工作面，液壓支架受力由豎向轉變為傾向方向，在支架自重力和頂板壓力的作用下，液壓支架極容易發生倒架、擠架、陷底等事故，嚴重影響工作面安全高效生產[5-9]。因此對大傾角綜放工作面，尤其是雙傾角工作面，進行支架失穩研究分析，對工作面安全高效生產具有重要意義[10-11]。本文針對棗泉煤礦五分區150202工作面具有“淺埋、大傾角、向斜、厚煤層綜放、存在厚硬上覆巖層”的開采特點，分析工作面支架失穩形式，并計算其失穩臨界角，為后續制定支架防倒滑措施、方案提供基礎理論依據。

1.工程概況

(1)工作面概述

棗泉煤礦150202工作面位于五分區北翼，傾斜寬242m，工作面走向長1552m（切眼至停采線），工作面塊段面積366835m2，其可采儲量為332.6萬噸。150202工作面采用走向長壁綜合放頂煤采煤方法，全部垮落法管理頂板。

(2)工作面開采特點

棗泉煤礦五分區150202工作面具有“淺埋、大傾角、向斜、厚煤層綜放、存在厚硬上覆巖層”的開采特點，具體指：工作面所采煤層埋深淺、傾向大傾角開采、走向向斜開采（俯仰角開采）、厚煤層綜放開采、部分區域覆巖中存在厚硬巖層等，150202工作面各開采特點具體情況如表1所示。

表1 150202工作面開采特點匯總

2.150202工作面不同支架狀態穩定性分析

(1)150202工作面支架失穩形式及主要影響因素

①工作面支架失穩形式分析

棗泉煤礦150202工作面所采煤層走向、傾向上均存在較大的傾角，且存在不規則地起伏變化，為研究150202工作面支架不同狀態下的穩定性，首先對大傾角綜放面支架常見的失穩形式進行分析，主要包括支架滑移失穩和傾倒失穩兩種，失穩形式及內涵具體如下[12]：

A.滑移失穩

支架滑移失穩主要是由于工作面煤層頂底板與支架頂板和底座所產生的摩擦力小于支架重力和支架所受上部荷載在具備滑移趨勢方向上的分力所導致，常出現在傾角大的工作面或工作面涌水積水所導致的低摩擦、光滑工作面。

B.傾倒失穩

支架傾倒失穩主要是由于支架自身重力及所受上覆荷載等力的合力作用點偏離了支架的中心，導致支架沿走向或傾向具有傾倒的風險。

②支架穩定性主要影響因素分析

A.地質生產條件

a.煤層傾角：影響綜放面液壓支架的臨界傾角。

b.采高：工作面采高增大所需支架高度增加，其重心上移，支架運動中的失穩力矩變大，穩定性變差。

c.頂底板：分析支架在工作場景中的受力條件，其中工作面底板與支架底座接觸產生摩擦，是阻礙或限制支架下滑等重要因素；工作面頂板與支架頂板接觸，限制支架運動空間，是阻礙或限制支架傾倒等重要因素。其中，頂底板與支架間的摩擦因素決定著該地質條件下的反下滑力及反傾倒力大小。

B.支架結構特性

a.初撐力：初撐力是支架工作的重要指標，其參量大小客觀反映支架與工作面頂底板的接觸程度，直接決定著支架對頂板的控制作用效果，同時其可表示支架所受上部荷載大小，與支架頂底摩檫力產生及支架穩定性密切相關。

b.支架側護裝置：支架側護板是工作面鄰架間相互作用的接觸載體，其不但具備防矸擋矸功能，還在工作面布置方向上起著防止支架滑移傾倒的決定性作用[13]。

(2)150202工作面支架失穩臨界角分析

①走向支架自由狀態下失穩力學模型

雙傾角工作面開采中，支架會呈現仰采和俯采兩種狀態位姿，故分別建立仰采支架滑移失穩和俯采支架滑移失穩力學模型[14]，如圖1所示。

圖1 支架滑移模型

A.支架走向俯、仰采滑移失穩

通過分析，在自由狀態下，工作面支架仰采和俯采滑移的受力情況基本一致，得支架在自由狀態下工作面仰（俯）采臨界滑移時的角度關系為：

式中：φ為支架重力在工作面推進方向與工作面布置方向的分力間夾角，°；θ為工作面所在平面與水平面間夾角，°；μ2為工作面與支架間摩擦系數，巖石與鋼板間摩擦系數通常取0.14～0.5。

