大傾角走向長壁偽俯斜采場支架穩(wěn)定性分析

伍永平，楊玉冰，王 同，王紅偉，田雙奇，馮 坤

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.陜西延長石油巴拉素煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719052；4.山東礦機(jī)集團(tuán)股份有限公司，山東 濰坊 261000)

0 引 言

大傾角煤層是指傾角為35°～55° 的煤層，該類煤層煤炭資源儲(chǔ)量豐富、賦存廣泛[1]。近年來，伴隨礦產(chǎn)資源的持續(xù)高強(qiáng)度開采，淺部易采煤炭資源逐漸枯竭，大傾角煤層的安全高效開采是我國重大工程問題[2-3]。生產(chǎn)實(shí)踐表明，大傾角煤層開采過程中，受傾角效應(yīng)影響，支架受載不均衡、煤壁片幫、飛矸等動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象頻發(fā)，嚴(yán)重制約了該類煤層的安全高效開采，采用偽俯斜開采方法可以有效減緩工作面傾角，降低以上災(zāi)害威脅程度。

近年來，諸多科研人員針對(duì)大傾角煤層開采傾角-重力場效應(yīng)[4]、采場圍巖的非對(duì)稱變形破壞[5]、頂板結(jié)構(gòu)[6]、覆巖運(yùn)移[7]、采動(dòng)應(yīng)力空間展布形態(tài)[8-9]、支架區(qū)域化受載特征[10]等諸多科學(xué)問題展開了大量研究。文獻(xiàn)[11-13]研究了大傾角煤層長壁采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，明確了“支架-圍巖”相互作用機(jī)理，提出了大傾角煤層采場支架穩(wěn)定性控制理論與技術(shù)；羅生虎等[14]研究了大傾角煤層長壁開采工作面圍巖破斷運(yùn)移規(guī)律及矸石非均勻充填特征，分析了支架在頂板載荷作用下的行為響應(yīng)；王金安等[15]闡述了急傾斜厚煤層圓弧段工作面支架失穩(wěn)的力學(xué)作用，建立了滿足支架穩(wěn)定要求的圓弧段臨界長度準(zhǔn)則；文獻(xiàn)[16-18]揭示了大傾角煤層偽俯斜采場圍巖應(yīng)力演化特征及頂板垮落運(yùn)移規(guī)律，提出了偽俯斜采場頂板的非對(duì)稱“O-X”破斷特征；肖家平等[19]揭示了大傾角煤層采空區(qū)下偽俯斜工作面支承壓力演化特征；楊勝利等[20]研究了急傾斜煤層偽俯斜采場不同煤層賦存和開采條件下的煤壁破壞機(jī)理，提出了防治煤壁破壞與底板滑移的具體措施；余熠[21]提出在偽俯斜工作面上隅角后方存在一塊三角滯后垮落頂板，推導(dǎo)出了懸跨頂板破壞的判定準(zhǔn)則。

偽俯斜工作面與真傾斜工作面的區(qū)別在于，偽俯斜工作面回風(fēng)巷超前運(yùn)輸巷一定距離，在布置開切眼時(shí)與真傾斜工作面存在一定夾角，采空區(qū)頂板近似于平行四邊形，其頂板垮落特征以及“支架-圍巖”相互作用關(guān)系較真斜工作面而言發(fā)生了變化，偽俯斜采場矸石滑移充填特征及其“支架-圍巖”系統(tǒng)相互作用機(jī)理仍亟需進(jìn)一步研究。據(jù)此，在已有研究的基礎(chǔ)上，以某礦 3132 工作面為研究背景，采用物理相似模擬與理論計(jì)算相結(jié)合的研究手段，研究大傾角走向長壁偽俯斜采場垮落矸石充填時(shí)空演化規(guī)律，探討矸石充填作用下“支架-圍巖”系統(tǒng)相互作用關(guān)系，構(gòu)建平行四邊形支架力學(xué)模型，得到防止支架下滑和轉(zhuǎn)動(dòng)失穩(wěn)的臨界阻力，分析工作面?zhèn)涡苯呛晚肥饔昧?duì)支架臨界阻力的影響，為指導(dǎo)該類煤層采場“支架-圍巖”穩(wěn)定性控制實(shí)踐奠定理論基礎(chǔ)。

