超大采高綜放工作面板裂化片幫特征及合理護(hù)幫控制

許永祥,王國(guó)法,李明忠,徐亞軍,韓會(huì)軍,張金虎

(1.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司,北京 100013; 2.煤炭科學(xué)研究總院 開(kāi)采研究院,北京 100013; 3.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100013)

隨著近十幾年來(lái)一系列開(kāi)采工藝、開(kāi)采裝備以及支架-圍巖耦合支護(hù)理論[1]的提升，長(zhǎng)壁超大采高(機(jī)采割煤高度6 m以上)綜采技術(shù)日臻成熟。長(zhǎng)壁超大采高工作面具有生產(chǎn)集約化程度高、開(kāi)采效率高和資源采出率高等優(yōu)勢(shì)，成為榆神礦區(qū)埋深較淺的6～8 m厚煤層的主要采煤方法之一。將超大采高開(kāi)采工藝與綜放開(kāi)采工藝相結(jié)合的超大采高綜放開(kāi)采也已進(jìn)行了工業(yè)性生產(chǎn)試驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)了榆神礦區(qū)8～14 m特厚堅(jiān)硬煤層一次性安全高效、高采出率開(kāi)采[2-3]。

對(duì)于榆神礦區(qū)8～14 m特厚堅(jiān)硬煤層綜放開(kāi)采而言，可通過(guò)增大采高實(shí)現(xiàn)“多采少放”，增強(qiáng)頂煤冒放性、促進(jìn)采放協(xié)調(diào)、提高工作面開(kāi)采效率和頂煤采出率。然而，超大采高綜放工作面一次采出空間大、開(kāi)采強(qiáng)度高、工作面覆巖動(dòng)載和開(kāi)采作業(yè)工序擾動(dòng)均較強(qiáng)，導(dǎo)致煤壁和端面頂板穩(wěn)定性降低，制約工作面采高進(jìn)一步加大和開(kāi)采效率進(jìn)一步提升。

液壓支架作為長(zhǎng)壁工作面惟一的主體支護(hù)設(shè)備，其結(jié)構(gòu)特征、工作特性和控制系統(tǒng)的合理性是支架-圍巖耦合支護(hù)系統(tǒng)高可靠性和高適應(yīng)性的基礎(chǔ)保障。王國(guó)法等[4]采用數(shù)值模擬方法分析了液壓支架鉸接前梁和整體頂梁2種頂梁結(jié)構(gòu)對(duì)煤壁片幫的影響，得出整體頂梁更有利于抑制煤壁片幫;龐義輝等[5]認(rèn)為護(hù)幫板對(duì)煤壁的作用力難以阻止煤壁發(fā)生拉裂破壞，但可以抑制拉裂后的破壞體發(fā)生滑移失穩(wěn);徐亞軍[6]基于壓桿模型研究不同約束條件下煤壁失穩(wěn)形式，得出軟弱煤層易發(fā)生剪切破壞和滑移失穩(wěn)、硬和中硬煤層多發(fā)生潰曲破壞和彎曲失穩(wěn);劉俊峰等[7]對(duì)大采高智能化開(kāi)采煤壁全過(guò)程精準(zhǔn)控制技術(shù)進(jìn)行研究，有效解決了智能化開(kāi)采煤壁控制難題;張銀亮等[8]對(duì)液壓支架常用護(hù)幫機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析，認(rèn)為分體結(jié)構(gòu)護(hù)幫板能有效延緩煤壁產(chǎn)生破壞的時(shí)間，是大采高液壓支架理想結(jié)構(gòu)形式;尹希文等[9]認(rèn)識(shí)到大采高工作面煤壁片幫存在結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象，并利用壓桿穩(wěn)定性原理分析煤壁片幫形式和深度;王家臣等[10]根據(jù)煤體彈性模量、泊松比及邊界條件的不同提出壓剪、拉剪及拉裂3種煤壁破壞形式，并指出硬煤多發(fā)生后2種破壞形式;常聚才等[11]采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則推導(dǎo)出煤壁水平位移量、破裂區(qū)和塑性區(qū)半徑的解析表達(dá)式，認(rèn)為工作面支承壓力集中系數(shù)、機(jī)采高度及支架護(hù)幫阻力是煤壁片幫的可控關(guān)鍵因素;劉闖等[12]采用數(shù)值模擬方法對(duì)大采高液壓支架初撐力與額定工作阻力合理比值進(jìn)行研究，得出此比值為0.65～0.70時(shí)液壓支架具有最佳的運(yùn)行工況;宋高峰等[13]采用能量原理中基于位移變分原理的利茲法(Ritz method)分析煤壁破壞機(jī)理，并利用煤壁穩(wěn)定性三維相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究“頂板-支架-煤壁”系統(tǒng)的協(xié)調(diào)變形規(guī)律。

以往的研究闡釋了不同煤層地質(zhì)賦存特征和不同開(kāi)采工藝條件下煤壁片幫特征和機(jī)理，分析了支架初撐力、工作阻力以及頂梁和護(hù)幫板結(jié)構(gòu)形式等因素對(duì)煤壁穩(wěn)定性的影響，但未涉及超大采高綜放工作面煤壁板裂化片幫和護(hù)幫板結(jié)構(gòu)形式對(duì)板裂化片幫控制方面的研究。筆者基于金雞灘煤礦超大采高綜采(一盤(pán)區(qū)西翼)和綜放(一盤(pán)區(qū)東翼)工作面生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)超大采高綜放工作面煤壁板裂化片幫特征及護(hù)幫板結(jié)構(gòu)形式對(duì)煤壁穩(wěn)定性影響進(jìn)行研究。

