贵州盘江精煤股份有限公司火烧铺矿 贵州盘州 553539
摘要：对大倾角煤层开采条件下支架-围岩系统的相互关系进行分析，探讨影响支架稳定性的原因，基于支架失稳的原因进行分析并得到影响支架失稳的因素，最后根据影响支架稳定性的因素提出相应的应对措施。
关键词：大倾角煤层；综采支架；稳定性
液压支架作为综采工作面最重要的支护装备，其与采面顶底板、煤壁及采空区冒落矸石一同组成了的“支架-围岩”耦合系统[1]，通过围岩的自承与支架的支撑一起维持采场空间的稳定。因此，液压支架对于维持工作面顶板稳定，保证工作面安全高效开采具有十分重要的作用。在支架-围岩系统中，随着工作面开挖推进，引起应力转移导致上覆岩层垮落失稳，为响应岩层垮落失稳，支架需满足一定条件才能维持采掘空间的稳定。在大倾角煤层开采过程中，随着采高的增加，覆岩破坏范围必然增大，支架的受力状况及其与围岩的相互关系更加复杂，支架的稳定性越难以维持。因此，大倾角条件下综采支架稳定性控制一直是综采在大倾角煤层中应用的难题之一[2]。分析大倾角煤层开采条件下支架-围岩之间的关系，探讨影响支架稳定性的因素提出预防措施，对指导大倾角煤层安全高效开采具有重要的意义。
1 大倾角煤层支架-围岩相互关系
受重力影响，大倾角煤层开采过程中，上覆岩层垮落、变形及运移规律复杂，采空区覆岩状况及支架受力情况与近水平煤层和缓倾斜煤层呈现不同分布规律[3]。因此，首先就大倾角煤层开采条件下的覆岩情况进行分析，从而根据覆岩情况得到支架的受力情况及支架与围岩间的相互关系。如图1所示，直接顶垮落后受重力作用沿支架向下运动充填，使得垮落覆岩在倾向方向上具有明显的分区特征；下部区域充填密实，中、上部区域充填不完全，从下往上呈现出由厚变薄的特征。由于垮落覆岩在倾向方向上对采空区的充填程度不均匀，在矿山压力作用下，支架也随之呈现不同的分区特征；在中、下部区域支架受力较稳定且下部区域受矸石充填使得下部区域支架受力小于中部区域；上部区域受顶板运移状态影响大，支架受力不均衡且变化大，这一特征随着采高的增加愈加明显。究其原因，采空区冒落矸石将工作面倾斜方向下部区域填实，使得上覆顶板回转变形有限，对支架的影响较小，支架-围岩系统处于稳定状态；由于冒落矸石垮落体积有限，使得中部和上部区域处于不完全充填状态，采空区缺乏矸石对顶板的支撑和限制，顶板运动空间大、回转变形更为强烈，支架-围岩系统稳定性差，甚至部分区域支架-围岩系统失效，支架呈现挤架、咬架及倾倒的特征。
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图1 大倾角煤层覆岩垮落情况
此外，上部区域直接顶向倾向移动，使得部分区域形成空洞，支架空载不受力，随着基本顶的断裂，断裂的基本顶将直接冲击作用于空载的支架上，造成支架工作阻力陡增甚至出现支架压死情况。
由于冒落矸石对采空区的充填程度不均匀，使得工作面顶板的状态及运移发生改变，其对支架的作用位置、大小亦会发生改变，使得支架做出相应的响应，在上部区域尤为明显。
顶板作用下支架可能发生三种失稳情况，即冲击失稳、下滑失稳及倾倒失稳。根据顶板与支架的接触位置，支架呈现出四种典型的失稳状态，其失稳状态可简化为图2中的情形。
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图2 顶板作用下支架的4种失稳情况
2 大倾角煤层冲击失稳预防措施
在支架-围岩系统中，支架所受力包括两部分，即直接作用于支架上的直接顶重量和以力矩的形式作用于直接顶间接传递至支架上的基本顶回转变形。初撑力的大小能够影响基本顶断裂失稳的位置，改变顶板的的变形状态及岩层之间的相互咬合关系，较大的避免顶板过早离层失稳[4]，从而减少对支架的冲击。尤其在采面上部区域较大的初撑力尤为重要。
大倾角煤层顶板垮落失稳是不可避免的，其对支架的直接影响就是造成支架压死、垮架，支架受顶板冲击荷载作用时除了考虑初撑力的影响，还应充分利用支架溢流泄压的工作特性。从能量的角度而言，顶板垮落失稳造成支架溢流泄压、行程降低是一个能量耗散的过程，假设不考虑顶板冲击支架过程中的能量损失，则其能量全部由支架液压系统吸收。因此，在大倾角煤层上部区域应保证支架有较高的工作阻力，在支架受冲击荷载作用时，支架安全阀能及时打开溢流泄压，将顶板垮落失稳作用于支架的能量通过支架液压系统耗散掉，从而将顶板的动荷载转变成支架的静荷载，避免灾害事故的发生，同时还应保证在顶板垮落能量耗散前支架有足够的行程而不至于被压死。
此外，顶板结构亦是影响支架稳定性的重要因素。直接顶强度越大，则基本顶的垮落步距越大，从而影响上覆岩层的结构关系，其失稳垮落对支架的冲击荷载越大；直接顶的强度越小，则其碎胀系数越大，对采空区的充填程度越高。因此，在支架选型和工作阻力的确定时应充分考虑顶板岩性及结构的影响，选择合理支护参数。同时需要注意的是对于厚度大且强度大的顶板应及时跟踪其垮落情况，必要时采取措施使其及时垮落，避免其长时间悬空积累能量，使得突然断裂时冲击支架引发安全事故。