1 工程概況

某礦 3132 工作面位于+350 m水平龍王洞背斜東翼313采區(qū)上區(qū)段。煤層平均厚度2.5 m，傾角38°～46°，平均傾角43°，密度1.44 t/m3。煤層為半暗半亮型焦煤、焦肥煤，賦存較穩(wěn)定。

該工作面采用偽俯斜布置，偽斜角25°，巷道高差77 m，回風(fēng)巷超前運(yùn)輸巷51 m，工作面傾角由45°(煤層傾角)降低至39°，工作面長度120 m，走向推進(jìn)長度1 022 m。割煤時(shí)采煤機(jī)斜切進(jìn)刀，從工作面機(jī)尾向機(jī)頭單向下行割煤，利于采煤機(jī)防滑并減少牽引阻力，空刀返回進(jìn)刀處；工作面裝備平行四邊形液壓支架，移架方式為追機(jī)移架，在采煤機(jī)循環(huán)進(jìn)刀完成后依次從機(jī)頭向機(jī)尾推移刮板輸送機(jī)。

2 物理相似模擬實(shí)驗(yàn)

根據(jù)3132工作面地質(zhì)條件以及實(shí)驗(yàn)室?guī)r石力學(xué)實(shí)驗(yàn)測得的主要巖層物理力學(xué)參數(shù)，選取河砂作為骨料，石膏、大白粉作為膠結(jié)材料，云母作為分層材料。3132工作面地層柱狀圖及相似材料配比見表1。

表1 3132工作面地層柱狀圖及相似材料配比

在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕箱佈b模擬材料，將材料鋪平、壓實(shí)，劃分縱、橫向節(jié)理，層間采用云母粉進(jìn)行分層。工作面布置9架平行四邊形液壓支架模型，使用液壓加載系統(tǒng)為支架提供油缸壓力；拍照記錄垮落矸石和支架狀態(tài)。鋪裝完成的物理相似模型如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

3 采空區(qū)矸石滑移充填特征

3.1 矸石滑移充填時(shí)空演化規(guī)律

大傾角走向長壁偽俯斜工作面回采過程中，矸石受傾角影響沿傾向滑移，其對(duì)采空區(qū)的充填是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，有明顯階段性特征：

1)第1階段，初步充填下部區(qū)域。距離支架較遠(yuǎn)的采空區(qū)頂板垮落后，沿煤層真傾斜方向向下滑移，堆積至采空區(qū)中下部區(qū)域。在靠近支架的采空區(qū)，破斷距范圍內(nèi)的頂板未充分垮落，破斷距范圍外的頂板垮落后向下滾落，易在支架后方采空區(qū)中、上部區(qū)域形成一個(gè)倒三角形臨空區(qū)，且垮落矸石對(duì)中、下部區(qū)域支架尾梁頻繁產(chǎn)生沖擊作用，影響傾向“支架-支架”系統(tǒng)穩(wěn)定性。由于偽俯斜工作面上端頭超前于真斜工作面，偽俯斜采場中垮落矸石堆積范圍在走向上同樣超前于真傾斜工作面。此階段矸石未完全滑落，初步充填了采空區(qū)中下部區(qū)域，沿采空區(qū)傾向自下而上，矸石充填程度由密實(shí)到松散，形成如圖2a所示的堆積形態(tài)。

2)第2階段，矸石傾向下滑。當(dāng)工作面向前推進(jìn)，原本作用在支架后部的矸石失去約束，整體沿工作面傾向向下滑移，對(duì)工作面中、下部區(qū)域支架的尾部產(chǎn)生向下的推力作用。在靠近支架的采空區(qū)，沿工作面傾向矸石堆積范圍稍有減小，在較遠(yuǎn)的采空區(qū)，矸石下滑產(chǎn)生凹陷區(qū)域，傾向堆積范圍d增大。整體來看，矸石在底板上的堆積范圍沿走向進(jìn)一步擴(kuò)展，沿傾向稍有改變，如圖2b所示。