圖1 超大采高工作面煤壁板裂化片幫Fig.1 Slabbed buckling spalling at the coal face with super large cutting height

1 工作面煤壁板裂化特征及危害

1.1 板裂化片幫特征及機(jī)理概述

圖1為超大采高一次采全厚工作面(圖1(a))和超大采高綜放工作面(圖1(b))生產(chǎn)實(shí)踐中觀測(cè)到的煤壁板裂化破壞。現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)煤壁板裂化破壞特征分為板狀板裂化、“洋蔥皮狀”板裂化、彈射型板裂化(俗稱“炸幫”)和護(hù)幫板動(dòng)載擾動(dòng)下板裂化片幫形式。支架-圍巖耦合支護(hù)狀態(tài)較良好情況下，煤壁板裂化片幫深度通常小于500 mm，最大一般不超過(guò)800 mm。

對(duì)現(xiàn)有巖體板裂化破壞研究成果歸納總結(jié)，發(fā)現(xiàn)巖體板裂化破壞通常具有下列部分特征[14-22]:① 板裂化破壞多發(fā)生在深井脆性硬巖開(kāi)挖過(guò)程，屬高地應(yīng)力卸荷破壞，變形特征屬脆性破壞類型，板裂破壞面平行于開(kāi)挖自由面;② 板裂化片幫屬結(jié)構(gòu)失穩(wěn)類型，板裂化破壞強(qiáng)度低于巖體單軸抗壓強(qiáng)度，通常為40%～60%的單軸抗壓強(qiáng)度;③ 板裂化破壞面多平行于最大主應(yīng)力方向，即板裂化破壞裂隙擴(kuò)展方向?yàn)樽畲笾鲬?yīng)力方向;④ 板裂化破壞面受巖體結(jié)構(gòu)面影響，結(jié)構(gòu)面通常為層理、割理和劈理等弱面;⑤ 板裂化破壞可發(fā)生在巖爆過(guò)程中，屬于應(yīng)變能瞬間釋放的脆性應(yīng)變型破裂，彈射出的巖塊呈板裂狀。

長(zhǎng)壁超大采高工作面煤壁板裂化片幫機(jī)理分析已另行撰文討論，本文僅做簡(jiǎn)要概述。圖2為煤壁板裂化片幫破壞力學(xué)機(jī)理，即煤壁內(nèi)縱向不連續(xù)內(nèi)生裂隙(割理)在采動(dòng)應(yīng)力下?lián)p傷逐漸累積，并擴(kuò)展貫通為板，板結(jié)構(gòu)在不同應(yīng)力環(huán)境下發(fā)生相應(yīng)的板裂屈曲破壞。煤壁板裂化破壞是在結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)(內(nèi)因)和應(yīng)力驅(qū)動(dòng)(外因)共同作用下發(fā)生的。

圖2 煤壁板裂化片幫力學(xué)機(jī)理Fig.2 Mechanical mechanism of coal face spalling failure

1.2 煤壁板裂化片幫危害及防治

局部小范圍板裂化片幫對(duì)工作面正常生產(chǎn)影響較小，小范圍局部可控板裂化片幫依靠礦山壓力和自重片落，在一定程度上減小了采煤機(jī)割煤時(shí)的能耗，有利于提高采煤機(jī)割煤速度。另一方面，考慮到煤壁穩(wěn)定性與堅(jiān)硬頂煤冒放性相矛盾的問(wèn)題，應(yīng)允許工作面發(fā)生小范圍可控片幫，以保證頂煤冒放性。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明煤壁板裂化片幫多發(fā)生在頂板來(lái)壓時(shí)的工作面中部，片幫深度一般介于30～500 mm，通常并不影響工作面正常生產(chǎn)，但片幫嚴(yán)重時(shí)可造成以下危害:① 由于工作面較長(zhǎng)(300 m)，短時(shí)間內(nèi)多處大面積片幫將導(dǎo)致工作面刮板輸送機(jī)煤流量增大而過(guò)載(圖3(a))，影響刮板輸送機(jī)正常運(yùn)行，降低工作面開(kāi)機(jī)率和生產(chǎn)效率;② 片落的扁平狹長(zhǎng)板狀大塊煤壁(圖3(b))難以順利進(jìn)入轉(zhuǎn)載機(jī)，難以被破碎機(jī)破碎，易卡塞刮板輸送機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)，造成煤流堆積而過(guò)載;③ 工作面高處大塊煤壁傾倒式板裂化片幫(圖3(c))和彈射型板裂化片幫(“炸幫”)會(huì)對(duì)采煤機(jī)、液壓支架立柱、刮板輸送機(jī)和電纜槽等設(shè)備以及人員造成危害;④ 片幫后煤壁不平整或大量片幫導(dǎo)致梁端距增大，使護(hù)幫板與煤壁結(jié)構(gòu)耦合狀態(tài)差，不利于護(hù)幫板對(duì)煤壁穩(wěn)定性維護(hù)。

