大采高液压支架失稳与矿压显现关系研究

王东攀，刘前进

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)



大采高液压支架失稳与矿压显现关系研究

王东攀，刘前进

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

［摘要］通过对近水平大采高综采工作面支架失稳过程的分析，获知煤壁片帮漏顶是支架失稳的重要原因，在此基础上对倒架段支架不同阶段的矿压显现特征和原因进行研究，结果表明初撑力决定了支架工作阻力的运行状况，过低初撑力将导致液压支架高工作阻力无法发挥，提高初撑力是防止支架失稳的关键。

［关键词］大采高综采;支架失稳;初撑力;给定变形;限定变形

［引用格式］王东攀，刘前进.大采高液压支架失稳与矿压显现关系研究［J］.煤矿开采，2015，20 (2) : 78－80.

大采高液压支架支撑高度大，工作面矿压显现强烈，支架受力状况复杂，对破碎顶底、松软煤层、复杂地质构造适应性相对较差，煤壁片帮、架前冒顶发生几率高，进而易引发液压支架挤架、倒架等失稳事故。由于支架重量大、支撑高度高、重心位置高，采用普通单体液压支柱进行调架操作难度大、风险高，因此大采高工作面一旦发生支架失稳，将会给工作面安全生产和经济效益带来严重威胁。

国内有关学者已就大采高综采工作面煤壁的片帮机理和防治进行了相关研究，本文在现有研究成果的基础上，针对山西长治霍尔辛赫煤矿3208工作面支架失稳事故进行分析，并重点对比研究了支架失稳前后矿压显现的差异。

1　工作面生产技术条件

3208大采高工作面开采3号煤层，煤层厚度5.2～6.0m，平均厚度5.6m，煤层结构简单，坚固性系数f为0.5～0.6，含泥岩、炭质泥岩夹矸1层，坚固性系数f平均为1.0，节理裂隙发育，煤层倾角0～15°，平均9°。基本顶为厚度11.2m细砂岩，直接顶为4.6m泥岩、1.1m细砂岩和2.4m泥岩，坚固性系数3～4，强度较低，随采随冒，伪顶为厚度0.38m炭质泥岩，硬度软，泥质胶结。直接底为8m厚泥岩，坚固性系数2.5，老底为厚度5.70m砂质泥岩。工作面斜长173.5m，布置100付ZY12000/28/60D型电液控制液压支架。

2　支架失稳过程及原因分析

3208工作面于3月10日开始初采，日平均推进3.6m，自4月5日开始工作面20～50号支架煤壁片帮严重，深度达1.0m左右，20～40号支架发生倾倒，倾倒角度75～82°，其中32～37号支架倾倒严重，平均角度达70°。支架倾倒后，调架期间工作面推进速度慢，直接顶破碎度提高，基本顶回转变形量增大，漏顶范围进一步扩展，在顶板沿倾斜方向分力的作用下，使支架倾倒范围和程度加剧，直至机头。经过工作面调斜和单体支柱强扶，至5月28日工作面恢复正常生产，期间共推进40m。

分析3208大采高工作面支架失稳的主要原因有:

(1)顶板存在0.38m炭质泥岩，直接顶为泥岩，煤层坚固性系数f为0.5～0.6，节理裂隙发育，工作面采高大，矿压大幅度增加，煤壁塑性区宽度增大，煤壁发生剪切滑移破坏，片帮严重，支架端面距增大，空顶区直接顶破碎，发生冒顶，造成支架无法接顶或接顶不实，由此引起失稳。

(2)工作面伪斜控制不当。回采初期工作面呈俯伪斜布置，导致刮板输送机下滑至运输巷下帮，无法推溜。后采用机头快进方式进行调斜，由于刮板输送机重量轻，调向速度快，但支架未及时跟上调向，引起中间支架挤架，侧护板行程转移到相邻支架，支架间隙增大，侧护板千斤顶即使完全打开也无法靠上相邻支架，在沿顶板倾斜方向切向分力的作用下支架倾倒程度加剧，进而发生大范围倒架。

(3)工作面运输巷沿顶板布置，支架沿底板回采，机头段10付支架沿顶板逐渐降低采高缓慢过渡至运输巷底板，且靠近机头段出现了一个小向斜，由此造成支架向低凹段倾斜，进而发生挤架，加之低凹段易发生积水，底板为泥岩，遇水软化，支架钻底，造成拉架困难，加剧了支架挤咬。

(4)倒架前支架平均初撑力3300kN，仅占额定初撑力的38%，主动支护作用发挥不够，支架对顶板的支撑作用处于“给定变形”，顶板下沉量增大，压力转移至煤帮，造成煤壁片帮漏顶加剧，引起支架失稳。