3)第3階段，充填凹陷區(qū)域。隨著頂板進(jìn)一步垮落，矸石量不斷增大，覆蓋了裸露底板，充填了第2階段的凹陷區(qū)域，如圖2c所示傾向堆積范圍d繼續(xù)增大。此階段垮落矸石非對(duì)稱充填特征明顯：充填體下部矸石塊度大小互相級(jí)配，充填體與頂板接觸，充填密實(shí)，具有一定強(qiáng)度，利于支架穩(wěn)定；中上部塊度較大，充填體與頂板之間留有空隙，充填松散，強(qiáng)度較低。由此可將工作面傾向滑移充填效果分為下部的充填體受到覆巖荷載的接頂區(qū)、中上部的充填體未受到覆巖荷載的非接頂區(qū)以及上部的沒有充填體覆蓋底板的臨空區(qū)。

圖2 采空區(qū)垮落矸石充填演化過程

隨著工作面推進(jìn)，第2階段和第3階段交替循環(huán)，支架后方傾向下部區(qū)域出現(xiàn)穩(wěn)定的矸石充填區(qū)域。

3.2 矸石充填影響因素

為進(jìn)一步描述垮落矸石在煤層傾角、工作面?zhèn)涡苯?、采高、直接頂厚度和工作面長度的影響下的充填形態(tài)特征，在支架后方采空區(qū)沿偽斜方向做剖面，建立如圖3所示的計(jì)算模型。

圖3 偽俯斜采場矸石非均勻充填模型

其中，煤層傾角與工作面?zhèn)涡苯亲鳛橹骺匾蛩刂苯佑绊懥隧肥迓浜蠡瞥涮钐卣鳎恢苯禹數(shù)暮穸扰c長度決定了垮落矸石的體積；煤層厚度、工作面傾向長度共同決定矸石運(yùn)動(dòng)空間的尺寸。暫不考慮距離支架較遠(yuǎn)的采空區(qū)基本頂及其上覆巖層垮落后對(duì)采空區(qū)的充填作用。

由圖3中幾何關(guān)系可得，垮落矸石量與充填體積之間關(guān)系為

(1)

“非接頂區(qū)”傾斜長度b為

(2)

將式(2)代入式(1)，可得接頂區(qū)傾斜長度a為

(3)

進(jìn)一步，可以得到采空區(qū)上部臨空區(qū)傾斜長度c為

(4)

將sinβ=sinαcosγ代入式(3)可得：

(5)

其中，工作面長度L隨著工作面?zhèn)涡苯铅玫脑龃蠖粩嘣龃螅?/p>

(6)

以3132工作面為工程背景，根據(jù)式(4)和式(5)分析煤層傾角α、偽斜角γ、煤層厚度h0、直接頂厚度h1以及工作面長度L對(duì)支架后方采空區(qū)充填特征的影響(圖4)。模型中所需參數(shù)的取值根據(jù)3132工作面的具體工況選取，其基本參數(shù)取值為：k=1.3，φ=35°。

由圖4可得：

1)隨著煤層傾角α的增大，接頂區(qū)長度a和鄰空區(qū)長度c皆呈對(duì)數(shù)形增長。當(dāng)煤層傾角小于自然安息角(采用25°偽斜布置，煤層傾角為39.1°)時(shí)，a和c均小于0，采空區(qū)沒有出現(xiàn)接頂區(qū)和鄰空區(qū)；當(dāng)煤層傾角稍大于自然安息角，矸石開始大量下滑，接頂區(qū)長度和臨空區(qū)長度迅速增加(圖4a)，采空區(qū)中、下部區(qū)域被填滿，上部區(qū)域頂板懸空，工作面支架受載呈現(xiàn)明顯區(qū)域性特征。