圖3 具有一定危害的煤壁板裂化片幫Fig.3 Hazardous slabbed spalling of coal face

針對(duì)煤壁板裂化片幫可能造成的危害，需采取相應(yīng)措施對(duì)煤壁板裂化片幫進(jìn)行防治，具體措施如下:① 合理機(jī)采高度的控制。機(jī)采割煤高度是煤壁穩(wěn)定性維護(hù)的關(guān)鍵可控因素之一，對(duì)于綜放工作面而言，合理的機(jī)采高度既要有利于煤壁的穩(wěn)定性，又要有利于頂煤的冒放性。② 減少煤壁無(wú)支護(hù)時(shí)間。超前采煤機(jī)2～3臺(tái)支架收回護(hù)幫板，加快護(hù)幫板動(dòng)作速度，采煤機(jī)割煤后及時(shí)護(hù)幫、護(hù)頂和拉架。③ 加快工作面推進(jìn)速度，減少煤壁內(nèi)裂隙損傷的長(zhǎng)時(shí)間累積，及時(shí)移架以減小端面頂板空頂時(shí)間和空頂面積。④ 增加支架初撐力和工作阻力，提升支架-圍巖支護(hù)系統(tǒng)整體強(qiáng)度和剛度，緩解煤壁壓力。⑤ 液壓支架設(shè)置防護(hù)網(wǎng)/簾，防止煤壁彈射型板裂化片幫(“炸幫”)對(duì)生產(chǎn)人員和設(shè)備造成危害。⑥ 加強(qiáng)一線職工設(shè)備操作技能培訓(xùn)和責(zé)任意識(shí)，保障工作面支架支頂有力和護(hù)幫到位。

除上述措施外，護(hù)幫板結(jié)構(gòu)與煤壁結(jié)構(gòu)耦合關(guān)系對(duì)煤壁穩(wěn)定性維護(hù)也起重要作用，合理的護(hù)幫板結(jié)構(gòu)形式可提高支架對(duì)圍巖的適應(yīng)性，有利于維護(hù)不同工況下煤壁穩(wěn)定性。

2 液壓支架護(hù)幫板結(jié)構(gòu)分析

煤壁板裂化片幫通常是一個(gè)由表及里層層漸進(jìn)的破壞過(guò)程，護(hù)幫板可對(duì)煤壁自由面施加一定的主動(dòng)支護(hù)約束力，使煤壁處于三向應(yīng)力狀態(tài)，一方面能阻止已發(fā)生板裂化破壞的煤壁片落或彈射(“炸幫”)傷人，另一方面護(hù)幫板的護(hù)表作用可以防止煤壁發(fā)生由表及里層層剝落的漸進(jìn)式板裂化破壞。因而，護(hù)幫板對(duì)煤壁板裂化片幫能起到一定的減緩作用，但護(hù)幫板收回時(shí)，板裂破壞的煤壁處于無(wú)支護(hù)狀態(tài)，此時(shí)煤壁是否片落取決于板裂破壞后煤壁的受力狀態(tài)和自身穩(wěn)定性。

超大采高工作面液壓支架護(hù)幫板結(jié)構(gòu)形式多樣，根據(jù)伸縮梁(前探梁)與護(hù)幫板結(jié)構(gòu)結(jié)合形式不同可分為整體式和分體式護(hù)幫板，根據(jù)護(hù)幫板的板結(jié)構(gòu)數(shù)量可分為二級(jí)和三級(jí)護(hù)幫板。圖4為超大采高工作面分體式三級(jí)護(hù)幫板(圖4(a))和整體式二級(jí)護(hù)幫板(圖4(b))與圍巖耦合作用示意。機(jī)械結(jié)構(gòu)的形式和相關(guān)參數(shù)決定結(jié)構(gòu)特性，不同結(jié)構(gòu)形式護(hù)幫板雖然作用相似，但其力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性存在一定差異，具體分析如下。

2.1 護(hù)幫板結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析

從護(hù)幫板結(jié)構(gòu)受力角度分析，煤壁結(jié)構(gòu)的變形破壞程度和平整程度差異導(dǎo)致煤壁與支架護(hù)幫板接觸狀態(tài)不盡相同，煤壁和護(hù)幫板實(shí)際耦合狀態(tài)復(fù)雜多變，難以精確建模量化求解。許多學(xué)者將煤壁對(duì)護(hù)幫板作用力假設(shè)為均布載荷或梯形分布載荷，并進(jìn)一步化簡(jiǎn)為點(diǎn)載荷和相應(yīng)的力矩進(jìn)行力學(xué)簡(jiǎn)化計(jì)算。本文將煤壁對(duì)護(hù)幫板的反作用力簡(jiǎn)化為點(diǎn)載荷進(jìn)行受力分析，通過(guò)力和力矩平衡方程求解護(hù)幫板承載能力曲線(類似支架頂梁承載能力曲線)，并將護(hù)幫板承載能力曲線作為護(hù)幫板承載性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖4 超大采高工作面護(hù)幫板結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of face sprags at longwall face with super large cutting height

2.1.1整體式護(hù)幫板受力分析

整體式護(hù)幫板受力分析如圖5所示，以O(shè)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系:桿1(OD)、桿2(OB)、桿3(BC)、桿4(DC)構(gòu)成四連桿機(jī)構(gòu);P為煤壁對(duì)護(hù)幫板的反作用力合力，kN;F為一級(jí)護(hù)幫板液壓缸對(duì)鉸接點(diǎn)B的作用力，kN;θ為一級(jí)護(hù)幫板液壓缸與水平方向夾角，(°);Rij為桿件i對(duì)桿件j的作用力(i,j取值為1,2,3,4);Rji為桿件j對(duì)桿件i的反作用力，且Rij=-Rji。根據(jù)幾何拓?fù)潢P(guān)系采用解析法求解四連桿機(jī)構(gòu)受力較繁瑣，而采用矩陣法并利用MATLAB軟件相關(guān)函數(shù)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)求解[23]。因而，只需對(duì)整體式護(hù)幫板結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，列出相應(yīng)力和力矩平衡方程，并以矩陣形式表達(dá)

