劉 嘯

(1.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113000；3.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113000)

0 引 言

大傾角煤層是指埋藏傾角為35°～55°的煤層，是國內(nèi)外公認(rèn)的難采煤層[1]。在大傾角煤層開采過程中，支架傾倒、下滑現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，影響著工作面安全回采。隨著采高的增大，大傾角厚煤層工作面圍巖運(yùn)移空間增大，支架受力特征與圍巖相互作用關(guān)系較一般煤層復(fù)雜，支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制難度顯著加大[2]。近年來，許多學(xué)者通過理論分析、數(shù)值計(jì)算、物理模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場監(jiān)測等方法對大傾角厚煤層開采的支架受力特征、支架-圍巖系統(tǒng)作用機(jī)理與失穩(wěn)機(jī)制方面開展了大量研究與探索，給出了保持支架穩(wěn)定的工作阻力計(jì)算式，提出了支架防倒防滑措施，推動(dòng)了大傾角煤層支架穩(wěn)定性控制理論與技術(shù)的發(fā)展[3-4]。王國法等[5]提出超大采高一次采全厚開采方法，分析支架與圍巖的“三耦合”作用機(jī)制及控制方法。章之燕等[6]建立支架力學(xué)模型，分析了影響支架穩(wěn)定性的主要因素，并有針對性地提出了防止支架傾倒的技術(shù)措施。伍永平等[7]建立支架力學(xué)模型，對其臨界傾倒?fàn)顟B(tài)進(jìn)行分析，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測對大傾角松軟煤層綜放面支架傾倒特征與影響因素進(jìn)行重點(diǎn)闡述。工程實(shí)踐中，工作面頂板在重力和上覆載荷作用下發(fā)生破斷、回轉(zhuǎn)、下沉運(yùn)動(dòng)，支架與頂板間的作用處于動(dòng)態(tài)變化中，即支架隨著頂板的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。斷層構(gòu)造影響頂板巖層的完整性，致使支架與圍巖相互作用更加復(fù)雜多變，易發(fā)生擠架、咬架現(xiàn)象，誘發(fā)支架失穩(wěn)。目前對于大傾角厚煤層多斷層綜采工作面支架失穩(wěn)的研究相對較少。

鑒于此，針對潘四東煤礦11513工作面回采階段支架失穩(wěn)現(xiàn)象，采用理論分析的方法，建立支架力學(xué)模型，系統(tǒng)分析大傾角厚煤層過斷層綜采工作面回采過程中支架受載特征，并探討煤層、傾角設(shè)備參數(shù)等因素對支架穩(wěn)定性的影響，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際，提出了注漿加固破碎頂板，鋪設(shè)雙層金屬網(wǎng)、加快推進(jìn)速度、安裝防倒防滑裝置的技術(shù)措施，保障了工作面的安全高效回采。

1 工作面概況

淮南礦業(yè)集團(tuán)潘四東礦11513工作面主要回采3煤，3煤層平均普氏系數(shù)f=1.2，厚度為0～8.02 m，平均4.52 m，煤層傾角32°～40°，平均36°，屬于大傾角厚軟煤層開采。主采煤層下伏厚3.79 m的1煤，煤層間距約1.57 m，屬于近距離煤層群下行開采?；夭蓞^(qū)域內(nèi)斷層較多，其中6條斷層落差大于2 m，工作面基本頂為厚20.03 m的中細(xì)砂巖，中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，硬度較大，局部層理發(fā)育，層理之間賦存薄層狀泥巖夾層，偽頂是厚約0.32 m的泥巖，泥質(zhì)膠結(jié)，硬度較小，直接底為厚1.57 m的泥巖，工作面綜合柱狀如圖1所示。

