過空巷非均衡載荷下液壓支架安全控制研究

宋瑞榮

(交口縣防震減災中心，山西 交口 032400)

空巷是指用于行人、通風、勘探、聯絡等，為采掘活動服務的巷道，寬度2～9 m、簡易支護或無支護，部分頂板較好、長期放置后多數會出現不等高垮落現象[1]。山西澤州海天煤礦主采3號煤，開采中發現重組區域內地質條件復雜，有大量寬度不等、垮落高度不同、走向角度各異的空巷。工作面過空巷時，采用的四柱掩護式放頂煤支架工作中前后柱載荷差異大、出現前柱液壓閥開啟后柱拔斷現象，為頂板非常規破斷、載荷非均衡分布的開采環境，嚴重威脅煤礦的安全[2]。專家學者對支架結構、支架載荷等進行了大量研究[3]，然而跨空巷回采對液壓支架安全性有特殊要求，工作面過空巷非均衡載荷下液壓支架適應性研究尤為重要。

本文以山西海天礦1331工作面過空巷為工程背景，研究工作面跨空巷回采頂板破斷垮落規律，提出支架非均衡承載特征和破壞機理、跨空巷開采支架選型和安全控制技術，對實現頂板非常規破斷、載荷非均衡分布條件下安全開采，具有重要意義。

1 空巷分布及支架非均衡承載特征

海天煤礦主采3號煤，煤層平均厚度6.65 m，傾角2～6°，埋深350 m.1331綜放工作面走向長度410 m，傾斜長度84 m，布置了ZF8000/17/32型放頂煤液壓支架(52架)，采高2.0 m，采用一采一放，步距0.6 m.直接頂為粉砂巖、泥巖，厚度4.66 m，老頂為砂巖，厚度16.4 m.

對舊有空巷進行探測，運輸巷揭露16條空巷，回風巷揭露10條空巷，切眼揭露3條空巷，聯絡巷揭露5條空巷。分析發現，空巷寬度一般在2～5 m，高度為2.5 m左右，與工作面煤壁平行或垂直，以平行分布為主。空巷以木支護為主，甚至不支護，揭露的實際空巷如圖1所示。

圖1 空巷揭露情況

如圖2所示，分別在工作面上、中、下3個位置支架布置了5個測點(分別位于4號、14號、26號、36號、48號支架)，對支架前柱、后柱和整架工作阻力統計(YHY60(B)數字壓力記錄儀)見表1.

圖2 部分空巷分布及測點布置

表1 支架前柱、后柱和整架工作阻力分布

對過空巷回采中支架受力分析：

1) 支架前柱過載，安全閥多次開啟。前柱工作阻力在4 000～6 000 kN、6 000～8 000 kN、8 000～10 000 kN區間的頻率分別為29%、17%、14.8%，而后柱工作阻力在0～2 000 kN的頻率為84.3%，使得支架載荷多次超過額定值8 000 kN，出現安全閥開啟甚至壓架事故。

2) 支架不均衡承載，前柱已經達到額定工作阻力而后柱受力很小或者不受力，經常表現為零工作阻力甚至后柱拉斷。支架前后柱受力差值中0～500 kN所占的比例為7.4%；500～1 000 kN所占的比例為35.6%；1 000～1 500 kN所占的比例為33.1%；1 500～2 000 kN所占的比例為24.9%.

具體分析得出，受空巷影響頂板不規則破斷，由于頂板施加到支架上載荷的合力作用點位于支架頂梁的前部，造成支架前柱工作阻力較大，而后柱不受力，嚴重時表現出支架后柱因拉力而被拉斷的情況。

2 過空巷頂板破斷特征和支架失穩機理

從多次重復試驗的研究中發現，工作面臨近空巷或空區時前方煤柱出現異常垮塌破壞，采場頂板易形成大厚度、長跨距的超前大斷裂結構，如圖3所示，造成支架工作阻力急劇增大并導致大面積壓架事故，這與實體煤開采完全不同。

圖3 工作面臨近空巷頂板破斷結構

初步分析認為：①頂板巖層隨時間推移發生蠕變損傷-斷裂破壞，受采場超前支承壓力影響，基本頂在空巷前方邊緣斷裂，形成超長跨度的懸梁結構；②單個空巷分布條件下，掘進和開采擾動下空巷煤柱發生嚴重損傷和承載能力削弱，工作面臨近時突然失穩，使得采場支架-圍巖體系中的煤柱支撐作用突然失效，引發基本頂跨煤柱超前斷裂；③多個空巷分布條件下，受采場超前支承壓力和靜載疊加影響，單個煤柱破壞后承擔載荷通過頂板巖層向其他空巷煤柱轉移，在覆巖-煤柱群承載系統中應力調整過程中可能出現煤柱群的“多米諾骨牌”失穩，出現覆巖-煤柱群承載系統的失效破壞[4]。可見，工作面前方覆巖-煤柱群由于空巷影響導致煤柱支撐能力降低，受開采擾動時，極有可能出現煤柱群局部或全部失穩而導致頂板的大面積垮落[5]，造成惡性事故。

根據海天煤礦工作面推進過程中，四柱式ZF8000/17/32型放頂煤液壓支架運行情況，建立如圖4所示的支架受力模型。

圖4 支架受力力學模型

取頂梁及掩護梁為隔離體，即∑MO1=0，得平衡方程[4]：

P1e1+P2e2+fQbtanθ-Q(x+b)=0

(1)

式中：Q為外載荷，kN；x為Q作用點與O的距離，m；P1、P2為前后立柱支撐力，kN；e1、e2為P1、P2與O點的距離，m；fQ為頂梁上作用的水平推力，kN；b為O1O點的水平距離，m；θ為OO1連線與水平線的夾角，°.

