過(guò)空巷非均衡載荷下液壓支架安全控制研究

宋瑞榮

(交口縣防震減災(zāi)中心，山西 交口 032400)

空巷是指用于行人、通風(fēng)、勘探、聯(lián)絡(luò)等，為采掘活動(dòng)服務(wù)的巷道，寬度2～9 m、簡(jiǎn)易支護(hù)或無(wú)支護(hù)，部分頂板較好、長(zhǎng)期放置后多數(shù)會(huì)出現(xiàn)不等高垮落現(xiàn)象[1]。山西澤州海天煤礦主采3號(hào)煤，開(kāi)采中發(fā)現(xiàn)重組區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，有大量寬度不等、垮落高度不同、走向角度各異的空巷。工作面過(guò)空巷時(shí)，采用的四柱掩護(hù)式放頂煤支架工作中前后柱載荷差異大、出現(xiàn)前柱液壓閥開(kāi)啟后柱拔斷現(xiàn)象，為頂板非常規(guī)破斷、載荷非均衡分布的開(kāi)采環(huán)境，嚴(yán)重威脅煤礦的安全[2]。專家學(xué)者對(duì)支架結(jié)構(gòu)、支架載荷等進(jìn)行了大量研究[3]，然而跨空巷回采對(duì)液壓支架安全性有特殊要求，工作面過(guò)空巷非均衡載荷下液壓支架適應(yīng)性研究尤為重要。

本文以山西海天礦1331工作面過(guò)空巷為工程背景，研究工作面跨空巷回采頂板破斷垮落規(guī)律，提出支架非均衡承載特征和破壞機(jī)理、跨空巷開(kāi)采支架選型和安全控制技術(shù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)頂板非常規(guī)破斷、載荷非均衡分布條件下安全開(kāi)采，具有重要意義。

1 空巷分布及支架非均衡承載特征

海天煤礦主采3號(hào)煤，煤層平均厚度6.65 m，傾角2～6°，埋深350 m.1331綜放工作面走向長(zhǎng)度410 m，傾斜長(zhǎng)度84 m，布置了ZF8000/17/32型放頂煤液壓支架(52架)，采高2.0 m，采用一采一放，步距0.6 m.直接頂為粉砂巖、泥巖，厚度4.66 m，老頂為砂巖，厚度16.4 m.

對(duì)舊有空巷進(jìn)行探測(cè)，運(yùn)輸巷揭露16條空巷，回風(fēng)巷揭露10條空巷，切眼揭露3條空巷，聯(lián)絡(luò)巷揭露5條空巷。分析發(fā)現(xiàn)，空巷寬度一般在2～5 m，高度為2.5 m左右，與工作面煤壁平行或垂直，以平行分布為主?？障镆阅局ёo(hù)為主，甚至不支護(hù)，揭露的實(shí)際空巷如圖1所示。

圖1 空巷揭露情況

如圖2所示，分別在工作面上、中、下3個(gè)位置支架布置了5個(gè)測(cè)點(diǎn)(分別位于4號(hào)、14號(hào)、26號(hào)、36號(hào)、48號(hào)支架)，對(duì)支架前柱、后柱和整架工作阻力統(tǒng)計(jì)(YHY60(B)數(shù)字壓力記錄儀)見(jiàn)表1.

圖2 部分空巷分布及測(cè)點(diǎn)布置

表1 支架前柱、后柱和整架工作阻力分布

對(duì)過(guò)空巷回采中支架受力分析：

1) 支架前柱過(guò)載，安全閥多次開(kāi)啟。前柱工作阻力在4 000～6 000 kN、6 000～8 000 kN、8 000～10 000 kN區(qū)間的頻率分別為29%、17%、14.8%，而后柱工作阻力在0～2 000 kN的頻率為84.3%，使得支架載荷多次超過(guò)額定值8 000 kN，出現(xiàn)安全閥開(kāi)啟甚至壓架事故。

2) 支架不均衡承載，前柱已經(jīng)達(dá)到額定工作阻力而后柱受力很小或者不受力，經(jīng)常表現(xiàn)為零工作阻力甚至后柱拉斷。支架前后柱受力差值中0～500 kN所占的比例為7.4%；500～1 000 kN所占的比例為35.6%；1 000～1 500 kN所占的比例為33.1%；1 500～2 000 kN所占的比例為24.9%.