圖1 工作面柱狀Fig.1 Working face histogram

工作面回采初期，在回風(fēng)巷(機(jī)尾)推進(jìn)8.9 m，運(yùn)輸巷(機(jī)頭)推進(jìn)15.7 m過程中，工作面出現(xiàn)局部片幫、冒頂現(xiàn)象，回采條件急劇惡化?，F(xiàn)場12—56號支架片幫深度1.6 m，12—61號支架頂板破碎，局部大面積冒頂后出現(xiàn)空頂，40—54號支架向下偏斜，偏斜角度均大于5°，最大偏斜角為13°，52—63號支架向后仰斜，仰斜角大于7°，最大仰斜角為11°，部分支架發(fā)生逆向側(cè)翻型失穩(wěn)，導(dǎo)致工作面停產(chǎn)6個(gè)月，嚴(yán)重影響了礦井采掘接續(xù)生產(chǎn)?，F(xiàn)場支架失穩(wěn)，如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場支架失穩(wěn)示意Fig.2 Schematic of support instability on site

2 支架力學(xué)模型

2.1 支架防倒防滑力學(xué)模型

支架的穩(wěn)定性控制是大傾角厚煤層安全回采的關(guān)鍵，文獻(xiàn)[8-9]建立了大傾角煤層支架倒滑靜力學(xué)模型。分析了支架在上覆巖層載荷作用下的支架非對稱受力特征?；谏鲜鲅芯砍晒?，同時(shí)為便于分析，將單個(gè)支架從支護(hù)系統(tǒng)中隔離出來，受力狀態(tài)如圖3所示，其中，h、b分別為支架高度和寬度，θ為煤層傾角。支架初撐時(shí)主要作用力有：頂板對支架的載荷r，底板對支架的支撐力P，頂、底板對支架的摩擦力f1、f2，支架自身重力G。

圖3 支架受力模型Fig.3 Support stress model

2.2 支架抗倒穩(wěn)定性分析

假設(shè)支架不發(fā)生下滑，處于初撐狀態(tài)時(shí)，以支架為研究對象，運(yùn)用臨界狀態(tài)分析法。工作面傾斜方向合力為0，支架所受抗傾倒力矩等于傾倒力矩，即滿足：

f1+f2=Gsinθ

(1)

Gcosθ+rb=Pb

(2)

(3)

式中：f1=μ1rb；f2=μ2Pb；μ1、μ2分別為頂板、底板與支架間的摩擦因數(shù)；x為支架頂梁沿寬度坐標(biāo)，m。

令支架的抗傾倒力矩M0與傾倒力矩M之比表示支架抗倒穩(wěn)定性系數(shù)，用λ表示：

(4)

令λ=1可得：

(5)

其中：θ′為支架發(fā)生傾倒失穩(wěn)的臨界傾角。初撐力與抗倒穩(wěn)定性系數(shù)關(guān)系如圖4所示，在煤層傾角一定的情況下，支架抗倒穩(wěn)定性系數(shù)與初撐力(支架在泵站工作壓力作用下對頂板的支撐力)呈線性正相關(guān)，即支架抗倒穩(wěn)定性系數(shù)隨初撐力的增大而增大。煤層傾角與抗倒穩(wěn)定性系數(shù)關(guān)系如圖5所示，當(dāng)支架架型一定時(shí)，支架抗倒穩(wěn)定性系數(shù)與煤層傾角呈非線性關(guān)系，支架抗倒穩(wěn)定性系數(shù)隨煤層傾角的增大減小。臨界傾角與頂板摩擦因數(shù)關(guān)系如圖6所示，假設(shè)支架與工作面頂?shù)装宓哪Σ烈蛩叵嗤?，支架穩(wěn)定臨界傾角與頂板摩擦因數(shù)μ1呈非線性關(guān)系，支架臨界傾角隨摩擦因數(shù)的增大而增大。

圖4 初撐力與抗倒穩(wěn)定性系數(shù)關(guān)系Fig.4 Initial support force and dumping stability coefficient

圖5 煤層傾角與抗倒穩(wěn)定性系數(shù)關(guān)系Fig.5 Coal seam dip angle and dumping stability coefficient