3 大倾角煤层下滑失稳预防措施
支架下滑失稳是由于顶、底板对支架的摩擦力不足以支撑其重力引起的下滑力。
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图3 支架临界下滑失稳时的受力状态
图3为支架处于临界下滑失稳时的受力状态，支架受重力G、顶板压力F1、底板摩擦力f1、顶板摩擦力f2及上、下支架对其产生的合力F2，其中顶板压力等于支架工作阻力。沿倾向方向上处于平衡状态的支架应满足：
式中，μ为支架与顶底板支架的摩擦系数，一般为0.3。
根据辅助角公式最终可以得到：
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由上式可知，支架滑移失稳的角度与支架阻力、支架重量及其与顶底板之间的摩擦系数有关。支架与顶底板之间的摩擦系数由支架及顶底板岩性共同决定，应从提升阻力和减轻支架重量（在保证支架有足够强度时）两个方面入手。
现场测试表明，在上覆岩层作用下四柱掩护式支架的立柱并非均衡力[5]，普遍存在前柱受力大于后柱，工作阻力利用率低。在同等支护强度下两柱掩护式支架具有质量轻，移架速度快的优势，并且其系统更加简单，不易损坏，具有更好的适应性。因此，在大倾角煤层中支架选型中应优先选择两柱掩护式支架。
根据式（2）对于处于空载状态下的支架，不考虑支架间的相互作用，其临界失稳角度为18°，远小于煤层倾角。因此应保证上、中部区域的支架有足够的工作阻力给予空载状态或失稳下滑的支架足够的支撑力，从而避免出现大面积的支架失稳滑移。支架在降架和升架未与顶板接触或顶板压力不足很容易发生支架失稳下滑，所以在移架过程中应尽量保证带压擦顶移架，使顶板给予支架一定的压力，避免支架处于自由滑移状态。
4 大倾角煤层倾倒失稳预防措施
支架的倾倒失稳是由于顶板作用与支架的力矩大于大于支架的抵抗力矩。如图4所示以支架的下倾失稳为例对其进行分析。
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图4 支架下倾失稳受力分析
需要说明的是与支架下滑失稳不同，支架倾倒失稳是由顶板与支架之间相对运动摩擦力产生力矩所导致的，因此顶板对支架的摩擦力的方向与图3不同。支架下倾失稳时，假设支架处于静力平衡，其沿O点发生转动，处于临界状态的支架，其在O点的合力矩为0，以支架逆时针旋转为正求O点的力矩可得：
根据式（5）可知支架的下倾失稳与其重量、高度、宽度、重心高度、支架工作阻力及临架的侧向应力有关。支架发生倾倒失稳受顶板在支架上向下滑落和顶板转动作用于支架的集中力矩两种情况影响。
对于第一种情况，支架的工作阻力取决于岩块重量沿法向的分量，支架处于“被动承受”状态，显然与支架“主动承受”减少顶板下沉变形的情况不同，支架的工作阻力已不能改变，此时支架倾倒失稳是必然的。单个支架不能保持稳定时，则需要保证支架系统的稳定性，通过支架系统的稳定性给予单个支架足够的侧向支撑力才能保证支架不向下倾倒。
对于第二种情况，即图2（d）所示。此时，支架处于“主动承受”状态，顶板对支架的作用位置决定其状态变化。随着作用点从支架顶梁下部向上部变化，支架的下倾的可能性减小逐渐向上倾可能性增大转变，并且随着支架工作阻力的增加，这一过程会更加明显。
通过以上分析可以看出，支架倾倒的情况是比较复杂的，单纯考虑支架工作阻力显然不能解决支架倾倒问题，需要从支架抗倾倒能力及支架系统对其的侧向支撑力入手。根据式（5），在支架选型时应选择支架重心低、宽度大及重量小的支架，以提高支架自身的稳定性。保证中、下部区域支架有足够的稳定性，同时加大支架侧护板千斤顶和底调千斤顶的缸径，充分依托侧向支撑力保证上部区域支架的稳定性，同时加强对支架的监控，及时对位态不好的支架进行调整。
5 结论
冒落矸石对采空区的不均匀充填引起顶板在较大空间内发生断裂运动，使得顶板与支架的接触状态发生改变造成支架-围岩系统失效是大倾角煤层开采支架稳定性难以控制的根本原因。大倾角煤层开采时应综合考虑煤层采高、顶板岩性合理选型，确定合理的支护参数；设置防滑放倒装置，加强对支架的监控，及时调整位态不良的支架，制定合理的移架措施，才能保证支架稳定性维护采面安全开采。
参考文献：
[1]许亚军，王国法，任怀伟.液压支架与围岩刚 度耦合理论与应用[J].煤炭学报，2015，40（11）：2528-2533.
[2]伍永平，刘孔智，贠东风，等.大倾角煤层安 全高效开采技术研究进展[J].煤炭学报，2014，39（8）：1611-1618.
[3]伍永平，解盘石，任世广，等．大倾角煤层群 开采岩移规律数值模拟 及复杂性分析[J].采矿与安全工程学报，2007，24（4）：392-395.
[4]阎建华.综采工作面支架初撑力与围岩相互 作用关系分析[J].煤炭科学技术，2014， 42（2）：12-15.
[5]闫振东.综采工作面液压支架选型与应用实 践[J].煤炭科学技术，2012（40）：50-53