當∑MO1=0時，得：

P1p1+P2p2-Qx=0

(2)

其中：p1為P1距鉸接點O點的距離，m；p2為P2距鉸接點O點的距離，m.

將公式(2)代入公式(1)可得Q：

(3)

將公式(1)、公式(2)合并得支架后柱工作阻力:

(4)

設C、K為常數：

(5)

(6)

故公式(4)可簡寫：

P2=Cx-K

(7)

可知，P2是有關載荷作用力臂x的一次線性函數。將公式(3)代入公式(2)可得支架合力作用位置為：

(8)

3 支架適應性研究

ZFY10200/25/42型支架主要參數如下：工作阻力為10 200 kN(45 MPa)，初撐力為7 144 kN(31.5 MPa)，中心距為1 750 mm，支架高度為2.5～4.2 m，支護強度為1.08～1.10 MPa，底板前端比壓為2.95～3.93 MPa.

采用FLAC3D5.00對工作面過空巷頂板破斷運移規律和支架承載特征進行研究。模型尺寸為長×寬×高=100 m×147 m×28.61 m，空巷尺寸為3 m×3 m.利用beam結構單元模擬工字鋼棚支護，利用Extrusion 功能建立液壓支架，支架關鍵節點搭建后，連接關鍵節點構建主要框架結構[6]，如圖5所示。

圖5 支架模型圖

當工作面推進23 m時，工作面與空巷間煤柱的寬度為7 m，得到采場塑性區和圍巖應力的分布如圖6所示。

由圖6(a)可知，工作面前方煤柱發生塑性破壞，失去承載能力，載荷向空巷及采空區傳遞，空巷圍巖塑性區不斷擴展，發生垮落。基本頂發生超前斷裂，生成完整塊體，在回轉下沉過程中相互擠壓形成鉸接結構，對空巷圍巖穩定性和支架安全具有顯著影響。圖6(b)可知，空巷與工作面間煤柱是應力升高區，垂直應力達到11 MPa.由于煤柱塑性破壞，應力向深部煤體和采空區傳遞，使得應力峰值達到13 MPa.

圖6 工作面推進23 m時支架-圍巖關系模擬圖

對支架垂直應力如圖6(c)所示，支架立柱是載荷的主要承擔體，分布垂直壓應力且達到了峰值45 MPa.頂梁前部、中部分布壓應力，最大分別為4 MPa、10 MPa，支架頂梁后部和后座分布拉應力，最大分別為4 MPa和9 MPa，支架各鉸接點垂直應力10 MPa以上。圖6(d)為支架垂直應變分布特征，載荷作用下支架承載性較好，頂梁前端變形大于中部及尾梁，頂梁前端最大變形約為7.5 cm，處于安全范圍。

4 液壓支架安全控制效果實測

在1331工作面布置ZFY10200/25/42型正四連桿兩柱放頂煤液壓支架，在支架安放測點，對回采期間支架載荷進行監測[7]，如圖7所示。

圖7 支架工作阻力實測

由圖7可知，回采期間支架載荷分布不均勻，在進入空巷前(回采日期10-22至10-25)、出空巷后(回采日期10-31至11-06)支架載荷增大，在進入空巷(回采日期10-25至10-31)支架載荷降低，呈現非均衡分布特征。支架對開采適應性較好，前后柱載荷受力均勻，回采期間沒有發生泄壓閥開啟或工作阻力為零、支柱拉斷現象。

在空巷集中分布區布置1331工作面，自2021年9月12日開始回采，截至2021年12月12日，工作面累計推進110 m，共計完成183個循環，生產原煤總量5.6萬t，期間液壓支架工作正常。

5 結 語

1) 工作面通過空巷載荷集中施加在支架前柱，導致過載安全閥多次開啟，而后柱受力很小或者不受力，表現為零工作阻力甚至后柱拉斷。

2) 支架支柱受力取決于支架合力作用點位置，得到了支架穩定的合力作用點區間；回采中支架與空巷間煤柱尺寸減小，頂板發生超前斷裂，應力向支架轉移，進、出空巷時支架載荷增大。

3) 液壓支架需適應空巷條件下頂板非常規破斷和載荷非均衡變化，基于海天煤礦條件選擇ZFY10200/25/42型正四連桿兩柱放頂煤液壓支架，工業性試驗中對空巷開采具有良好適應性。