圖6 臨界傾角與頂板摩擦因數(shù)關(guān)系Fig.6 Critical inclination and friction coefficient

大傾角煤層地質(zhì)賦存條件復(fù)雜，工作面支護(hù)系統(tǒng)處于復(fù)雜的應(yīng)力與地質(zhì)環(huán)境[10]。通過構(gòu)建支架力學(xué)模型，對支架抗倒穩(wěn)定性進(jìn)行單因素分析，如圖4、圖5所示。支架受多重因素耦合影響，初撐狀態(tài)下，抗倒穩(wěn)定性系數(shù)隨底座寬度的增大而增大，隨支架重心高度、支架質(zhì)量的增大而減小。由支架穩(wěn)定性影響因素分析可知，回采期間增大工作面支架初撐力；提高頂?shù)装彘g摩擦因數(shù)，其抗倒穩(wěn)定性系數(shù)將隨之增大，進(jìn)而有效防止支架發(fā)生傾倒失穩(wěn)[11]。

2.3 支架抗滑穩(wěn)定性分析

通常支架的臨界傾角大于臨界下滑角，假設(shè)大傾角工作面支架在重力和頂板壓力作用下，沿底板具有下滑趨勢[12]。定義支架的抗下滑力F0與下滑力F之比為支架抗滑穩(wěn)定性系數(shù)，用η表示則有：

η=F0/F

(6)

結(jié)合式(1)—式(3)得：

(7)

由(7)式可知：大傾角煤層支架下滑與支架重力、煤層傾角(圖7)、初撐力(圖8)、支架與頂?shù)装彘g的摩擦力等因素相關(guān)。當(dāng)支架選型相同的情況下，支架抗滑穩(wěn)定系數(shù)隨著初撐力、煤層傾角的增大而減??；當(dāng)支架處于正常工作狀態(tài)，提高支架初撐力、增大支架與頂?shù)装彘g的摩擦因數(shù)可有效控制支架下滑。

圖7 煤層傾角與抗滑穩(wěn)定性系數(shù)關(guān)系Fig.7 Coal seam dip angle and sliding stability coefficient

圖8 初撐力與抗滑穩(wěn)定性系數(shù)關(guān)系Fig.8 Initial support force and slip stability coefficient

大傾角厚煤層開采時(shí)，工作面支架出現(xiàn)空頂，致使現(xiàn)場回采時(shí)支架與頂板接觸不實(shí)，此時(shí)支架對頂板初撐力為0[13]，即支架下滑的臨界條件滿足下列方程：

G(μ2cosθ-sinθ)=0

(8)

計(jì)算可得：支架下滑臨界角θ=arctanμ2，臨界角大小取決于支架底座與底板間的摩擦因數(shù)。現(xiàn)場工程實(shí)踐中，支架與底板間的摩擦力受多因素耦合影響：支架重力、支架材料屬性、底板巖層特征、工作面環(huán)境等[14-15]。通常情況下摩擦因數(shù)μ2取[0.15，0.40]，代入式(8)可得支架臨界下滑角為9°～21°。

3 現(xiàn)場案例

液壓支架作為工作面支護(hù)系統(tǒng)的主要組成部分，提高支架穩(wěn)定性是控制支護(hù)系統(tǒng)整體穩(wěn)定的關(guān)鍵，是保障煤層安全回采的基礎(chǔ)。針對潘四東煤礦11513工作面在回采初期出現(xiàn)的倒架、咬架現(xiàn)象，分別從煤層傾角、地質(zhì)構(gòu)造、設(shè)備選型、防倒防滑安全措施等方面進(jìn)行綜合分析。

3.1 煤層傾角

11513工作面煤層平均傾角36°，局部傾角可達(dá)40°。由圖5和圖8可知，在局部煤層傾角40°時(shí)，支架的抗倒穩(wěn)定性系數(shù)為0.7，抗滑穩(wěn)定性系數(shù)為0.4，由抗倒穩(wěn)定性系數(shù)和抗滑穩(wěn)定性系數(shù)定義可知，支架在局部煤層40°傾角時(shí)的抗傾倒能力和抗下滑能力較弱，支架發(fā)生失穩(wěn)的概率增大。