(1)

式中，xO，yO，xB，yB，xC，yC，xD，yD分別為圖5(b)中O，B，C，D點(diǎn)坐標(biāo)，xP,yP為煤壁對(duì)護(hù)幫板反作用力合力P作用點(diǎn)坐標(biāo);Rijx，Rijy(R12x，R23x，R34x，R41x，R12y，R23y，R34y，R41y)分別為圖5(b)中桿件i對(duì)桿件j的作用力(i,j取值為1,2,3,4)在x和y方向的分量;Px為煤壁對(duì)護(hù)幫板反作用力合力P的x方向分量;Fcosθ，F(xiàn)sinθ為一級(jí)護(hù)幫板液壓缸對(duì)鉸接點(diǎn)B的作用力F的x，y方向分量。

圖5 整體式護(hù)幫板受力分析Fig.5 Force analysis of integral-type face sprag

以金雞灘煤礦一盤(pán)區(qū)東翼7.0 m超大采高綜放工作面ZY21000/35.5/70D型液壓支架整體式二級(jí)護(hù)幫板具體參數(shù)為例，式(1)中各點(diǎn)坐標(biāo)值為xO=0,yO=0,xB=-51.8 mm,yB=-271.7 mm,xC=-222.9 mm,yC=-263.7 mm,xD=-98.2 mm,yD=-58.0 mm,xP=-371.7 mm,-2 340.0 mm

圖6 整體式護(hù)幫板承載能力曲線Fig.6 Bearing capacity curve of split-type face sprag mechanism

圖7 液壓支架伸縮梁“屈服”受力分析Fig.7 Yielding force analysis of sliding canopy of a hydraulic support

如圖7所示，液壓支架伸縮梁的“屈服”阻力包含伸縮梁千斤頂受壓承載能力和伸縮梁“抽屜式”結(jié)構(gòu)與頂梁的摩擦力，相應(yīng)力學(xué)表達(dá)式為

(2)

其中，T為伸縮梁千斤頂受壓承載能力，kN;f1和f2為伸縮梁與頂梁上、下接觸部分間的摩擦力，kN;f3為伸縮梁與頂板間摩擦力，kN;N1和N2為“抽屜式”伸縮梁與頂梁上、下接觸部分的正壓力，kN;Q為頂板對(duì)伸縮梁的壓力，kN;s1,s2,s3和s4分別為P,f1/f3,Q和N1的作用力臂，m;μ1和μ2為伸縮梁與頂梁上、下接觸部分間的摩擦因數(shù);μ3為伸縮梁與頂板間摩擦因數(shù)。頂板對(duì)伸縮梁的壓力Q為變化量，與頂板變形壓力相關(guān);另一方面，s3和s4也隨著伸縮梁伸出長(zhǎng)度的不同而改變。因而，此處采用估算法計(jì)算“抽屜式”伸縮梁與頂梁上、下接觸部分的摩擦力(取0.5倍的伸縮梁千斤頂受壓承載能力)，故伸縮梁“屈服”壓力為1.5T。伸縮梁千斤頂采用2個(gè)普通雙作用千斤頂，受壓時(shí)最大承載能力為584 kN，故伸縮梁“屈服”壓力為876 kN。

2.1.2分體式護(hù)幫板受力分析

分體式護(hù)幫板結(jié)構(gòu)受力如圖8所示，分體式護(hù)幫板結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)單鉸接，受力分析較簡(jiǎn)單，通過(guò)簡(jiǎn)單的力矩方程即可求解。需要注意，分體式護(hù)幫機(jī)構(gòu)受力分析時(shí)，一級(jí)護(hù)幫千斤頂和二級(jí)護(hù)幫千斤頂都要計(jì)算力矩方程，分析在外力P作用下哪一級(jí)護(hù)幫板先“屈服”收回。圖8(b)中，F(xiàn)1，F(xiàn)2分別為一級(jí)護(hù)幫千斤頂和二級(jí)護(hù)幫千斤頂所受載荷;L1，M1分別為F1相對(duì)B點(diǎn)力臂和力矩;L2，M2為F2相對(duì)M點(diǎn)力臂和力矩;LP1，LP2分別為垂直護(hù)幫板方向煤壁合外力P相對(duì)于B點(diǎn)和M點(diǎn)力臂。

圖8 分體式護(hù)幫機(jī)構(gòu)受力分析Fig.8 Force analysis of split-type face sprag mechanism

以金雞灘煤礦一盤(pán)區(qū)西翼8.2 m超大采高綜采工作面ZY21000/38/82D型液壓支架分體式三級(jí)護(hù)幫板具體參數(shù)為例，其一級(jí)護(hù)幫板采用兩個(gè)缸徑160 mm的雙伸縮液壓缸，最大工作阻力為2×804=1 608 kN，力臂L1=188 mm，力距M1=F1L1=315.84 N·m;二級(jí)護(hù)幫板采用2個(gè)缸徑140 mm的雙伸縮液壓缸，最大工作阻力為2×615=1 230 kN，力臂L2=272 mm，力距M2=F2L2=334.56 N·m。由于M2>M1，且煤壁合外力P對(duì)一級(jí)護(hù)幫的力矩大于對(duì)二級(jí)護(hù)幫板的力矩(即PLP1>PLP2)。當(dāng)合外力P超過(guò)護(hù)幫板承載能力時(shí)，一級(jí)護(hù)幫板液壓缸“屈服”收回。因此，分體式護(hù)幫板承載能力曲線由一級(jí)護(hù)幫板液壓缸最大力矩進(jìn)行計(jì)算，即P=M1/LP1，即P與LP1成反函數(shù)關(guān)系(圖9)，LP1取值范圍為470～2 900 mm。

