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(yè)有限責(zé)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(gòu)造架段支架開始出現(xiàn)不同程度的倒架現(xiàn)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(xiàn)倒架，如圖1 所示。構(gòu)造區(qū)域支架的倒架影響工作面平穩(wěn)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(qū)+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(fēng)巷，呈東西向布置，位于開切眼南側(cè)，供運煤、進風(fēng)、供液、供電、供水、排水用；43193 巷為回風(fēng)巷，呈東西向布置，位于開切眼北側(cè)，供回風(fēng)、供風(fēng)、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(xiàn)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(nèi)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(xiàn)割矸現(xiàn)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(gòu)造示意圖

2 支架穩(wěn)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?shù)装鍖χЪ苣Σ亮1、f2作用下處于平衡狀態(tài)。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(xué)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(zhuǎn)力矩，N·m；μ2為頂板與支架間的摩擦系數(shù)；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(guān)，而煤巖層具有一定傾角后，刮板輸送機與支架極易發(fā)生聯(lián)動失穩(wěn)，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(lián)動作用及頂板壓力等方面控制其穩(wěn)定性。

3 支架倒架原因分析

支架的工作狀態(tài)、刮板輸送機與支架的聯(lián)動作用等都可能導(dǎo)致支架穩(wěn)定性的失衡[5-8]。經(jīng)現(xiàn)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(huán)進度不夠造成該段整體滯后，導(dǎo)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(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。如圖4。

圖4 工作面倒架區(qū)域俯視圖

根據(jù)支架防倒的力學(xué)模型分析可知，循環(huán)進度不夠時相鄰支架作用力P上、P下受力點發(fā)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(cè)護板失效，導(dǎo)致支架移架過程中失去了側(cè)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(guī)思路采用由小到大磨三角的方式調(diào)整竄后，導(dǎo)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(cè)護板失效的現(xiàn)狀。對比120#～140#架段直線度較好，雖然底板坡度大卻沒有發(fā)生倒架的現(xiàn)象，可知直線度對倒架的調(diào)整有非常重要的作用；此外，雖然工作面呈竄后的狀態(tài)，但是簡單的磨機尾導(dǎo)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(huán)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(tài)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(yù)防倒架的幾項具體措施；李朋迪等[10]通過支架穩(wěn)定性的受力分析，采用超前移架、煤壁注漿、調(diào)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(wěn)定性。

經(jīng)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(diào)整工作面直線度和刮板輸送機與支架的聯(lián)動作用來解決倒架問題。

4.1 工作面直線度調(diào)整

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

圖5 調(diào)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(guān)系調(diào)整

工作面直線度調(diào)整完成后，工作面推進過程中的循環(huán)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(tǒng)計（調(diào)整前）

斜交角度小導(dǎo)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(dǎo)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(huán)方式，減小機頭機尾的進度差，調(diào)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(tài)，糾正刮板輸送機對支架的聯(lián)動作用，從而徹底解決中部構(gòu)造段倒架問題，并避免因構(gòu)造段倒架不能及時解決導(dǎo)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(jù)工作面直線、頂?shù)装?、支架工作狀態(tài)等情況，確定合理的磨三角范圍，確保工作面所有支架循環(huán)進度都能符合要求，使支架與刮板輸送機處于合理的聯(lián)動工作狀態(tài)，既調(diào)整了刮板輸送機竄后，也避免了因調(diào)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(huán)進度能夠保持一致，有效改善了支架受力狀態(tài)，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(cè)護空間而掩護梁側(cè)護空間超寬的現(xiàn)象明顯改善，使得側(cè)護板能夠在支架移架過程中提供側(cè)向支撐力，發(fā)揮靠架的作用，恢復(fù)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(lián)動作用得到充分發(fā)揮。調(diào)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(tǒng)計（調(diào)整后）

調(diào)整工作面直線度的過程中原來的彎度已經(jīng)變直，機尾超前機頭的偽斜優(yōu)勢已經(jīng)逐漸顯現(xiàn)，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(xiàn)象得到改善，工作面恢復(fù)正常生產(chǎn)。

6 結(jié)論

因ZY12000 掩護式支架頭重尾輕、重心不穩(wěn)，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(xiàn)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(jīng)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(chǎn)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(nèi)就有效解決了倒架的問題，既減少了工作量又節(jié)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(zhì)量問題與倒架均存在內(nèi)在關(guān)聯(lián)，表明工程質(zhì)量的管控對倒架具有重要意義。