综放工作面过陷落柱支架稳定性控制技术研究

（西山煤电建筑工程集团有限公司矿建第二分公司 山西 030027）

1.引言

在地下水长期的溶蚀作用，地下岩溶洞穴在地质构造力、上部岩层重力作用下发生塌陷，这种塌陷呈现出大小不一的圆形或者不规则的锥形，因此将这种不良的地质现象称为陷落柱。采煤作业中经常会遇到陷落柱这一地质构造现象，在矿井勘探期间或在掘进巷道以及回采期间常常会存在不明陷落柱，由于陷落柱的边界和影响范围的不确定性，在掘进过程中会破坏采煤层，使采煤量大大减少，并使机械设备的使用遭到制约，对工程造成巨大影响，因此原设计工作面的采掘价值急剧降低，甚至会造成经济亏损，不得不另行设计，浪费了大量的时间以及财力。在陕西、山东、河北、河南、安徽等省的20多个煤田采掘过程中，已经发现的陷落柱高达45处，陷落柱的总数已接近3000个，以汾河沿岸、太行山东、西麓矿区最为发育，在山西矿区已发现陷落柱1300多个。因此，在实际工程中，为了避免陷落柱引起工程经济损失以及工程事故的发生，针对陷落柱支架的稳定性问题以及防控措施进行探究是十分有必要的。

2.支架的稳定性分析

假设支架的自身重力为G，支架的上部支护力为P，支架与底板的摩擦系数为μ1，支架与底板的摩擦力为f1，支架与顶板的摩擦系数为μ2，支架与顶板的摩擦力f2，支架的底板与水平面的倾角θ，支架的高度为H，支架的重心高度为h，支架的底板长度为B。支架的失稳主要在于两个方面即滑动失稳和倾倒失稳，下面针对这两个方面进行简要的受力分析。

其中，

(1)支架滑动失稳分析

支架发生滑动失稳的主要原因从力的方面来分析是由于支架在倾角方向（即与底板平行的方向）的力不平衡造成的，即重力和支护力的合力在倾角方向的分力大于摩擦力。支架能够保持稳定状态的力矩表达式为：

将式（1）、式（2）代入式（3）可得：

从式（4）可知，支架的滑动失稳只与支架与底板的摩擦系数为μ1，支架与顶板的摩擦系数为μ2，支架的自身重力为G，支架的上部支护力为P，支架的底板与水平面的倾角θ相关，而与支架结构（支架的高度为H，支架的重心高度为h，支架的底板长度为B）无关。在实际工程中，为了防止支架滑动失稳，能够有效控制的手段是改变支架与周围土体的摩擦力即增大支架与底板的摩擦系数为μ1，支架与顶板的摩擦系数为μ2，其次也可减轻支架的自重。

(2)支架倾倒失稳分析

支架发生倾倒失稳的主要原因从力的平衡角度来分析是由于支架所受到的合力偏离支架下边缘，即支架合力作用点处的力矩沿着某一点或者某条轴线转动，根本原因在于支架在水平和竖直方向的力矩没有达到平衡。对支架的底板角点处求矩，支架能够保持稳定状态的力矩表达式为：

将式（2）代入式（5）可以得到：

从式（6）可知，当支架底板与水平的倾角θ满足上式，支架能够保持稳定状态而不发生偏转失稳，且当上部的支护力P一定时，支架的底板与水平面的存在临界倾角。在设计过程中，当按照支护力进行设计时，支架的底板与水平面的倾角θ不得大于临界倾角；当按照支架的底板与水平面的倾角θ进行设计时，可以得到支架所能提供的最大支护力，在进行设计时应根据实际工程状况进行计算。从式（3）也可以看出，支架的倾倒稳定性与支架的自身重力为G，支架的上部支护力为P，支架与顶板的摩擦系数为μ，支架的底板与水平面的倾角θ，支架的高度为H，支架的重心高度为h，支架的底板长度为B有直接关系，但与支架与底板的摩擦力为f1无关，在实际工程中，为了防止支架倾倒失稳，能够有效控制的手段是支架自身的结构设计即通过改变支架的高度H，支架的重心高度h，支架的底板长度B来避免支架倾斜失稳的发生，其次也可改良周围土体特性，增大支架与底板的摩擦系数μ1。