2)當(dāng)煤層傾角不變時(shí)，隨著偽斜角γ的不斷增大，工作面傾角β不斷減小。當(dāng)γ增大至臨界偽斜角時(shí)，工作面傾角逐漸小于矸石自然安息角，頂板垮落后，矸石將堆積在支架后方不會(huì)向下滑移，采空區(qū)上部區(qū)域的倒三角形臨空區(qū)面積隨之不斷減小，直至a和c數(shù)值小于0(圖4b)。此時(shí)，支架后方采空區(qū)均為底板被矸石鋪滿的非接頂區(qū)，矸石滑移后會(huì)直接作用在支架尾部，給支架造成較大的擾動(dòng)，工作面上、中、下部區(qū)域支架均易發(fā)生擺尾、扭轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。

3)隨著采高的不斷增大，矸石運(yùn)移空間不斷增大，在直接頂厚度(矸石量)保持不變的情況下，矸石所能填滿的采場空間不斷減小，臨空區(qū)范圍不斷增大(圖4c)。支架在采高變大、矸石充實(shí)區(qū)域變小時(shí)，更易發(fā)生傾倒和轉(zhuǎn)動(dòng)，架間作用明顯。

4)由圖4d、圖4e可以看出，隨著直接頂厚度和工作面長度的不斷增大，垮落矸石的數(shù)量與運(yùn)移空間均增大，采空區(qū)被充實(shí)的范圍隨之增大，但矸石量的增多也加劇了其對(duì)支架的作用影響；臨空區(qū)長度隨直接頂厚度的增大而減小，隨工作面長度的增大而增大。

大傾角煤層采場中，采空區(qū)矸石的非對(duì)稱堆積形態(tài)是影響支架穩(wěn)定性的主要因素。充填體改變了頂板的受力條件與破斷特征，使工作面支架的受載也呈現(xiàn)出非對(duì)稱性和區(qū)域性特征。偽俯斜工作面中，由于工作面與巷道斜交，支架后方采空區(qū)的臨空區(qū)面積會(huì)隨著偽斜角的增大而不斷減小，矸石在垮落和充填過程中對(duì)支架尾部產(chǎn)生的沖擊作用和接觸作用更加明顯與強(qiáng)烈，影響工作面支架穩(wěn)定狀態(tài)。

4 偽斜方向支架穩(wěn)定性分析

如前所述，大傾角煤層偽俯斜采場中矸石滑移充填特征與普通真傾斜采場有較大差異：偽俯斜采場矸石堆積范圍在走向上超前真傾斜工作面，支架后方采空區(qū)的臨空區(qū)面積隨著偽斜角的增大而不斷減小，垮落矸石極易對(duì)工作面中下部區(qū)域的支架產(chǎn)生明顯作用。這些差異使偽俯斜工作面“垂向-走向-傾向”維度上的“支架-圍巖”系統(tǒng)相互作用關(guān)系與普通真傾斜采場有較大不同，尤其是垮落矸石對(duì)支架尾部的作用，對(duì)傾向“支架-圍巖”系統(tǒng)的穩(wěn)定有較大影響。

圖5 支架下滑扭擺

一旦支架發(fā)生倒滑和扭擺將造成上下鄰架間的“擠、咬”現(xiàn)象，造成支架拉移困難，易誘發(fā)頂板漏冒，最終有可能誘發(fā)工作面大范圍的“支架-圍巖”系統(tǒng)災(zāi)變，發(fā)生工作面整體推垮事故。

4.1 支架力學(xué)模型構(gòu)建

為進(jìn)一步研究矸石充填影響下偽俯斜工作面 “支架-圍巖”相互作用機(jī)理，將底板視為彈性地基，沿工作面?zhèn)涡狈较蚪⑵叫兴倪呅沃Ъ芰W(xué)模型，如圖6所示[22]。

圖6 平行四邊形支架力學(xué)模型

4.2 支架穩(wěn)定性分析

支架所受下滑力大于支架與底板間的最大靜摩擦力FF,max時(shí)，支架滑移。由圖6a可得支架處于臨界下滑失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)的平衡方程為

G′sinβ-FR-ΔS′+F′S-FF,max=0

(7)

FR=μP

(8)

FF,max=μ(P+G′cosβ)

(9)