具體分析得出，受空巷影響頂板不規(guī)則破斷，由于頂板施加到支架上載荷的合力作用點(diǎn)位于支架頂梁的前部，造成支架前柱工作阻力較大，而后柱不受力，嚴(yán)重時(shí)表現(xiàn)出支架后柱因拉力而被拉斷的情況。

2 過(guò)空巷頂板破斷特征和支架失穩(wěn)機(jī)理

從多次重復(fù)試驗(yàn)的研究中發(fā)現(xiàn)，工作面臨近空巷或空區(qū)時(shí)前方煤柱出現(xiàn)異?？逅茐?，采場(chǎng)頂板易形成大厚度、長(zhǎng)跨距的超前大斷裂結(jié)構(gòu)，如圖3所示，造成支架工作阻力急劇增大并導(dǎo)致大面積壓架事故，這與實(shí)體煤開(kāi)采完全不同。

圖3 工作面臨近空巷頂板破斷結(jié)構(gòu)

初步分析認(rèn)為：①頂板巖層隨時(shí)間推移發(fā)生蠕變損傷-斷裂破壞，受采場(chǎng)超前支承壓力影響，基本頂在空巷前方邊緣斷裂，形成超長(zhǎng)跨度的懸梁結(jié)構(gòu)；②單個(gè)空巷分布條件下，掘進(jìn)和開(kāi)采擾動(dòng)下空巷煤柱發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷和承載能力削弱，工作面臨近時(shí)突然失穩(wěn)，使得采場(chǎng)支架-圍巖體系中的煤柱支撐作用突然失效，引發(fā)基本頂跨煤柱超前斷裂；③多個(gè)空巷分布條件下，受采場(chǎng)超前支承壓力和靜載疊加影響，單個(gè)煤柱破壞后承擔(dān)載荷通過(guò)頂板巖層向其他空巷煤柱轉(zhuǎn)移，在覆巖-煤柱群承載系統(tǒng)中應(yīng)力調(diào)整過(guò)程中可能出現(xiàn)煤柱群的“多米諾骨牌”失穩(wěn)，出現(xiàn)覆巖-煤柱群承載系統(tǒng)的失效破壞[4]?？梢?jiàn)，工作面前方覆巖-煤柱群由于空巷影響導(dǎo)致煤柱支撐能力降低，受開(kāi)采擾動(dòng)時(shí)，極有可能出現(xiàn)煤柱群局部或全部失穩(wěn)而導(dǎo)致頂板的大面積垮落[5]，造成惡性事故。

根據(jù)海天煤礦工作面推進(jìn)過(guò)程中，四柱式ZF8000/17/32型放頂煤液壓支架運(yùn)行情況，建立如圖4所示的支架受力模型。

圖4 支架受力力學(xué)模型

取頂梁及掩護(hù)梁為隔離體，即∑MO1=0，得平衡方程[4]：

P1e1+P2e2+fQbtanθ-Q(x+b)=0

(1)

式中：Q為外載荷，kN；x為Q作用點(diǎn)與O的距離，m；P1、P2為前后立柱支撐力，kN；e1、e2為P1、P2與O點(diǎn)的距離，m；fQ為頂梁上作用的水平推力，kN；b為O1O點(diǎn)的水平距離，m；θ為OO1連線與水平線的夾角，°.

當(dāng)∑MO1=0時(shí)，得：

P1p1+P2p2-Qx=0

(2)

其中：p1為P1距鉸接點(diǎn)O點(diǎn)的距離，m；p2為P2距鉸接點(diǎn)O點(diǎn)的距離，m.

將公式(2)代入公式(1)可得Q：

(3)

將公式(1)、公式(2)合并得支架后柱工作阻力:

(4)

設(shè)C、K為常數(shù)：

(5)

(6)

故公式(4)可簡(jiǎn)寫：

P2=Cx-K

(7)

可知，P2是有關(guān)載荷作用力臂x的一次線性函數(shù)。將公式(3)代入公式(2)可得支架合力作用位置為：

(8)

3 支架適應(yīng)性研究

ZFY10200/25/42型支架主要參數(shù)如下：工作阻力為10 200 kN(45 MPa)，初撐力為7 144 kN(31.5 MPa)，中心距為1 750 mm，支架高度為2.5～4.2 m，支護(hù)強(qiáng)度為1.08～1.10 MPa，底板前端比壓為2.95～3.93 MPa.

