大平煤矿S2S6工作面液压支架倒架的原因、预防、治理及改进意见

刘玉昌，杨清成，盛时超

（1.铁法煤业（集团）有限责任公司大平煤矿，辽宁 铁岭112700；2.铁法煤业（集团）有限责任公司，辽宁 铁岭112700）

1 S2S6 段综放工作面的基本情况

S2S6 段综放工作面位于大平煤矿南二采区南部，工作面倾斜长度300m，走向长度1 315m，工作面平均煤层厚度12.77m，煤层普氏系数f 为1.4。

该工作面煤质工业牌号为长焰煤，黑色、沥青-弱玻璃光泽、条带状结构、块状构造、贝壳状断口或平坦状断口、质脆，以亮煤为主，暗煤次之。在亮煤条带中常见两组垂直层面的内生裂隙，一组发育，另一组次之，裂隙面平坦。在裂隙中常有方解石及黄铁矿薄膜充填。煤层与顶底板一般为整合接触。

S2S6 段综放工作面煤层赋存于-560～-690m，结合工作面实见、探煤及邻近钻孔分析：一煤层最大可采厚度为10.10m，最小为7.80m，一般为8.22m。煤层结构复杂，自然分层最多19 层，少者5 层。煤层倾角为1°～9°，平均7°。二煤层最大可采厚度为6.00m，最小为3.00m，一般为4.03m。煤层结构复杂，自然分层最多11 层，少者7 层。煤层倾角为1°～9°，平均7°。煤层中的夹矸多为泥岩，个别为炭质泥岩。深灰色或黑灰色，泥质胶结、质软易碎，遇水泥化、块状构造，其单层厚度一般为0.05～0.57m。

该工作面为走向长壁方式布置，综合机械化放顶煤开采。2019年5月投产，其投产以来，工作面始终伴有两条或以上大落差低角度正断层，为工作面安全管理、煤质管理、标准化工作造成持续不利影响。

在S2S6 段综放工作面初采时，机头段液压支架严重倒架，个别支架倾角一度超过30°。在分析倒架的主辅原因的前提下，落实了控水、顺底、保护顶板的综合措施，逐步恢复了工作面液压支架状态。但在随后的回采过程中，工作面又发生多次支架倾角大范围增加的情况，对工作面稳定生产、安全质量保障、标准化工作造成较大不利影响，在此过程中，大平煤矿逐渐摸索积累了预防和治理倒架的一些经验。

2 综放工作面发生倒架的原因

2.1 综放工作面液压支架倒架的一般性条件

2.1.1 顶板破坏

在综放工作面生产推进过程中，液压支架反复初撑，顶板受到充分搅动，当结构性强度受到破坏降低，使顶板达到屈服极限发生破坏，必然造成破碎的顶煤从架前、架间向下漏冒，造成支架上方局部空顶，液压支架一定程度上方空载，进而导致顶板对支架的约束作用减弱。支撑压力进一步向煤体深部转移，加速前方煤体的破坏。当工作面继续推进时，进入支架上方的部分顶煤形成散体状态，承载能力弱，造成支架无法保持足够的工作阻力。当进行升架作业时，为保证支架的初撑力要求，被迫升高支架又造成了支架高宽比增大、重心上移、自稳性降低，同时，导致支架顶梁侧护板与邻架的约束失效。

2.1.2 底板失稳

当综放工作面发生倒架，生产一线一般性的做法是使用单体液压支柱或其他手段，在拉移液压支架时额外增加辅助的侧向推力，并充分利用液压支架侧护板的作用逐步恢复液压支架合理的支护状态。但在一定的底板条件下，这个过程的弊端同样明显：治理过程中由于直接支撑作用、单体乳化液跑冒浸泡、液压支架初始姿态等，底板完整性遭到破坏，无法为液压支架提供稳定的、方向合适的支撑，进而造成支架调整效果微小、反复，治理难度大幅增加。

2.1.3 放煤不均

综放工作面后部运输机放煤是非常关键的生产环节，要求必须严格管理，达到稳定、均匀放煤的目的，如果架后放煤不均衡、局部超放，将造成局部放煤切顶线发生一定程度的、分布不均衡的变化，进而使应力集中，段顶板遭到较大程度破坏，直接进入一种恶性循环。

2.2 S2S6 段综放工作面液压支架倒架的具体原因

准确地说是探究为什么机头段支架会多次发生倒架。结合以上综放工作面液压支架倾倒原因的一般性分析，通过对工作面开采以来历次治理倒架的经验和教训进行反思，该工作面机头段支架多次发生倒架的原因是多方面的，但最根本的是受自然条件、设备特点、操作不当和其他因素影响，区段顶板破碎、底板软化，造成液压支架“站不住、扶不起”。分析具体原因包括以下几个方面。

2.2.1 工作面的自然条件

大平煤矿工作面以走向长壁方式布置，工作面煤层倾斜坡度一般为8°。自工作面初采以来，以S2S6F4、S2S6YF11 为代表的低角度断层及其衍生构造对工作面构成多方面的持续影响：首先，为减少煤炭资源损失，工作面倾斜坡度不均衡，机尾段坡度平缓，而90#支架至机头段在不同时段坡度大幅增加（运输机坡度经常接近或达到13°）；其次，断层组影响范围广，煤岩层紊乱易破碎，周期来压期间尤为明显。

