雙傾角工作面支架穩(wěn)定性分析

＊馬永生

（寧夏煤業(yè)公司棗泉煤礦 寧夏 750409）

在煤礦生產(chǎn)過程當(dāng)中，經(jīng)常會(huì)面臨到特殊地質(zhì)情況，如何保證特殊區(qū)域生產(chǎn)活動(dòng)中支架的穩(wěn)定性是實(shí)際工作開展中的一項(xiàng)重要內(nèi)容[1-4]。在大傾角工作面，液壓支架受力由豎向轉(zhuǎn)變?yōu)閮A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(fā)生倒架、擠架、陷底等事故，嚴(yán)重影響工作面安全高效生產(chǎn)[5-9]。因此對(duì)大傾角綜放工作面，尤其是雙傾角工作面，進(jìn)行支架失穩(wěn)研究分析，對(duì)工作面安全高效生產(chǎn)具有重要意義[10-11]。本文針對(duì)棗泉煤礦五分區(qū)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(diǎn)，分析工作面支架失穩(wěn)形式，并計(jì)算其失穩(wěn)臨界角，為后續(xù)制定支架防倒滑措施、方案提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1.工程概況

(1)工作面概述

棗泉煤礦150202工作面位于五分區(qū)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(chǔ)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(diǎn)

棗泉煤礦五分區(qū)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(diǎn)，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(qū)域覆巖中存在厚硬巖層等，150202工作面各開采特點(diǎn)具體情況如表1所示。

表1 150202工作面開采特點(diǎn)匯總

2.150202工作面不同支架狀態(tài)穩(wěn)定性分析

(1)150202工作面支架失穩(wěn)形式及主要影響因素

①工作面支架失穩(wěn)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(guī)則地起伏變化，為研究150202工作面支架不同狀態(tài)下的穩(wěn)定性，首先對(duì)大傾角綜放面支架常見的失穩(wěn)形式進(jìn)行分析，主要包括支架滑移失穩(wěn)和傾倒失穩(wěn)兩種，失穩(wěn)形式及內(nèi)涵具體如下[12]：

A.滑移失穩(wěn)

支架滑移失穩(wěn)主要是由于工作面煤層頂?shù)装迮c支架頂板和底座所產(chǎn)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(shì)方向上的分力所導(dǎo)致，常出現(xiàn)在傾角大的工作面或工作面涌水積水所導(dǎo)致的低摩擦、光滑工作面。

B.傾倒失穩(wěn)

支架傾倒失穩(wěn)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(diǎn)偏離了支架的中心，導(dǎo)致支架沿走向或傾向具有傾倒的風(fēng)險(xiǎn)。

②支架穩(wěn)定性主要影響因素分析

A.地質(zhì)生產(chǎn)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(yùn)動(dòng)中的失穩(wěn)力矩變大，穩(wěn)定性變差。

c.頂?shù)装澹悍治鲋Ъ茉诠ぷ鲌鼍爸械氖芰l件，其中工作面底板與支架底座接觸產(chǎn)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(yùn)動(dòng)空間，是阻礙或限制支架傾倒等重要因素。其中，頂?shù)装迮c支架間的摩擦因素決定著該地質(zhì)條件下的反下滑力及反傾倒力大小。

B.支架結(jié)構(gòu)特性

a.初撐力：初撐力是支架工作的重要指標(biāo)，其參量大小客觀反映支架與工作面頂?shù)装宓慕佑|程度，直接決定著支架對(duì)頂板的控制作用效果，同時(shí)其可表示支架所受上部荷載大小，與支架頂?shù)啄﹂吡Ξa(chǎn)生及支架穩(wěn)定性密切相關(guān)。

b.支架側(cè)護(hù)裝置：支架側(cè)護(hù)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(wěn)臨界角分析

①走向支架自由狀態(tài)下失穩(wěn)力學(xué)模型

雙傾角工作面開采中，支架會(huì)呈現(xiàn)仰采和俯采兩種狀態(tài)位姿，故分別建立仰采支架滑移失穩(wěn)和俯采支架滑移失穩(wěn)力學(xué)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(wěn)

通過分析，在自由狀態(tài)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(tài)下工作面仰（俯）采臨界滑移時(shí)的角度關(guān)系為：

式中：φ為支架重力在工作面推進(jìn)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(shù)，巖石與鋼板間摩擦系數(shù)通常取0.14～0.5。

進(jìn)一步推導(dǎo)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(shù)加大，支架走向的抗滑移能力明顯增強(qiáng)；當(dāng)?shù)装迥Σ料禂?shù)不變時(shí)，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(qū)域支架更容易發(fā)生走向滑移失穩(wěn)，且傾向傾角對(duì)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(shù)為0.20，則此時(shí)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(qū)。