采用FLAC3D5.00對(duì)工作面過(guò)空巷頂板破斷運(yùn)移規(guī)律和支架承載特征進(jìn)行研究。模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=100 m×147 m×28.61 m，空巷尺寸為3 m×3 m.利用beam結(jié)構(gòu)單元模擬工字鋼棚支護(hù)，利用Extrusion 功能建立液壓支架，支架關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)搭建后，連接關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)構(gòu)建主要框架結(jié)構(gòu)[6]，如圖5所示。

圖5 支架模型圖

當(dāng)工作面推進(jìn)23 m時(shí)，工作面與空巷間煤柱的寬度為7 m，得到采場(chǎng)塑性區(qū)和圍巖應(yīng)力的分布如圖6所示。

由圖6(a)可知，工作面前方煤柱發(fā)生塑性破壞，失去承載能力，載荷向空巷及采空區(qū)傳遞，空巷圍巖塑性區(qū)不斷擴(kuò)展，發(fā)生垮落?；卷敯l(fā)生超前斷裂，生成完整塊體，在回轉(zhuǎn)下沉過(guò)程中相互擠壓形成鉸接結(jié)構(gòu)，對(duì)空巷圍巖穩(wěn)定性和支架安全具有顯著影響。圖6(b)可知，空巷與工作面間煤柱是應(yīng)力升高區(qū)，垂直應(yīng)力達(dá)到11 MPa.由于煤柱塑性破壞，應(yīng)力向深部煤體和采空區(qū)傳遞，使得應(yīng)力峰值達(dá)到13 MPa.

圖6 工作面推進(jìn)23 m時(shí)支架-圍巖關(guān)系模擬圖

對(duì)支架垂直應(yīng)力如圖6(c)所示，支架立柱是載荷的主要承擔(dān)體，分布垂直壓應(yīng)力且達(dá)到了峰值45 MPa.頂梁前部、中部分布?jí)簯?yīng)力，最大分別為4 MPa、10 MPa，支架頂梁后部和后座分布拉應(yīng)力，最大分別為4 MPa和9 MPa，支架各鉸接點(diǎn)垂直應(yīng)力10 MPa以上。圖6(d)為支架垂直應(yīng)變分布特征，載荷作用下支架承載性較好，頂梁前端變形大于中部及尾梁，頂梁前端最大變形約為7.5 cm，處于安全范圍。

4 液壓支架安全控制效果實(shí)測(cè)

在1331工作面布置ZFY10200/25/42型正四連桿兩柱放頂煤液壓支架，在支架安放測(cè)點(diǎn)，對(duì)回采期間支架載荷進(jìn)行監(jiān)測(cè)[7]，如圖7所示。

圖7 支架工作阻力實(shí)測(cè)

由圖7可知，回采期間支架載荷分布不均勻，在進(jìn)入空巷前(回采日期10-22至10-25)、出空巷后(回采日期10-31至11-06)支架載荷增大，在進(jìn)入空巷(回采日期10-25至10-31)支架載荷降低，呈現(xiàn)非均衡分布特征。支架對(duì)開(kāi)采適應(yīng)性較好，前后柱載荷受力均勻，回采期間沒(méi)有發(fā)生泄壓閥開(kāi)啟或工作阻力為零、支柱拉斷現(xiàn)象。

在空巷集中分布區(qū)布置1331工作面，自2021年9月12日開(kāi)始回采，截至2021年12月12日，工作面累計(jì)推進(jìn)110 m，共計(jì)完成183個(gè)循環(huán)，生產(chǎn)原煤總量5.6萬(wàn)t，期間液壓支架工作正常。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 工作面通過(guò)空巷載荷集中施加在支架前柱，導(dǎo)致過(guò)載安全閥多次開(kāi)啟，而后柱受力很小或者不受力，表現(xiàn)為零工作阻力甚至后柱拉斷。

2) 支架支柱受力取決于支架合力作用點(diǎn)位置，得到了支架穩(wěn)定的合力作用點(diǎn)區(qū)間；回采中支架與空巷間煤柱尺寸減小，頂板發(fā)生超前斷裂，應(yīng)力向支架轉(zhuǎn)移，進(jìn)、出空巷時(shí)支架載荷增大。

3) 液壓支架需適應(yīng)空巷條件下頂板非常規(guī)破斷和載荷非均衡變化，基于海天煤礦條件選擇ZFY10200/25/42型正四連桿兩柱放頂煤液壓支架，工業(yè)性試驗(yàn)中對(duì)空巷開(kāi)采具有良好適應(yīng)性。