大倾角仰(俯)采工作面支架失稳机理及控制技术

大倾角仰（俯）采工作面支架失稳机理及控制技术

1 工程概况 E1108 工作面位于新集二矿-550m 开采水平东翼采区，井下标高

-464.9~-607.0m,工作面走向长度944~935m,平均940m,倾斜长度拐点以里为

110m,拐点以外127m.工作面开采煤层为11-2 煤，煤层为三层煤两层夹矸的结构，厚度2.2~3.6m,平均厚度2.83m.煤层直接

1 工程概况

E1108 工作面位于新集二矿-550m 开采水平东翼采区，井下标高

-464.9~-607.0m,工作面走向长度944~935m,平均940m,倾斜长度拐点以里为

110m,拐点以外127m.工作面开采煤层为11-2 煤，煤层为三层煤两层夹矸的结构，厚度2.2~3.6m,平均厚度2.83m.煤层直接顶为泥岩，老顶岩层由下向上依次为细砂岩、薄煤层、泥岩、砂质泥岩等，煤层直接底为泥岩，老底是细砂岩。煤层倾角10~45°，平均37°，属于大倾角工作面。煤层褶曲发育，在走向上缓波状起伏，沿煤层走向呈锅底状。工作面里段呈伪俯采、外段呈伪仰采开采，最大俯采角度达42°，最大仰采角度25°。工作面倾向角度和走向角度的增大对工作面安全回采及保证回采产量带来了较大影响。

2 液压支架失稳机理分析

2.1 支架技术参数

E1108 工作面设计选用的支架为ZZ7600/18/38 型支撑掩护式支架。

2.2 工作面“支架--围岩”关系分析

煤层倾角是影响采场矿山压力的主要因素之一。大倾角工作面的顶板不仅受支承压力的作用而变形破坏，而且受倾斜方向重力分力的作用。因此，大倾角煤层的顶板不是沿法向移动，而是沿一条逐渐接近重力作用方向的曲线移动，顶板越不稳定，其移动曲线偏离法线越远。顶板移动的法线分量对支架产生垂直作用力，有利于支架的稳定。顶板移动的切向分量对支架产生侧向力，导致支架倾倒。顶板运动方向与煤层法向夹角的变化对支架抗倒能力的影响是显著的。顶板运动轨迹对支架的滑动稳定性影响也很大。如果顶板运动一开始就完全沿重力方向，对于倾角达到45°的煤层，支架的抗滑能力都很小[1-3].

大倾角开采过程中，沿煤层倾斜方向，顶板的破坏呈“马鞍型”分布，其中工作面上端的顶板破坏区高度和范围都大于下部。大倾角开采除了与一般工作面开采中遇到的难题外，还在以下两方面影响支架的稳定性：

（1）顶板在工作面倾向方向上各个位置受力的不同导致了顶板的破碎程度不同，支架上方顶板移动会影响相邻支架上方顶板的状态，进而影响相邻支架的受力状态与稳定性；

（2）在工作面向前推进过程中，由于工作面倾角大，支架降架前移时，会因失去支撑点而偏斜或倾倒[4-5]。

2.3 工作面液压支架力学分析

2.3.1 大倾角综采工作面倾向支架力学分析

（1）支架自由状态力学分析

大倾角工作面，由于支架的自重分量及施加于顶梁上的推力（重力分力）等作用，支架在工作过程中常会出现沿倾向（支架横向）下滑和倾倒现象。为推导方便，略去工作面输送机与采煤机及邻架对支架下滑的影响，单个支架自由状态

在工作面的状态可简化为图1 所示的力学模型[1]。

支架处于自由状态时，将支架与煤层底板当成刚体来分析：可知，当煤层倾角á增大时，由于煤层采高为一定值，此时只有增大b（支架宽度）才能保证支架处于倾倒临界状态。由此可知，增大支架宽度有利于支架本身的稳定。支架下滑临界角主要取决于底板与支架之间的摩擦系数。

实际工作面开采中，煤层底板为岩石或煤其变形较大，不能当成刚体来研究。实际当中支架临界状态要求支架宽度b 更大一些，上式中得到的b 的下限比实际工作面开采的支架失稳下限小，即大倾角工作面支架的稳定则要求支架宽度更高。在现场支架选型中，液压支架宽度受到很多开采条件及支架技术条件的限制。如何增加支架宽度以保证支架的稳定性成为一个难题。

单个支架的稳定性受到了支架宽度的限制，单纯的增加支架宽度来保证支架本身的稳定性已不太可能。但工作面的支架实际是一个整体，各支架联系较为紧密，若将工作面支架底座连在一起则大幅增加了支架的稳定性。以两个支架为例，如将两个支架连在一起看做一个支架，煤层采高h 不变，而支架宽度则增大了一倍，其稳定性也得到了大幅提高。同时各个支架连在一起使整个工作面支架摩擦力受力较为均匀，不会出现局部抗滑性能不好的支架（与底板软硬，湿度程度有关）产生局部下滑，从而对其下方支架产生一个动载而影响整个工作面的支架的稳定。由以上分析可知，将工作面支架底座连在一起有利于支架的防滑防倒。

由开采条件：采高h 为2.8 m,支架宽度b 为1.5 m,,金属与煤层摩擦系数在0.35~0.4之间，计算中ì较保守地取0.3.ì取0.3 时支架在自由状态煤层临界倾倒角度为28.2°，临界滑移角为16.7°。

（2）支架工作状态力学分析

以上分析只考虑了支架在自由状态的稳定性，在工作面开采过程中，顶板的垮落对支架的压力也是影响工作面特别是大倾角工作面支架稳定性的重要因素。

2.3.2 大倾角综采工作面支架走向力学分析

支架工作面走向自由状态力学分析：煤层开采分仰采和俯采。

代入工作面开采条件（初撑力或工作阻力R12=5700、7600 kN）并令F=0,可见当煤壁对支架前探梁（护帮板）力很小或为零时，支架自由状态下临界倾倒俯角为43°。即工作面俯角小于43°时支架能自动平衡，工作面煤层的俯角角度小于此临界值，故支架在俯采自由状态时不会发生倾倒。

2.3.3 模型计算结果

由以上计算，总结E1108 工作面分别在最大倾角、最大仰角和俯角时，工作面支架保持平衡和稳定性的临界角度及其所需最小支护阻力。

3 液压支架稳定性控制技术

根据工作面安全生产的原则，结合新集二矿E1108 大倾角仰（俯）采工作面的实际情况，可确定E1108 工作面支架稳定性控制的措施如下：（1）大倾角回采时，工作面伪斜布置，一方面可以减小伪斜工作面的倾角；另一方面可以增加运输机的稳定性，消除其下滑对支架稳定性的影响。

（2）大倾角回采时，从增大支架的失稳临界角的角度考虑，可以采取的措施有以下几个方面：

①提高支护阻力。理论分析和实践经验表明，较大的支架工作阻力对保持支架稳定性是有益的，因此，要保证泵站有足够的压力，支架安装后，迅速施加