圖9 分體式護(hù)幫板承載能力曲線Fig.9 Bearing capacity curve of split-type face sprag

2.1.32種結(jié)構(gòu)形式護(hù)幫板承載能力對(duì)比分析

由整體式和分體式護(hù)幫板承載能力對(duì)比圖(圖10)可知:整體式護(hù)幫板在距鉸接點(diǎn)1.25 m以內(nèi)的承載能力和承載范圍優(yōu)于分體式護(hù)幫板，而在距鉸接點(diǎn)1.25 m以外區(qū)間略低于分體式護(hù)幫板，但兩者相差不大，整體介于100～200 kN，并逐漸緩慢遞減，表明2種結(jié)構(gòu)形式護(hù)幫板末端承載能力均較弱。

圖10 2種結(jié)構(gòu)形式護(hù)幫板承載能力分析Fig.10 Comparison of bearing capacity between two types of face sprags

2.2 護(hù)幫板結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性分析

對(duì)于2種結(jié)構(gòu)形式的護(hù)幫板，忽略結(jié)構(gòu)件間鉸接間隙及重力影響，在護(hù)幫千斤頂伸出速度恒定(80 mm/s)條件下，通過(guò)整體式和分體式護(hù)幫板的擺動(dòng)角速度對(duì)比分析其運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，對(duì)比結(jié)果(圖11)表明:① 2種結(jié)構(gòu)形式的護(hù)幫板均為動(dòng)作起始處角速度大且變化較大，接近垂直護(hù)幫狀態(tài)(護(hù)幫板角度為90°)時(shí)速度較低且變化不大，可減緩護(hù)幫動(dòng)作對(duì)煤壁的沖擊;② 整體式護(hù)幫板運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較快，通過(guò)小四連桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大幅度擺動(dòng)，動(dòng)作用時(shí)短、行程小、靈敏度高。

圖11 2種結(jié)構(gòu)形式護(hù)幫板運(yùn)動(dòng)特性對(duì)比Fig.11 Comparison of kinetic characteristics between two types of face sprags

分體式護(hù)幫板伸縮梁和護(hù)幫板為分體式，單獨(dú)動(dòng)作，互不干涉，動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)，靈活性差。簡(jiǎn)單鉸接的結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)致分體式護(hù)幫板行程角度范圍小于180°，使用上受限。相對(duì)分體式護(hù)幫板而言，整體式護(hù)幫板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活，易實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制。四連桿鉸接的結(jié)構(gòu)形式使整體式護(hù)幫板挑起力矩大，并能保證挑起和收回角度，對(duì)工作面圍巖適應(yīng)性強(qiáng)。

綜上對(duì)比，整體式護(hù)幫板力學(xué)(承載性能)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性均優(yōu)于分體式護(hù)幫板。

2.3 二級(jí)護(hù)幫板和三級(jí)護(hù)幫板對(duì)比分析

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定:“當(dāng)綜采工作面采高超過(guò)3 m或片幫嚴(yán)重時(shí)，液壓支架必須有護(hù)幫板，防止片幫傷人”。對(duì)于護(hù)幫板結(jié)構(gòu)高度設(shè)計(jì)而言，目前尚無(wú)明確要求，通常不小于最大采高的1/3(一般經(jīng)驗(yàn)值)。護(hù)幫高度隨著工作面最大采高的增加而增加，護(hù)幫板的板結(jié)構(gòu)數(shù)量也相應(yīng)增加，現(xiàn)有護(hù)幫板級(jí)數(shù)有一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)。超大采高工作面(機(jī)采高度大于6 m)一般采用二級(jí)或三級(jí)護(hù)幫板以滿足護(hù)幫高度需要。

三級(jí)護(hù)幫板是在二級(jí)護(hù)幫上再鉸接一級(jí)護(hù)幫板，進(jìn)一步增加護(hù)幫高度，減小無(wú)支護(hù)煤壁的面積。然而，三級(jí)護(hù)幫一般要加阻尼裝置，以免三級(jí)護(hù)幫收回太快而對(duì)三級(jí)護(hù)幫千斤頂造成損害，且二、三級(jí)護(hù)幫之間有隨動(dòng)效果，控制裝置比較復(fù)雜。因此，考慮到結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和操作的方便性，對(duì)于煤壁穩(wěn)定性強(qiáng)的堅(jiān)硬煤層，在滿足護(hù)幫高度的條件下，可優(yōu)先選擇二級(jí)護(hù)幫板。

3 護(hù)幫板與煤壁結(jié)構(gòu)耦合關(guān)系

護(hù)幫板結(jié)構(gòu)與煤壁和端面頂板結(jié)構(gòu)耦合關(guān)系和作用效果直接影響煤壁穩(wěn)定性，液壓支架護(hù)幫板一方面對(duì)煤壁進(jìn)行主動(dòng)維護(hù)，防止煤壁片幫和片落后的煤壁對(duì)設(shè)備及人員造成危害;另一方面，可利用護(hù)幫板和伸縮梁對(duì)煤壁及頂板進(jìn)行維護(hù)，預(yù)防頂板發(fā)生漸進(jìn)式破壞，在支護(hù)滯后情況下，利用護(hù)板幫和伸縮梁及時(shí)護(hù)頂，阻止片幫和冒頂范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。