工作面走向坡度对液压支架工作姿态的影响很大。总体上来说，S2S6 工作面开切眼至走向中段大体上为俯采，而后半段总体上呈仰采姿态。俯采时，在推进坡度、倾斜坡度及设备结构特点的综合影响下，支架摆角、倾角更易增大。

2.2.2 液压支架的结构特点

本工作面选用ZF15000/19/32 型液压支架，该支架为支撑掩护式、后四连杆结构，自重43t，设备吨位大且重心靠后，在俯采推进拉移支架时，支架后部容易向低处（机头侧）滑动，造成支架摆角、倾角具有增大趋势，当顶板破碎无法有效“扶”住支架时，就会造成支架倾角增大。

该液压支架配有抬底缸，相应地，没有支架底封板。设置抬底缸的初始目的是在底板松软、支架扎底时，抬升支架前端便于拉移支架。但舍弃支架底封板的“后遗症”凸显：一是大大增加了支架比压，特别是支架前端比压，俯采条件下尤甚；二是大平煤矿围岩风化后具有强流变性，尤其是底板泥岩暴露时，风化为近似泥浆状，挤进推拉千斤顶与液压支架底座空隙中，为支架拉移、调整姿态增加难度。当底板松软泥化“托”不稳支架时，调整支架近似于做无用功。

另外，该型液压支架柱窝较深，支撑缸偏转空间极小，当支架倾角发生变化时，支架随形调整能力相对不足，自身工阻大的优势得不到足够的调动，不利于更有效地“护住”顶板，在调整支架倾角时也受到局限。

该设备的优点是，该型号液压支架的侧护板缸具有非常好的实用性，在调整和保持支架姿态工作中，发挥了极其重要的作用。

2.2.3 人为原因造成的顶板破坏

在回采作业中，如果操作不当，会加剧顶板的破碎程度。其中，最关键的一环就是放煤作业，综放工作面追求尽量降低顶煤损失率，必然会造成放煤混矸率增大，在这个过程中，顶煤垮落线会不断向支架前方延展，破坏顶板的完整性，加之，因工作面较长，运输机负荷大，员工操作时多倾向在机头侧“挖潜”，造成放煤不均衡，必然提高机头侧顶板破碎程度。

如果工作人员对支架性能不够熟悉，拉架作业后可能造成如采高超高、尾梁过低、后柱不降等各种质量问题，这些状况的出现会不同程度地破坏支架支护整体性、弱化支架支撑效果。

另外，员工拉移支架方式粗放，额外重复扰动顶板，同样是顶板完整性的严重威胁。

2.2.4 水对工作面底板的破坏

自回采以来，工作面机头段底板一般来说贴煤层底板，以泥岩为主，岩性松软，遇水加速风化趋泥浆状。同时，因为机头段底板一直处于地势低洼处，如岩层含水、消尘用水、工业跑冒滴漏等各类水源汇聚于此，造成泥岩底板长时间潮湿，软化后降低其支撑能力。

2.2.5 急于处理支架倾倒对顶底板造成二次破坏

从实践经验看，支架倾倒后切不可盲目慌乱强行调整支架度数。在顶板破碎、底板软化的环境下，使用单体或其他方式强行调整支架只会暂时维持数据的合理性，但必然造成反复扰动顶板、破坏底板、单体泄水等不利事实，饮鸩止渴，切不可为。

3 有效预防和治理倒架的技术措施

如上所述，S2S6 段综放工作面支架倾倒的原因简单说包括：局部坡度大、支架自重大、比压大且重心靠后、顶板破碎、底板软化。针对造成倒架的各种因素中可以人为控制的方面，宜采取以下几方面措施预防和治理倒架。

3.1 控制工作面走向和倾向的坡度

加强综放工作面顶底板的管理，班组长与采煤机司机应熟练掌握采煤机及滚筒的基本数据，生产时控制顶底刀高度，截割采高原则上控制在3.0～3.2m。工作面走向、倾向坡度平缓，一般情况下，尽量保持不大于13°。控制顶板连续平顺，液压支架顶梁不出现明显错差。控制底板坡度平缓，杜绝急坑急包。如果工作面遇地质构造如断层，应该在兼顾工作面资源回收率和设备磨损的情况下，尽量在构造前后超前做好底板顺平工作，使工作面内断层上下盘之间平缓过渡。

3.2 细化放煤工艺，尽量均衡放煤

工作面放煤要尽量均衡：机尾段加强放煤监管；机头段严禁过度放煤，见油页岩停放；断层影响区域不得使用尾梁搅动放煤；要求加强放煤监管，放煤人员按段负责、按时循环，坚决落实多轮循环放煤工艺。对干部和验收员必须强化抽查检查，交接班时间详细检查后部运输机放煤情况，对于连续见矸者执行处罚。煤矿区队布置生产任务时，应该综合考虑当日工作面帮顶情况，考虑前部运输机因片帮造成出煤量增大时，后部运输机放煤量适当进行合理的调整。

