（西山煤電建筑工程集團(tuán)有限公司礦建第二分公司 山西 030027）

1.引言

在地下水長(zhǎng)期的溶蝕作用，地下巖溶洞穴在地質(zhì)構(gòu)造力、上部巖層重力作用下發(fā)生塌陷，這種塌陷呈現(xiàn)出大小不一的圓形或者不規(guī)則的錐形，因此將這種不良的地質(zhì)現(xiàn)象稱(chēng)為陷落柱。采煤作業(yè)中經(jīng)常會(huì)遇到陷落柱這一地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象，在礦井勘探期間或在掘進(jìn)巷道以及回采期間常常會(huì)存在不明陷落柱，由于陷落柱的邊界和影響范圍的不確定性，在掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)破壞采煤層，使采煤量大大減少，并使機(jī)械設(shè)備的使用遭到制約，對(duì)工程造成巨大影響，因此原設(shè)計(jì)工作面的采掘價(jià)值急劇降低，甚至?xí)斐山?jīng)濟(jì)虧損，不得不另行設(shè)計(jì)，浪費(fèi)了大量的時(shí)間以及財(cái)力。在陜西、山東、河北、河南、安徽等省的20多個(gè)煤田采掘過(guò)程中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的陷落柱高達(dá)45處，陷落柱的總數(shù)已接近3000個(gè)，以汾河沿岸、太行山東、西麓礦區(qū)最為發(fā)育，在山西礦區(qū)已發(fā)現(xiàn)陷落柱1300多個(gè)。因此，在實(shí)際工程中，為了避免陷落柱引起工程經(jīng)濟(jì)損失以及工程事故的發(fā)生，針對(duì)陷落柱支架的穩(wěn)定性問(wèn)題以及防控措施進(jìn)行探究是十分有必要的。

2.支架的穩(wěn)定性分析

假設(shè)支架的自身重力為G，支架的上部支護(hù)力為P，支架與底板的摩擦系數(shù)為μ1，支架與底板的摩擦力為f1，支架與頂板的摩擦系數(shù)為μ2，支架與頂板的摩擦力f2，支架的底板與水平面的傾角θ，支架的高度為H，支架的重心高度為h，支架的底板長(zhǎng)度為B。支架的失穩(wěn)主要在于兩個(gè)方面即滑動(dòng)失穩(wěn)和傾倒失穩(wěn)，下面針對(duì)這兩個(gè)方面進(jìn)行簡(jiǎn)要的受力分析。

其中，

(1)支架滑動(dòng)失穩(wěn)分析

支架發(fā)生滑動(dòng)失穩(wěn)的主要原因從力的方面來(lái)分析是由于支架在傾角方向（即與底板平行的方向）的力不平衡造成的，即重力和支護(hù)力的合力在傾角方向的分力大于摩擦力。支架能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)的力矩表達(dá)式為：

將式（1）、式（2）代入式（3）可得：

從式（4）可知，支架的滑動(dòng)失穩(wěn)只與支架與底板的摩擦系數(shù)為μ1，支架與頂板的摩擦系數(shù)為μ2，支架的自身重力為G，支架的上部支護(hù)力為P，支架的底板與水平面的傾角θ相關(guān)，而與支架結(jié)構(gòu)（支架的高度為H，支架的重心高度為h，支架的底板長(zhǎng)度為B）無(wú)關(guān)。在實(shí)際工程中，為了防止支架滑動(dòng)失穩(wěn)，能夠有效控制的手段是改變支架與周?chē)馏w的摩擦力即增大支架與底板的摩擦系數(shù)為μ1，支架與頂板的摩擦系數(shù)為μ2，其次也可減輕支架的自重。

(2)支架傾倒失穩(wěn)分析

支架發(fā)生傾倒失穩(wěn)的主要原因從力的平衡角度來(lái)分析是由于支架所受到的合力偏離支架下邊緣，即支架合力作用點(diǎn)處的力矩沿著某一點(diǎn)或者某條軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，根本原因在于支架在水平和豎直方向的力矩沒(méi)有達(dá)到平衡。對(duì)支架的底板角點(diǎn)處求矩，支架能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)的力矩表達(dá)式為：