生產(chǎn)中常觀測(cè)到煤壁發(fā)生明顯破壞卻未失穩(wěn)片落的現(xiàn)象，且多發(fā)生在頂板來(lái)壓不強(qiáng)烈的情況下，該現(xiàn)象解釋如下:如圖12所示，覆巖大結(jié)構(gòu)可形成組合懸臂梁或砌體梁結(jié)構(gòu)，組合懸臂梁或砌體梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時(shí)能承受部分覆巖隨動(dòng)層載荷，使作用與支架和工作面圍巖組成的“小結(jié)構(gòu)”上的覆巖載荷較小，當(dāng)組合懸臂梁或砌體梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)則會(huì)對(duì)工作面圍巖和支架組成的“小結(jié)構(gòu)”形成動(dòng)載沖擊，導(dǎo)致“小結(jié)構(gòu)”穩(wěn)定性降低，支架和煤壁承載增加(壓力過(guò)載時(shí)安全閥開(kāi)啟讓壓)，煤壁易發(fā)生片幫。

圖12 煤壁附近圍巖結(jié)構(gòu)和應(yīng)力環(huán)境示意Fig.12 Schematic diagram of surrounding rock structure and stress environment around the coal face

一方面，由于超前支承壓力作用，煤壁內(nèi)一定范圍的煤體已進(jìn)入塑性屈服區(qū)，致使超前支承壓力向煤壁深部轉(zhuǎn)移，煤壁內(nèi)應(yīng)力集中區(qū)和液壓支架主要承載區(qū)(立柱附近)[24]之間的頂板中形成了“小結(jié)構(gòu)”承載壓力拱，板裂后的煤壁處于壓力拱保護(hù)下的應(yīng)力降低區(qū)(屈服區(qū))，所承受頂板壓力較小或無(wú)壓力。另一方面，有些發(fā)生板裂化破壞后的煤壁可能形成具有一定直立穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)。因而，板裂化破壞后的煤壁未發(fā)生失穩(wěn)片落的現(xiàn)象是由于屈服煤壁的低應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境和自身結(jié)構(gòu)具有一定直立穩(wěn)定性。發(fā)生板裂化破壞后的煤壁穩(wěn)定性大幅度降低，較小的外界擾動(dòng)就可能發(fā)生失穩(wěn)片落，而此時(shí)護(hù)幫板維護(hù)的是處于應(yīng)力降低區(qū)的屈服煤壁，護(hù)幫板對(duì)煤壁的作用既有靜態(tài)維護(hù)，也有動(dòng)態(tài)擾動(dòng)。

3.1 護(hù)幫板對(duì)煤壁的靜態(tài)維護(hù)

如圖13所示，護(hù)幫板對(duì)煤壁有主動(dòng)支護(hù)和被動(dòng)承載作用，相當(dāng)于對(duì)煤體施加了圍壓，使煤壁由兩向受力狀態(tài)向三向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變，改變煤體應(yīng)力環(huán)境，提高煤壁自身承載能力。護(hù)幫板側(cè)向水平約束力能抵消煤壁內(nèi)形成的水平張拉應(yīng)力，阻礙煤體內(nèi)裂隙擴(kuò)展、張開(kāi)和滑動(dòng)，阻止煤壁發(fā)生板裂化屈曲破壞。由于護(hù)幫板對(duì)煤壁的作用力有限，當(dāng)頂板強(qiáng)動(dòng)載來(lái)壓時(shí)，護(hù)幫板“無(wú)力抵抗”煤壁變形和破壞而發(fā)生“屈服”。

圖13 護(hù)幫板作用下煤壁縱向裂隙受力簡(jiǎn)化示意Fig.13 Schematic diagram of vertical fracture in the coal face under the action of face sprag

對(duì)于護(hù)幫板下方無(wú)支護(hù)狀態(tài)煤壁，其裂隙可能擴(kuò)展到護(hù)幫板下邊緣處而停止，因而護(hù)幫板作用將降低板裂后板結(jié)構(gòu)高度，即降低板結(jié)構(gòu)高寬比，增強(qiáng)板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。當(dāng)板結(jié)構(gòu)受力達(dá)到失穩(wěn)載荷后，護(hù)幫板水平作用力可阻止煤壁上部發(fā)生屈曲變形和破壞，致使煤壁沿護(hù)幫板下邊緣發(fā)生折斷(圖14)。

圖14 煤壁沿護(hù)幫板下邊緣板裂折斷Fig.14 Slabbing failure of the coal face along the lower edge of face sprags

3.2 護(hù)幫板對(duì)煤壁的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)

護(hù)幫板對(duì)煤壁板裂化片幫除具有靜態(tài)維護(hù)作用外，也存在一定的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)作用。護(hù)幫板動(dòng)態(tài)擾動(dòng)分為打開(kāi)護(hù)幫板和收回護(hù)幫板2個(gè)階段。當(dāng)液壓支架護(hù)幫板收回時(shí)，煤壁由于缺少了側(cè)向支護(hù)作用而發(fā)生板裂化片幫。這種片幫多數(shù)是煤壁已發(fā)生了縱向板裂破壞，但在護(hù)幫板的夾持壓力作用下，通過(guò)護(hù)幫板和煤壁的縱向摩擦力保持與自身重力的平衡。當(dāng)護(hù)幫板收回時(shí)，破壞的煤壁失去支護(hù)力，在重力作用下發(fā)生滑移或旋轉(zhuǎn)失穩(wěn)而片落(圖15)。