3.2 地質(zhì)構(gòu)造

11513工作面開切眼布置在斷層DF13(∠50°～75°，落差為20～24.5 m)和FS-4(∠35～82°，落差為2.5～9.0 m)之間，且回采期間工作面中、上部區(qū)域需穿過3煤缺失帶，進(jìn)入全巖段，3煤缺失范圍較大(走向127 m，傾向58.7 m)，如圖9所示。

圖9 工作面地質(zhì)特征Fig.9 Geological features of the working face

受斷層和3煤缺失影響，工作面頂板完整性改變，支架頂梁與工作面頂板間的摩擦因數(shù)隨之改變。根據(jù)圖6可知，隨著工作面頂板破碎程度增加，支架頂梁與頂板間的摩擦因數(shù)變小，支架保持穩(wěn)定對應(yīng)的臨界傾角減小。在煤層平均傾角36°條件下，破碎頂板易沿工作面傾向滑移，進(jìn)而引起支架空載，根據(jù)式(8)可知，在空載狀態(tài)下，支架保持穩(wěn)定的臨界傾角為9°～21°。因而，當(dāng)煤層傾角大于此范圍時(shí)，支架發(fā)生失穩(wěn)的概率增加。

3.3 支架選型

11513工作面安裝有ZZ9200/24/50支撐掩護(hù)式液壓支架，該型號支架初撐力為7 758 kN，由圖4和圖7可知，在此初撐力條件下，支架抗倒和抗滑穩(wěn)定性系數(shù)約為0.68，由抗倒穩(wěn)定性系數(shù)和抗滑穩(wěn)定性系數(shù)定義可知，支架在初撐力7 758 kN時(shí)的抗傾倒能力和抗下滑能力較弱，支架發(fā)生失穩(wěn)的概率增加。工作面回采期間采用坡度儀對支架偏斜角、仰俯角進(jìn)行測量，測量期間支架偏斜角最大為9°，大于5°的占31%，支架仰俯角最大為11°，大于7°的占23%，表明支架處于偏斜狀態(tài)，發(fā)生擠架、咬架現(xiàn)象，影響工作面正?；夭?。

4 安全回采措施與效益

由上述分析可以看出，大傾角工作面支架處于多因素耦合的力學(xué)環(huán)境。針對11513工作面現(xiàn)場支架偏斜的問題，系統(tǒng)分析了工作面支架失穩(wěn)因素。工作面煤層傾角大、斷層構(gòu)造復(fù)雜，導(dǎo)致頂板破碎出現(xiàn)空頂現(xiàn)象；現(xiàn)場設(shè)備嚴(yán)重的漏液致使支架初撐力低、無法帶壓移架；局部支架失穩(wěn)誘發(fā)相鄰支架發(fā)生惡性“多米諾效應(yīng)”[16-18]。多重因素耦合影響下工作面支架發(fā)生偏斜擠咬。開采工藝和防倒防滑措施是大傾角煤層安全高效開采的關(guān)鍵。合理的開采工藝和有效的防倒防滑措施，有利于支架和工作面設(shè)備穩(wěn)定，有利于提高工作面生產(chǎn)效率[19]。

4.1 開采工藝措施

為保障11513工作面安全回采，針對工作面特殊地質(zhì)條件，制定開采工藝如下：①開采初期頂板較破碎，向破碎頂板注入化學(xué)漿，膠結(jié)前方破碎頂板。②在頂板破碎易漏區(qū)域，進(jìn)行木料充填維護(hù)頂板；加快推進(jìn)速度，減少超前壓力對上覆巖層的作用。③工作面移架、推移刮板輸送機(jī)時(shí)自下而上，做到支架少降快拉，及時(shí)支護(hù)頂板。④回采期間嚴(yán)格控制采高，當(dāng)遇到復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造帶，提前降低采高，提高支架穩(wěn)定性。⑤回采時(shí)工作面鋪設(shè)雙層金屬網(wǎng)加強(qiáng)支護(hù)頂板。