3　支架失稳与矿压显现关系分析

防治大采高综采液压支架失稳必须控制煤壁片帮、架前漏顶。为了控制煤壁片帮冒顶，目前大采高综采支架初撑力一般均留有较高的富裕量，但支架失稳仍时有发生，因此有必要对支架失稳前后支架与围岩的相互作用关系进行分析。针对3208工作面倒架前后矿压实测数据进行分析，以倒架严重的28号支架为例，其支架工作阻力原始曲线见图1，并重点对比倒架段支架工作阻力特征。

3.1支架失稳前后初撑力对比

应用统计分析方法，对倒架段支架不同阶段的初撑力进行对比分析，见图2。

图1　28号支架工作阻力原始曲线

图2　不同阶段倒架段支架初撑力对比柱状图

由图2可知，工作面初采期间支架平均初撑力5500kN，倒架前平均初撑力降为3300kN，仅占额定初撑力的40%，倒架后平均初撑力2040kN。倒架前支架初撑力较初采期间显著降低，煤壁片帮漏顶加剧，支架发生倾倒后，顶梁上方为浮矸，支架难以充分接顶，初撑力进一步降低，支架的强控顶能力完全无法发挥。当周期来压时，过低初撑力使支架处于急增阻状态，基本顶回转下沉速度快，对直接顶和煤壁产生较大的冲击，进一步加剧了煤壁片帮漏顶。

3.2失稳前后支架工作阻力对比

应用统计分析方法，对倒架段不同阶段的支架工作阻力进行对比分析，见图3。

由图3可知，初采期间支架平均工作阻力为6415kN，倒架前支架平均工作阻力为5060kN，倒架后支架平均工作阻力为2900kN，仅占额定工作阻力的24%。由支架初撑力与工作阻力的相关性可知，初采期间支架由初撑状态增至循环末阻力增量为915kN，增阻率16.6%，倒架前压力增量为1760kN，增阻率53.3%，倒架后压力增量为860kN，增阻率42.2%。

图3　不同阶段倒架段支架工作阻力对比柱状图

工作面初采期间支架初撑力较高，当周期来压时，支架可很快达到最大工作阻力，支架对顶板的抵抗作用表现为“限定变形”，顶板的下沉量得到控制，使基本顶的回转变形速度降低，限制了基本顶关键块的回转失稳，发挥了基本顶“砌体梁”的自稳能力，降低顶板来压强度。倒架前支架平均初撑力较初采期间降低了2200kN，循环末阻力增阻率高达53.3%，支架对顶板的抵抗作用表现为“给定变形”，立柱下缩量大，破碎直接顶不能与基本顶同步协调变形，基本顶形成的铰接平衡结构易失稳，支架对基本顶的控制程度减弱，高工作阻力无法充分发挥，煤壁和采空区矸石受力增大，加剧了片帮漏顶，加之工作面伪斜控制不当、调架措施不到位等管理原因，由此造成大采高综采支架失稳。

4　结论

(1)从支架失稳过程矿压观测数据对比分析看，随着初撑力降低，支架平均工作阻力随之降低，初撑力一定程度上决定着支架工作阻力的运行状况，过低初撑力将导致液压支架高工作阻力无法发挥。

(2)高初撑力使支架对顶板的抵抗作用表现为“限定变形”，能有效控制基本顶“砌体梁”关键块失稳造成的顶板下沉，降低来压强度;低初撑力支架对顶板的抵抗作用表现为“给定变形”，通过立柱的下缩平衡基本顶回转变形的挤压力，支架对基本顶的控制程度减弱，高工作阻力无法充分发挥，煤壁和采空区矸石受力增大，加剧了片帮漏顶。

(3)实测结果分析表明，支架初撑力过小是导致工作面支架发生失稳的重要影响因素之一，必须采取措施保证工作面支架合理初撑力，更好地发挥支架性能。

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［责任编辑:潘俊锋］

Relationship between instability of Large-mining-height Powered Support and Underground Pressure Behavior

WANG Dong-pan，LIU Qian-jin

(Coal Mining＆Designing Department，Tiandi Science＆Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

Abstract:By analyzing the instability process of large-mining-height powered support，it was obtained that coal-wall slide and fall was main cause of supports instability.On the basis of this，underground pressure behavior of instable powered supports in different phrases was analyzed.Results showed that operation state of powered support was decided by setting load and lower setting load would restrict high working resistance，therefore，improving setting load was the key to preventing powered support instability.

Keywords:large-mining-height full-mechanized mining; powered support instability; setting load; given deformation; finite deformation

［作者简介］王东攀(1978－)，男，河南南阳人，副研究员，主要从事煤矿安全高效开采、矿山压力与岩层控制技术等方面研究工作。

［基金项目］“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2012BAK04B08) ; 2013年川煤集团重点科研项目:大倾角松软厚煤层一次采全高关键技术与装备

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.022

［收稿日期］2014－08－18

［中图分类号］TD355.4

［文献标识码］A

［文章编号］1006-6225 (2015) 02-0078-03