圖15 護(hù)幫板收回后煤壁片落Fig.15 Coal face spalling after the withdraw of face sprags

現(xiàn)場(chǎng)跟班觀測(cè)還發(fā)現(xiàn)，如圖16所示，液壓支架護(hù)幫板打開(kāi)過(guò)程中，以較高的速度撞擊煤壁時(shí)，板裂化的煤壁會(huì)被切斷而片落。護(hù)幫板撞擊煤壁前，煤壁已在采動(dòng)應(yīng)力下發(fā)生張拉破壞并產(chǎn)生縱向貫通長(zhǎng)裂隙，形成板狀結(jié)構(gòu)，外表上有局部貫通橫向裂隙或沒(méi)有明顯橫向裂隙，護(hù)幫板的撞擊作用可能使煤壁產(chǎn)生橫向貫通裂隙，并隨之切斷，發(fā)生板裂化片幫。因此，護(hù)幫板在打開(kāi)過(guò)程中，應(yīng)先打開(kāi)護(hù)幫板至垂直狀態(tài)，再通過(guò)伸縮梁伸出作用逐漸靠近煤壁，避免對(duì)煤壁形成較強(qiáng)烈撞擊作用。

圖16 護(hù)幫板撞擊導(dǎo)致煤壁片幫Fig.16 Coal face spalling caused by the hitting of face sprags

3.3 分體式護(hù)幫板與煤壁耦合效果分析

如圖17所示，分體式護(hù)幫板的一級(jí)護(hù)幫板僅起結(jié)構(gòu)上的傳遞作用，并不與煤壁直接作用，主要依靠二級(jí)和三級(jí)(可能沒(méi)有)護(hù)幫板維護(hù)煤壁。分體式護(hù)幫板伸縮梁的作用主要是保證液壓支架在移架前能及時(shí)護(hù)頂，防止頂板冒落并發(fā)生漸進(jìn)式破壞而誘發(fā)圍巖大范圍失穩(wěn)。

圖17 伸縮梁與煤壁耦合效果差Fig.17 Poor coupling between coal face and face sprags

有學(xué)者認(rèn)為分體式護(hù)幫板伸縮梁能與煤壁接觸，且具有較大的工作阻力(含伸縮梁千斤頂承載能力和伸縮梁與頂梁的摩擦力)，有利于煤壁穩(wěn)定性的維護(hù)，但實(shí)際生產(chǎn)中，伸縮梁動(dòng)作一般在采煤機(jī)割煤前后，由于此時(shí)煤塵較大、光照條件差、伸縮梁離操作人員較遠(yuǎn)等原因，導(dǎo)致伸縮梁難以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤壁有效的支護(hù)作用。另一方面，如圖17所示，工作面煤壁與頂板間呈弧形或片幫后的工作面梁端距超過(guò)伸縮梁行程，將導(dǎo)致接觸狀態(tài)差或不接觸，伸縮梁僅起護(hù)頂作用。此外，伸縮梁過(guò)大的擠壓力可能把已板裂化破壞并接近臨界狀態(tài)的煤壁切斷。因此，伸縮梁對(duì)煤壁的直接維護(hù)作用較弱。

3.4 整體式護(hù)幫板與煤壁耦合效果分析

整體式結(jié)構(gòu)中護(hù)幫板鉸接于伸縮梁上，與伸縮梁為一體式結(jié)構(gòu)，可隨伸縮梁的伸縮而移動(dòng)，靈活性高，對(duì)不同煤壁結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)。如圖18所示，護(hù)幫板可根據(jù)片幫后煤壁不同的結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)伸縮梁和護(hù)幫板配合使護(hù)幫板結(jié)構(gòu)姿態(tài)與煤壁結(jié)構(gòu)相匹配，使護(hù)幫板更貼合煤壁，從而達(dá)到更好的結(jié)構(gòu)耦合狀態(tài)，充分發(fā)揮護(hù)幫板對(duì)煤壁的維護(hù)作用。尤其是煤壁片幫深度較大時(shí)，整體式護(hù)幫板可實(shí)現(xiàn)伸平護(hù)頂狀態(tài)(圖18(c),(d))，而分體式護(hù)幫板無(wú)法實(shí)現(xiàn)伸平護(hù)頂，只能依靠伸縮梁護(hù)頂，護(hù)頂范圍較小。

圖18 不同片幫形式下護(hù)幫板與煤壁結(jié)構(gòu)耦合Fig.18 Structure coupling of face sprag and different coal face structures

4 工程應(yīng)用分析

金雞灘煤礦8.2 m超大采高綜采工作面和7.0 m超大采高綜放工作面在同一礦井同一盤(pán)區(qū)，地質(zhì)條件幾乎相同(主要差異為煤層厚度)，雖然兩者在采高(實(shí)際相差1.0～1.5 m)、開(kāi)采工藝和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律上存在一定的差異，但覆巖結(jié)構(gòu)、煤體結(jié)構(gòu)和物理特性等參數(shù)均相同或相近，因而煤壁破壞和片幫特征相似，且二者均為超大采高工作面(綜采放頂煤工作面是一種特殊的綜采工作面)。因此，8.2 m超大采高綜采工作面護(hù)幫板與煤壁耦合效果分析對(duì)7.0 m超大采高綜放工作面護(hù)幫板設(shè)計(jì)具有直接借鑒意義。