當(dāng)支架工作阻力過大時(shí)，支架下沉；當(dāng)支架所受轉(zhuǎn)動(dòng)力偶大于其抗轉(zhuǎn)動(dòng)力偶時(shí)，支架發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。這里假設(shè)支架繞底座中點(diǎn)O轉(zhuǎn)動(dòng)，支架下沉以及處于臨界轉(zhuǎn)動(dòng)失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)的平衡方程為

FN-P-G′cosβ=0

(10)

(11)

整理化簡式(7)—式(9)可得使支架保持穩(wěn)定、不下滑失穩(wěn)的臨界阻力P1為

(12)

由式(10)和(11)可得使支架保持穩(wěn)定、不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的臨界阻力P2為

(13)

如圖6b所示，支架尾部受矸石作用力FS，使工作面不同區(qū)域的支架發(fā)生不同程度的扭擺現(xiàn)象。在支架發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的瞬間，支架所受架間力的作用位置可看做在頂梁兩端，此時(shí)，支架與頂?shù)装逯g的摩擦力以及架間作用力會(huì)形成反扭矩以抵抗支架扭擺。

矸石作用力對(duì)支架的轉(zhuǎn)矩為

M2=FSl

(14)

支架的抗扭力矩M1為

M1=FRl3+FFl4+ΔSl5

(15)

式中：l3、l4和l5分別為各作用力到支架重心的力臂長度。

偽俯斜工作面中，相比于矩形液壓支架，平行四邊形支架在發(fā)生同樣的順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)失穩(wěn)時(shí)，由于頂梁形狀的改變，架間力到支架重心的力臂長度l1和l2相對(duì)變長，架間力形成的抗扭力矩ΔSl5也相應(yīng)變大，支架更容易保持穩(wěn)定。但當(dāng)支架倒滑時(shí)，煤壁對(duì)支架有作用力Fm的同時(shí)，支架頂梁前端與煤壁之間的接觸和摩擦也極易使煤壁發(fā)生破壞，致使煤壁片幫。煤壁片幫產(chǎn)生的碎煤塊可能會(huì)對(duì)下部區(qū)域的工作人員、支架以及其他采煤設(shè)備造成一定程度的損害，使工作面支架穩(wěn)定性控制難度加大。

為保證支架能夠及時(shí)調(diào)整位態(tài)、恢復(fù)穩(wěn)定，由式(14)和式(15)可知，需增大M1以加強(qiáng)支架抗扭轉(zhuǎn)能力。其中，F(xiàn)R和FF的大小和作用位置與支架工作阻力有關(guān)，在工程實(shí)踐中應(yīng)適當(dāng)增大支架的工作阻力，并通過側(cè)推千斤頂加大側(cè)推力，加強(qiáng)支架的穩(wěn)定性和調(diào)架能力，防止支架倒滑以及由支架倒滑引發(fā)安全事故。

4.3 支架臨界阻力

在不考慮架間作用力和煤壁作用力的條件下，根據(jù)式(12)和式(13)可得確保支架不下滑和轉(zhuǎn)動(dòng)失穩(wěn)的臨界阻力隨偽斜角γ以及矸石作用力FS的變化關(guān)系，結(jié)果如圖7所示。模型中所需參數(shù)的取值根據(jù)3132工作面的具體工況選取，其基本參數(shù)取值為：G=180 kN，a=45°，m=1.6 m，n=2.5 m，μ=0.3。

圖7 支架臨界阻力隨偽斜角和矸石作用力的變化關(guān)系

由圖7可以看出：

1)偽俯斜采場中確保支架不下滑失穩(wěn)的臨界阻力大于確保支架不轉(zhuǎn)動(dòng)失穩(wěn)的臨界阻力，且都遠(yuǎn)小于支架正常工作狀態(tài)時(shí)的工作阻力。