3.3 控制采煤机速度和支架移架距离

工种之间默契配合，控制采煤机速度，保证放煤环节和移架环节的时间和作业质量。拉移液压支架杜绝不合规操作：移架时先缩后柱、缓降快送，带压擦顶移架；升架必须到位；工作面顶板有破碎趋势时，必须超前拉架。采煤机运行速度合理，与液压支架移架距离必须与作业规程规定严格相符。

3.4 加强用水管理，减少跑冒滴漏

工作面严格控制各种生产用水，漏液的缸必须及时处理、更换或摘除。工作面杜绝任何常流水，各类喷雾保证雾化效果，使用时控制水量，用后及时关闭。尽量减少单体使用频次。工作面消尘必须使用喷雾头，且必须控制水量和消尘时长，严禁积水。对于需要使用水临时降温、降阻的，要由专人监管水量和使用时间，无必要时必须立即关闭。生产班严禁拼设备，尤其各种液压设备，每班验收员必须对当班控水情况进行评估，不按规定执行或者执行不到位的按制度严格落实处罚。检修班严格落实包机制，设备损坏及时处理，对检修不到位造成长期跑水的从严处罚。

3.5 工作面局部出现倒架趋势时予以科学应对

首先，必须掌握每班支架倾倒的范围和程度；其次，倒架前必然顶板破碎，应该随时掌握工作面顶板破碎的原因，如来压、构造或其他因素；最后，要了解底板条件，是否完好且坡度平缓。根据掌握情况，积极稳妥科学应对。

第一时间控制倒架范围后部放煤量，严禁放矸，减少对顶板的扰动，必要时加快推进速度。对于帮顶破坏程度较大的，坚决执行超前拉架，带压擦顶移架。严格控制该区段用水，关闭各种不必要的用水。值得注意的是，对于顶板破碎段个别保持完整顶板的支架，必须以最高级别的重视态度养护好，只要顶板破碎段不连成片，就不会造成大范围支架倒架，保持耐心，按部就班，工作面局部倒架就必然会得到有效治理。例如，2020年春节后复工以来，S2S6 工作面来压造成几次支架倾角增加，大平煤矿没有采用加快推进的方式，仅落实常规技术手段，即实现了快速摆脱支架倒架的技术目标。

4 ZF15000/19/32 型液压支架的改进意见

4.1 取消抬底缸，配备支架底封板

前文已经论述了配备抬底缸的得失，支架底座比压一般呈倒梯形，对于自重较大的支架，在底板松软的条件下，使用抬底缸得不偿失，建议取消抬底缸，配备牢固可靠的底封板，充分封闭底板，且更能发挥底板的支撑作用。

4.2 侧护板缸设计为双侧双活形式，适当增大侧护板缸尺寸

该型号液压支架的侧护板缸是亮眼设计，在处理和维护支架时发挥了重要作用，但受单侧设计所限，且缸体型号略小，有些技术目的实现过程烦琐且漫长。建议将侧护板缸设计为双侧双活的形式，并增大缸体尺寸。这样在调整支架时，可以在一次拉移中实现较大程度的目标调整，可以切实地减少对顶板的扰动次数。同时，双侧侧护板在特定条件下，可以增加顶板支护面积，更有效地保护顶板。

4.3 改进支架支撑缸与顶梁连接方式

该支架支撑缸与顶梁主要采用耳销连接方式，这种形式的连接相对较弱，易被破坏，调整支架时经常出现后柱降不下来或拉坏耳销、耳窝的情况，也使一些操作方法无法实现，应该将这部分重新设计为更加坚固耐用的构件。

4.4 减少支架柱窝深度

减少支架柱窝深度的目的是使顶梁、支撑缸、底座三者可以更加灵活地进行调整，随顶底板状态变化，按操作人员要求改善支护姿态。

4.5 合理选用ZF15000/19/32 型液压支架

ZF15000/19/32 型液压支架具有工作阻力大、防护全面、周密等优点，在条件具备时可以为实现持续稳产、高产创造有益条件，但其同样有后部空间狭小、重心偏后、比压较大的缺陷，建议有以下情况之一的工作面慎重选用：工作面易底鼓、工作面倾斜坡度较大、长期持续俯采、底板松软易风化等。

5 结语

随着技术进步，粗放型的生产工艺和作业习惯显然已经跟不上时代的脚步，包括煤炭行业在内的工业企业员工，应该不断提高业务水平和学习能力，在生产实践中磨砺，将现场与理论统一起来，增强分析问题、解决问题的能力。

技术与装备必须是为生产服务的，应该在适应生产条件的情况下应用。同时，生产单位必须加强学习，提高对各类装备的掌握程度。新技术、新设备的应用都是在摸索中不断完善、提高的，不能因噎废食，在实践中掌握并充分发挥新技术、新装备的优势，并逐步改进其不足，从而促进技术装备水平不断提升。而经历困难考验，最终克服困难，无论是对于增强设备的实用性，还是对于提升队伍的战斗力，都具有一定的现实意义。