將式（2）代入式（5）可以得到：

從式（6）可知，當(dāng)支架底板與水平的傾角θ滿足上式，支架能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)而不發(fā)生偏轉(zhuǎn)失穩(wěn)，且當(dāng)上部的支護(hù)力P一定時(shí)，支架的底板與水平面的存在臨界傾角。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，當(dāng)按照支護(hù)力進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，支架的底板與水平面的傾角θ不得大于臨界傾角；當(dāng)按照支架的底板與水平面的傾角θ進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以得到支架所能提供的最大支護(hù)力，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程狀況進(jìn)行計(jì)算。從式（3）也可以看出，支架的傾倒穩(wěn)定性與支架的自身重力為G，支架的上部支護(hù)力為P，支架與頂板的摩擦系數(shù)為μ，支架的底板與水平面的傾角θ，支架的高度為H，支架的重心高度為h，支架的底板長(zhǎng)度為B有直接關(guān)系，但與支架與底板的摩擦力為f1無(wú)關(guān)，在實(shí)際工程中，為了防止支架傾倒失穩(wěn)，能夠有效控制的手段是支架自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即通過(guò)改變支架的高度H，支架的重心高度h，支架的底板長(zhǎng)度B來(lái)避免支架傾斜失穩(wěn)的發(fā)生，其次也可改良周?chē)馏w特性，增大支架與底板的摩擦系數(shù)μ1。

3.過(guò)陷落柱的主要技術(shù)難題

（1）開(kāi)掘工作面在回采期間常常會(huì)造成頂板陷落柱周?chē)馏w的嚴(yán)重破碎，以及與液壓支架的接觸會(huì)發(fā)生不緊密的情況，在過(guò)陷落柱時(shí)支架頂梁與陷落柱之間無(wú)法進(jìn)行強(qiáng)有效的支護(hù)，此時(shí)會(huì)造成支架所提供的支護(hù)力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因此常常會(huì)發(fā)生支架頂梁的破壞與頂板塌落事故。

（2）陷落柱內(nèi)填充的巖體工程性能較差，硬度低、黏性差、因此在過(guò)陷落柱時(shí)，如果不能采用強(qiáng)有力的有效支護(hù)措施，強(qiáng)行帶壓擦頂通過(guò)，有時(shí)會(huì)造成支架頂梁以及采煤機(jī)等設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞，甚至造成上部巖體的整體塌落事故，對(duì)工作進(jìn)度以及人員安全均有較大影響。

（3）由于陷落柱的存在，導(dǎo)致煤體與陷落柱的交界處的穩(wěn)定性非常差，煤體的剪切破壞十分嚴(yán)重，因此在回采時(shí)會(huì)出現(xiàn)大面積的片幫現(xiàn)象，如果在推進(jìn)過(guò)程中不能采取有效的加固措施，那么可能會(huì)導(dǎo)致工作面長(zhǎng)時(shí)間的無(wú)法推進(jìn)。

4.支架穩(wěn)定性控制措施

通過(guò)對(duì)支架失穩(wěn)的受力分析以及影響因素分析，結(jié)合實(shí)際工程中綜放工作面開(kāi)采條件及支架的實(shí)際情況以及經(jīng)常發(fā)生的工程事故與技術(shù)難題，對(duì)支架穩(wěn)定性的控制措施進(jìn)行了相應(yīng)的總結(jié)。具體的控制措置如下：