4.1 分體式三級(jí)護(hù)幫板應(yīng)用分析

金雞灘煤礦一盤(pán)區(qū)西翼8.2 m超大采高工作面液壓支架采用分體式三級(jí)護(hù)幫板，生產(chǎn)實(shí)踐表明采高大于7.5 m后，頂板來(lái)壓強(qiáng)烈且煤壁自身穩(wěn)定性差，頂板周期來(lái)壓期間煤壁片幫嚴(yán)重，護(hù)幫板與煤壁結(jié)構(gòu)耦合性差，難以發(fā)揮良好的護(hù)幫作用;采高低于7.5 m時(shí)，煤壁自身穩(wěn)定性較好，護(hù)幫板能與煤壁實(shí)現(xiàn)良好的耦合狀態(tài)，在不打開(kāi)第三級(jí)護(hù)幫板或第三級(jí)護(hù)幫板與煤壁接觸不好的情況下，煤壁依然能保持較好的穩(wěn)定性。這表明護(hù)幫板作用力對(duì)于來(lái)壓較小時(shí)的煤壁板裂化破壞有較好的維護(hù)作用，但對(duì)于頂板強(qiáng)礦壓情況下的板裂化破壞維護(hù)作用有限。另一方面，分體式三級(jí)護(hù)幫板操作復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)，煤壁平整度差時(shí)第三級(jí)護(hù)幫板與煤壁接觸效果差，且第三級(jí)護(hù)幫板作用力臂較大而作用力較小。

4.2 整體式二級(jí)護(hù)幫板應(yīng)用分析

鑒于理論分析及分體式三級(jí)護(hù)幫板在8.2 m超大采高工作面使用效果及存在的不足，如果7.0 m超大采高綜放工作面仍采用分體式三級(jí)護(hù)幫板，這些問(wèn)題將依然存在。對(duì)于7.0 m超大采高綜放工作面，二級(jí)護(hù)幫高度足夠，沒(méi)有必要采用三級(jí)護(hù)幫，且分體式護(hù)幫板結(jié)構(gòu)耦合性和靈活性差。因此，7.0 m超大采高綜放液壓支架采用了耦合性和適應(yīng)性更優(yōu)的整體式二級(jí)護(hù)幫板設(shè)計(jì)。一方面是由于整體式護(hù)幫板承載能力和靈活性均優(yōu)于分體式護(hù)幫板，結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)較簡(jiǎn)單，不需要額外控制伸縮梁和三級(jí)護(hù)幫板;另一方面，7.0 m超大采高綜放工作面采高相對(duì)8.2 m超大采高綜采工作面較小，且降低采高后的上部頂煤可通過(guò)放煤機(jī)構(gòu)放出，采高控制更加靈活，故選用整體式二級(jí)護(hù)幫板(護(hù)幫高度2.5 m)可滿足護(hù)幫高度需要。

生產(chǎn)實(shí)踐表明:超大采高綜放工作面采高在6.3～6.5 m情況下，頂板非來(lái)壓期間煤壁穩(wěn)定性較好，頂板周期來(lái)壓期間，工作面中部局部煤壁出現(xiàn)一定程度的可控片幫，片幫范圍約占工作面中部范圍的10%～50%(因煤壁自身穩(wěn)定性、頂板來(lái)壓強(qiáng)烈程度和護(hù)幫板作用效果不同而存在差異);片幫高度多為整煤壁片幫(全采高片幫)，片幫深度通常不大于500 mm;護(hù)幫板護(hù)幫效果好時(shí)，多為下煤壁片幫，下煤壁片幫量通常較小(約100 mm);采高超過(guò)6.5 m后，工作面煤壁穩(wěn)定性維護(hù)困難，片幫深度和面積范圍加大，工作面中部局部支架安全閥開(kāi)啟、設(shè)備檢修維護(hù)率增加、工作面開(kāi)機(jī)率和工作面推進(jìn)速度降低，對(duì)工作面安全高效推進(jìn)造成一定影響;采高6.3～6.5 m情況下，工作面中部頂板來(lái)壓強(qiáng)烈、頂煤破碎較充分、冒放性好。因此，工作面實(shí)際開(kāi)采高度一般控制在6.3～6.5 m，此工況下工作面推進(jìn)速度約為10 m/d。

5 結(jié) 論

(1)金雞灘煤礦超大采高綜放工作面煤壁主要發(fā)生板裂化片幫具有多種特征:板狀板裂化、“洋蔥皮狀”板裂化、彈射型板裂化(俗稱“炸幫”)和護(hù)幫板動(dòng)載擾動(dòng)下板裂化片幫。

(2)承載能力曲線對(duì)比表明整體式護(hù)幫板承載能力優(yōu)于分體式護(hù)幫板。

(3)整體式二級(jí)護(hù)幫板運(yùn)動(dòng)速度快、靈活度高、聯(lián)動(dòng)控制效果優(yōu)，對(duì)煤壁結(jié)構(gòu)形態(tài)適應(yīng)性和耦合性強(qiáng)。

(4)金雞灘煤礦超大采高綜放工作面整體式二級(jí)護(hù)幫板使用情況良好，可滿足煤壁穩(wěn)定性控制需要。