2)在煤層傾角和偽斜角不變的情況下，支架臨界阻力隨著矸石作用力的增大而增大；在煤層傾角和外界作用力不變的情況下，支架臨界阻力隨著偽斜角的增大而減小。

3)由前述分析可知，矸石作用力FS對(duì)偽俯斜工作面中、下部區(qū)域的支架有較強(qiáng)作用，對(duì)上部區(qū)域支架影響最小。圖7中，矸石作用力FS從小到大的變化可以看作是矸石對(duì)工作面上、中、下部區(qū)域支架不同程度的作用。當(dāng)煤層傾角和偽斜角確定時(shí)，工作面中、下部區(qū)域的支架比上部區(qū)域支架需要更大的支撐阻力抵抗矸石的影響。

4)支架臨界阻力與偽斜角近似為拋物線反比關(guān)系，工作面采用偽俯斜布置可以減小工作面傾斜角度，利于支架穩(wěn)定，但同時(shí)需要配合使用平行四邊形支架以及采取相應(yīng)防倒滑措施以抵抗矸石對(duì)支架的沖擊作用和接觸作用。

5 工作面礦壓監(jiān)測

3132工作面裝備67個(gè) ZZ6500/22/48 型掩護(hù)式液壓支架和3個(gè)ZZG6500/22/48 過渡型支架。采用動(dòng)態(tài)礦壓檢測儀觀測工作面礦山壓力，對(duì)工作面傾斜方向下部區(qū)域16號(hào)支架、中部區(qū)域32號(hào)支架、上部區(qū)域48號(hào)支架進(jìn)行監(jiān)測，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，結(jié)果見表2。

表2 不同測區(qū)支架工作阻力

現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果顯示：

1)下部測區(qū)16號(hào)支架最大荷載為31 MPa、平均荷載為24.5 MPa；中部測區(qū)32 號(hào)支架最大荷載為37 MPa、平均荷載為28.88 MPa；上部測區(qū)48號(hào)支架最大荷載為35 MPa、平均荷載為27.17 MPa。

2)支架受載呈現(xiàn)明顯區(qū)域性特征。工作面傾向中部區(qū)域支架受載最大、上部次之、下部最小；中上部區(qū)域支架受載變化幅度大，工作面頂板破斷程度劇烈，周期來壓較為明顯，易受垮落矸石沖擊影響；下部區(qū)域受載變化幅度較小，“支架-圍巖”系統(tǒng)較為穩(wěn)定，支架工作阻力平穩(wěn)。

6 結(jié) 論

1)偽俯斜采場矸石滑移充填經(jīng)歷初步充填下部區(qū)域→矸石傾向下滑→充填凹陷區(qū)域3個(gè)階段，隨著工作面推進(jìn)，第2階段與第3階段交替循環(huán)。

2)采空區(qū)充填體接頂區(qū)長度隨煤層傾角、直接頂厚度和工作面長度的增大而增大，隨偽俯斜角和采高的增大而減??；鄰空區(qū)長度隨煤層傾角、采高和工作面長度的增大而增大，隨偽俯斜角和直接頂厚度的增大而減小。接頂區(qū)和臨空區(qū)長度的變化改變了頂板的受力條件與破斷特征，支架受載呈現(xiàn)非對(duì)稱性和區(qū)域性特征。

3)偽俯斜采場中，垮落矸石對(duì)支架尾部的沖擊作用和接觸作用更加明顯，支架易發(fā)生擺尾、傾倒現(xiàn)象，影響支架系統(tǒng)穩(wěn)定。平行四邊形支架相比矩形支架更容易保持穩(wěn)定，并應(yīng)適當(dāng)增大支架的工作阻力和側(cè)推力，加強(qiáng)支架的穩(wěn)定性和調(diào)架能力。

4)確保支架不下滑和轉(zhuǎn)動(dòng)失穩(wěn)的臨界阻力遠(yuǎn)小于支架正常工作狀態(tài)時(shí)的工作阻力，且都隨著矸石作用力的增大而增大，隨著工作面?zhèn)涡苯堑脑龃蠖鴾p小。工作面中、下部區(qū)域的支架比上部區(qū)域支架需要更大的支撐阻力抵抗矸石的影響；現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，支架受載呈現(xiàn)明顯區(qū)域性特征，工作面傾向中部受載最大、上部次之、下部最小。