（1）在機(jī)組割陷落柱巖體期間，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制采煤機(jī)的牽引速度，不易過(guò)大。可采用割-架拉-架的承壓移架的方式及時(shí)調(diào)整和管理頂板，如果出現(xiàn)支架下陷的情況，要采取相應(yīng)的控制措施，保證在支架下墊柱帽或道木順利拉架，此外在采煤機(jī)割陷落柱石頭時(shí)，還應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際的工程情況及時(shí)補(bǔ)充截齒，安排了專(zhuān)門(mén)人員及時(shí)用水沖前后滾筒，以保證順利推進(jìn)，同時(shí)應(yīng)當(dāng)時(shí)刻注意采煤機(jī)的運(yùn)行狀況和頂板情況，避免采煤機(jī)以及頂板安全問(wèn)題的出現(xiàn)。

（2）嚴(yán)格控制開(kāi)采高度，對(duì)頂板及時(shí)的給予支護(hù)。在割煤過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)將支架和輸送機(jī)依次進(jìn)行移動(dòng)，并在移架完成后迅速的伸縮梁護(hù)頂，防止冒頂現(xiàn)象的發(fā)生；針對(duì)頂板土層的破碎以及大面積的片幫問(wèn)題的出現(xiàn)，為了避免冒頂漏矸問(wèn)題的出現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)及時(shí)地將超前架拉出；若拉出超前架后，梁端距仍然達(dá)不到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，可借助超前采煤機(jī)進(jìn)行移架，防止頂板發(fā)生暴露。

（3）嚴(yán)格地控制支架的間距，充分發(fā)揮側(cè)護(hù)板的價(jià)值。借助于支架的側(cè)護(hù)板，及時(shí)的動(dòng)態(tài)調(diào)整支架的方向和間距，以確保支架在整體上受力均勻，不會(huì)造成過(guò)大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致支架受損，或者造成支架的失穩(wěn)。

（4）提升支護(hù)阻力，帶壓擦頂拉架。在拉架時(shí)應(yīng)當(dāng)按照少降快拉的原則，同時(shí)也要保證泵站壓力能夠使頂板能夠擦著頂板快速向前移動(dòng)，在擦頂后立即拉架，予以空頂及時(shí)支護(hù)，避免移架對(duì)頂板造成較大的破壞。

（5）可適當(dāng)對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。將支架的高度或者重心位置降低，或?qū)⒅Ъ茼敳颗c底板采取摩擦系數(shù)較大的材料，增大頂板與底板與周?chē)鷰r體之間的摩擦力來(lái)增大支架的穩(wěn)定性，可使支架不會(huì)因?yàn)槭芰谢蛘咧車(chē)馏w發(fā)生破壞而輕易發(fā)生失穩(wěn)。

5.結(jié)論

通過(guò)對(duì)支架的受力分析、施工過(guò)程中存在的技術(shù)問(wèn)題以及支架穩(wěn)定性控制措置三個(gè)方面進(jìn)行了探究，得出以下結(jié)論：（1）支架的失穩(wěn)主要存在滑動(dòng)失穩(wěn)和傾倒失穩(wěn)，兩種失穩(wěn)模式的影響因素不同，滑動(dòng)失穩(wěn)可以通過(guò)改變支架與周?chē)馏w的摩擦力進(jìn)行有效控制，傾倒失穩(wěn)可通過(guò)改變支架結(jié)構(gòu)即支架的高度，重心高度，底板長(zhǎng)度來(lái)避免支架傾斜失穩(wěn)的發(fā)生，其次也可改良周?chē)馏w特性，增大支架與底板的摩擦系數(shù)。（2）陷落柱引起的工程問(wèn)題主要在于三方面：①頂板陷落柱周?chē)馏w的嚴(yán)重破碎；②陷落柱內(nèi)填充的巖體工程性能較差，硬度低、黏性差；③煤體與陷落柱的交界處的穩(wěn)定性差。（3）可以通過(guò)控制采煤機(jī)的牽引速度、控制開(kāi)采高度、控制支架的間距、提升支護(hù)阻力、對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化等措施避免支架失穩(wěn)，保證在開(kāi)挖面過(guò)陷落柱時(shí)施工能順利進(jìn)行。