進一步推導可得俯（仰）采臨界滑移角，如下：

式中：α為工作面走向仰采或俯采角，150202工作面俯仰采傾角范圍為0°～16°；β為工作面傾向傾角，150202工作面傾向傾角范圍為16°～35°。

由圖2可知，隨著煤層底板摩擦系數加大，支架走向的抗滑移能力明顯增強；當底板摩擦系數不變時，支架走向滑移臨界角隨煤層傾向角度增大而呈非線性減小，煤層傾向傾角大的區域支架更容易發生走向滑移失穩，且傾向傾角對支架走向滑移的影響程度較小。為增加安全性，確定150202工作面傾向傾角最大值約35°，選取底板與支架之間的摩擦系數為0.20，則此時支架的走向滑移臨界角為9°；由于150202工作面走向傾角范圍為0°～16°，則工作面走向存在支架滑移區。

圖2 走向滑移臨界角與傾向傾角及摩擦系數關系圖

B.支架走向俯、仰采傾倒失穩

工作面俯采狀態下，支架走向俯采臨界傾倒的角度關系為：

式中：h為機采高度，m；S為支架掩護梁在推進方向上的長度，m。

進一步化簡可得支架走向俯采臨界傾倒角，如下：

根據公式，可得走向臨界俯采傾倒角與傾向傾角、機采高度的關系，如圖3所示。

圖3 走向俯采傾倒臨界角與傾向傾角機采高度關系圖

工作面仰采狀態下，支架走向仰采臨界傾倒的角度關系為：

式中：L為支架整體長度，m。

進一步化簡可得支架走向仰采臨界傾倒角，如下：

基于分析模型和ZFA15000/25/43D型液壓支架數據，及式（2）～式（6）可得出支架走向仰采臨界傾倒角與傾向傾角和機采高度的關系，如圖4所示。

圖4 走向仰采傾倒臨界角與傾向傾角及機采高度關系圖

由圖3和圖4可知，隨著機采高度加大，支架走向的抗傾倒能力明顯降低，即支架越高越易傾倒；當機采高度不變時，支架走向傾倒臨界角隨煤層傾向角度增大而呈非線性減小，煤層傾向傾角大的區域支架更容易發生走向的傾倒失穩。為增加安全性，確定150202工作面傾向傾角最大值約35°，選取機采高度為4.0m，則此時支架的走向俯采傾倒臨界角為22°和走向仰采傾倒臨界角為36°；由于150202工作面走向傾角范圍為0°～16°，則工作面走向無支架傾倒區。

(3)傾向支架自由狀態時失穩力學模型

①支架傾向滑移失穩

自由狀態下支架主要受到自重的影響，建立傾向滑移失穩狀態下支架力學模型，如圖5所示。

圖5 支架傾向滑移模型

圖5中，b為支架寬度；h為支架高度；T2為底板對支架的支撐力；f2為底板對支架底座的摩擦力。

分析支架在傾向失穩狀態下力學平衡關系，如下：

式中：Fx為支架在工作面布置方向上的合力，N；Fy為支架在垂直工作面煤層方向上的合力，N；f2為工作面與支架間摩擦力，N；T2為工作面底板對支架的支撐力，N；G1為支架重力在工作面布置方向上的分力，N；G2為支架重力在垂直工作面煤層方向上的分力，N。