3.过陷落柱的主要技术难题

（1）开掘工作面在回采期间常常会造成顶板陷落柱周围土体的严重破碎，以及与液压支架的接触会发生不紧密的情况，在过陷落柱时支架顶梁与陷落柱之间无法进行强有效的支护，此时会造成支架所提供的支护力达到设计要求，因此常常会发生支架顶梁的破坏与顶板塌落事故。

（2）陷落柱内填充的岩体工程性能较差，硬度低、黏性差、因此在过陷落柱时，如果不能采用强有力的有效支护措施，强行带压擦顶通过，有时会造成支架顶梁以及采煤机等设备的严重损坏，甚至造成上部岩体的整体塌落事故，对工作进度以及人员安全均有较大影响。

（3）由于陷落柱的存在，导致煤体与陷落柱的交界处的稳定性非常差，煤体的剪切破坏十分严重，因此在回采时会出现大面积的片帮现象，如果在推进过程中不能采取有效的加固措施，那么可能会导致工作面长时间的无法推进。

4.支架稳定性控制措施

通过对支架失稳的受力分析以及影响因素分析，结合实际工程中综放工作面开采条件及支架的实际情况以及经常发生的工程事故与技术难题，对支架稳定性的控制措施进行了相应的总结。具体的控制措置如下：

（1）在机组割陷落柱岩体期间，应当严格控制采煤机的牵引速度，不易过大。可采用割-架拉-架的承压移架的方式及时调整和管理顶板，如果出现支架下陷的情况，要采取相应的控制措施，保证在支架下垫柱帽或道木顺利拉架，此外在采煤机割陷落柱石头时，还应当根据实际的工程情况及时补充截齿，安排了专门人员及时用水冲前后滚筒，以保证顺利推进，同时应当时刻注意采煤机的运行状况和顶板情况，避免采煤机以及顶板安全问题的出现。

（2）严格控制开采高度，对顶板及时的给予支护。在割煤过程中，应当将支架和输送机依次进行移动，并在移架完成后迅速的伸缩梁护顶，防止冒顶现象的发生；针对顶板土层的破碎以及大面积的片帮问题的出现，为了避免冒顶漏矸问题的出现，应当及时地将超前架拉出；若拉出超前架后，梁端距仍然达不到相应标准的要求，可借助超前采煤机进行移架，防止顶板发生暴露。

（3）严格地控制支架的间距，充分发挥侧护板的价值。借助于支架的侧护板，及时的动态调整支架的方向和间距，以确保支架在整体上受力均匀，不会造成过大的应力集中现象，导致支架受损，或者造成支架的失稳。

（4）提升支护阻力，带压擦顶拉架。在拉架时应当按照少降快拉的原则，同时也要保证泵站压力能够使顶板能够擦着顶板快速向前移动，在擦顶后立即拉架，予以空顶及时支护，避免移架对顶板造成较大的破坏。

（5）可适当对支架结构进行优化。将支架的高度或者重心位置降低，或将支架顶部与底板采取摩擦系数较大的材料，增大顶板与底板与周围岩体之间的摩擦力来增大支架的稳定性，可使支架不会因为受力集中或者周围土体发生破坏而轻易发生失稳。

5.结论

通过对支架的受力分析、施工过程中存在的技术问题以及支架稳定性控制措置三个方面进行了探究，得出以下结论：（1）支架的失稳主要存在滑动失稳和倾倒失稳，两种失稳模式的影响因素不同，滑动失稳可以通过改变支架与周围土体的摩擦力进行有效控制，倾倒失稳可通过改变支架结构即支架的高度，重心高度，底板长度来避免支架倾斜失稳的发生，其次也可改良周围土体特性，增大支架与底板的摩擦系数。（2）陷落柱引起的工程问题主要在于三方面：①顶板陷落柱周围土体的严重破碎；②陷落柱内填充的岩体工程性能较差，硬度低、黏性差；③煤体与陷落柱的交界处的稳定性差。（3）可以通过控制采煤机的牵引速度、控制开采高度、控制支架的间距、提升支护阻力、对支架结构进行优化等措施避免支架失稳，保证在开挖面过陷落柱时施工能顺利进行。