圖2 走向滑移臨界角與傾向傾角及摩擦系數(shù)關(guān)系圖

B.支架走向俯、仰采傾倒失穩(wěn)

工作面俯采狀態(tài)下，支架走向俯采臨界傾倒的角度關(guān)系為：

式中：h為機(jī)采高度，m；S為支架掩護(hù)梁在推進(jìn)方向上的長度，m。

進(jìn)一步化簡可得支架走向俯采臨界傾倒角，如下：

根據(jù)公式，可得走向臨界俯采傾倒角與傾向傾角、機(jī)采高度的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 走向俯采傾倒臨界角與傾向傾角機(jī)采高度關(guān)系圖

工作面仰采狀態(tài)下，支架走向仰采臨界傾倒的角度關(guān)系為：

式中：L為支架整體長度，m。

進(jìn)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(shù)據(jù)，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(jī)采高度的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 走向仰采傾倒臨界角與傾向傾角及機(jī)采高度關(guān)系圖

由圖3和圖4可知，隨著機(jī)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(dāng)機(jī)采高度不變時(shí)，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(qū)域支架更容易發(fā)生走向的傾倒失穩(wěn)。為增加安全性，確定150202工作面傾向傾角最大值約35°，選取機(jī)采高度為4.0m，則此時(shí)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(qū)。

(3)傾向支架自由狀態(tài)時(shí)失穩(wěn)力學(xué)模型

①支架傾向滑移失穩(wěn)

自由狀態(tài)下支架主要受到自重的影響，建立傾向滑移失穩(wěn)狀態(tài)下支架力學(xué)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(duì)支架的支撐力；f2為底板對(duì)支架底座的摩擦力。

分析支架在傾向失穩(wěn)狀態(tài)下力學(xué)平衡關(guān)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(duì)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(wěn)時(shí)的角度關(guān)系，如下：

進(jìn)一步解出支架傾向滑移失穩(wěn)時(shí)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(shù)，巖石與鋼板之間的摩擦系數(shù)通常為0.14～0.5。

根據(jù)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(shù)的關(guān)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(shù)關(guān)系圖

由圖6可知，隨著煤層底板摩擦系數(shù)加大，支架傾向的抗滑移能力明顯增強(qiáng)；當(dāng)?shù)装迥Σ料禂?shù)不變時(shí)，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(qū)域支架更容易發(fā)生傾向滑移失穩(wěn)，且走向傾角對(duì)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(shù)為0.20，則此時(shí)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(qū)。

②支架傾向傾倒失穩(wěn)

支架沿傾向的傾倒失穩(wěn)力學(xué)平衡關(guān)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(shí)角度關(guān)系為：

進(jìn)一步解出傾向傾倒失穩(wěn)時(shí)的傾向臨界傾倒角，如下：

基于ZFA15000/25/43D型液壓支架數(shù)據(jù)，根據(jù)上式可得支架傾向臨界傾倒角與煤層走向傾角及機(jī)采高度的關(guān)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(guān)系圖

由圖7可知，隨著機(jī)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(dāng)機(jī)采高度不變時(shí)，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(qū)域支架更容易發(fā)生傾向傾倒失穩(wěn)。為增加安全性，確定150202工作面走向傾角最大值約16°，選取機(jī)采高度為4.0m，則此時(shí)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(qū)。

③150202工作面支架失穩(wěn)臨界角分析

根據(jù)前述支架失穩(wěn)臨界角分析內(nèi)容，工作面沿走向和傾向兩個(gè)方向的支架滑移臨界角與支架傾倒臨界角（不同摩擦系數(shù)及機(jī)采高度）匯總?cè)绫?和表3所示。

表2 支架失穩(wěn)滑移角結(jié)果匯總

表3 支架失穩(wěn)傾倒角結(jié)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(qū)，存在支架傾倒區(qū)；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(qū)，無支架傾倒區(qū)。

3.結(jié)論

本文分析了150202工作面大傾角綜放面支架失穩(wěn)形式及主要影響因素，對(duì)走向俯仰角開采及傾向大傾角開采等特殊狀態(tài)下的支架穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究，理論計(jì)算得出150202工作面支架在自由狀態(tài)下走向和傾向上的滑移/傾倒臨界角，且分析支架穩(wěn)定性規(guī)律為：隨著煤層底板摩擦系數(shù)加大，支架走向、傾向的抗滑移能力明顯增強(qiáng)，當(dāng)?shù)装迥Σ料禂?shù)不變時(shí)，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(qū)域支架更容易發(fā)生滑移失穩(wěn)；隨著機(jī)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(dāng)機(jī)采高度不變時(shí)，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(qū)域支架更容易發(fā)生傾倒失穩(wěn)。