傾向滑移失穩時的角度關系，如下：

進一步解出支架傾向滑移失穩時的傾向臨界滑移角，如下：

式中：β—走向角度，°，150202工作面走向傾角范圍為0°～16°；2μ—底板與支架之間的摩擦系數，巖石與鋼板之間的摩擦系數通常為0.14～0.5。

根據上式可得支架傾向臨界滑移角與煤層走向傾角及底板摩擦系數的關系，具體如圖6所示。

圖6 支架傾向滑移臨界角與煤層走向傾角及底板摩擦系數關系圖

由圖6可知，隨著煤層底板摩擦系數加大，支架傾向的抗滑移能力明顯增強；當底板摩擦系數不變時，支架傾向滑移臨界角隨煤層走向角度增大而呈非線性減小，煤層走向傾角大的區域支架更容易發生傾向滑移失穩，且走向傾角對支架傾向滑移的影響程度較小。為增加安全性，確定150202工作面走向傾角最大值約16°，選取底板與支架之間的摩擦系數為0.20，則此時支架的傾向滑移臨界角為10.9°；由于150202工作面傾向傾角范圍為16°～35°，則工作面傾向均為支架滑移區。

②支架傾向傾倒失穩

支架沿傾向的傾倒失穩力學平衡關系，如下：

式中：b為支架寬度，m；M0為支架中心處的合力矩，N·m。

化簡可得到支架沿傾向的臨界傾倒時角度關系為：

進一步解出傾向傾倒失穩時的傾向臨界傾倒角，如下：

基于ZFA15000/25/43D型液壓支架數據，根據上式可得支架傾向臨界傾倒角與煤層走向傾角及機采高度的關系，具體如圖7所示。

圖7 傾向傾倒臨界角與走向傾角及架高關系圖

由圖7可知，隨著機采高度加大，支架傾向的抗傾倒能力明顯降低，即支架越高越易傾倒；當機采高度不變時，支架傾向傾倒臨界角隨煤層走向角度增大而呈非線性減小，煤層走向傾角大的區域支架更容易發生傾向傾倒失穩。為增加安全性，確定150202工作面走向傾角最大值約16°，選取機采高度為4.0m，則此時支架的傾向傾倒臨界角為22.8°；由于150202工作面傾向傾角范圍為16°～35°，則工作面傾向存在支架傾倒區。

③150202工作面支架失穩臨界角分析

根據前述支架失穩臨界角分析內容，工作面沿走向和傾向兩個方向的支架滑移臨界角與支架傾倒臨界角（不同摩擦系數及機采高度）匯總如表2和表3所示。

表2 支架失穩滑移角結果匯總

表3 支架失穩傾倒角結果匯總

以“增加安全性”為原則，保守選取150202工作面的支架臨界角；支架傾向滑移臨界角為10.9°，支架傾向傾倒臨界角為22.8°，且工作面傾向均為支架滑移區，存在支架傾倒區；支架走向滑移臨界角為9.2°，支架走向俯采傾倒臨界角為22.4°，支架走向仰采傾倒臨界角為36.3°，且工作面走向存在支架滑移區，無支架傾倒區。

3.結論

本文分析了150202工作面大傾角綜放面支架失穩形式及主要影響因素，對走向俯仰角開采及傾向大傾角開采等特殊狀態下的支架穩定性進行分析研究，理論計算得出150202工作面支架在自由狀態下走向和傾向上的滑移/傾倒臨界角，且分析支架穩定性規律為：隨著煤層底板摩擦系數加大，支架走向、傾向的抗滑移能力明顯增強，當底板摩擦系數不變時，支架走向、傾向滑移臨界角分別隨煤層傾向、走向角度增大而呈非線性減小，即雙傾角大的區域支架更容易發生滑移失穩；隨著機采高度加大，支架走向、傾向的抗傾倒能力明顯降低，即支架越高越易傾倒，當機采高度不變時，支架走向、傾向傾倒臨界角分別隨煤層傾向、走向角度增大而呈非線性減小，即雙傾角大的區域支架更容易發生傾倒失穩。