4.2 防倒防滑措施

大傾角工作面當(dāng)煤層傾角大于支架極限傾倒角時(shí)，將發(fā)生偏斜倒架，需及時(shí)借助支架防倒防滑裝置進(jìn)行調(diào)架[20]。針對11513工作面特殊的地質(zhì)條件及支架結(jié)構(gòu)特征，制定防倒防滑措施如下：①支架頂梁每3架為1組，安裝防倒千斤頂組成整體結(jié)構(gòu)，提高支架穩(wěn)定性。②利用支架側(cè)推彈簧使相鄰支架頂梁緊靠，減少頂梁間隙。③在相鄰支架底座安裝防滑千斤頂。④支架底座設(shè)置調(diào)架千斤頂，及時(shí)調(diào)正偏斜支架，防止惡性“多米諾效應(yīng)”事件發(fā)生。⑤刮板輸送機(jī)與支架間安裝防滑裝置，移架、推移刮板輸送機(jī)時(shí)控制千斤頂，帶動(dòng)輸送機(jī)上移。圖10為實(shí)施防倒防滑措施后現(xiàn)場支架效果，在斜拉千斤頂、底座防滑千斤頂、調(diào)架千斤頂?shù)葏f(xié)同作用下，支架姿態(tài)正常、支架對頂板支撐有力，整體呈直線排列于工作面，保證了工作面安全回采。

圖10 現(xiàn)場防倒防滑措施Fig.10 Anti slip measures on site

4.3 技術(shù)效果

工作面回采期間安裝10部YHY60型礦用電子壓力計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測支架壓力，采用手持式采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。選取3號、40號、87號支架分別代表工作面下、中、上部區(qū)域支架受載特征，如圖11所示。

圖11 工作面支架壓力Fig.11 Working face bracket pressure

采取安全回采措施后，支架壓力平穩(wěn)，分析其運(yùn)行狀態(tài)良好。支架橫向偏斜角是指頂梁與頂板之間橫向的夾角，是衡量支架運(yùn)行狀態(tài)的重要指標(biāo)。約定頂梁向上口偏斜時(shí)夾角為負(fù)值，向下口偏斜時(shí)夾角為正值?；夭善陂g專職技術(shù)人員采用坡度儀量測支架橫向偏斜角。如圖12所示，工作面回采期間，支架橫向偏斜角在規(guī)定范圍內(nèi)，有效控制支架空頂、竄矸、咬架等現(xiàn)象發(fā)生。

圖12 支架偏斜角Fig.12 Skew angle of the bracket

5 結(jié) 論

1)建立大傾角煤層支架力學(xué)模型，推導(dǎo)了支架傾倒失穩(wěn)臨界傾角計(jì)算式，定義支架抗倒穩(wěn)定性系數(shù)和抗滑穩(wěn)定性系數(shù)，得到支架的抗倒穩(wěn)定性系數(shù)隨底座寬度的增大而增大，隨支架重心高度、支架重力的增大而減小。

2)針對潘四東礦11513工作面現(xiàn)場支架失穩(wěn)問題，系統(tǒng)分析了支架偏斜原因，得到煤層傾角大、斷層構(gòu)造復(fù)雜、支架設(shè)備老舊、防倒防滑措施不齊全是支架失穩(wěn)的主要因素。

3)基于理論分析與現(xiàn)場觀測，針對性地提出了注漿加固破碎頂板，鋪設(shè)雙層金屬網(wǎng)、嚴(yán)格控制采高、加快推進(jìn)速度技術(shù)措施，并做好現(xiàn)場支架位態(tài)觀測，及時(shí)借助防倒防滑裝置進(jìn)行穩(wěn)架，提高支護(hù)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，保障工作面安全回采。