急傾斜薄煤層工作面支架穩定性優化研究

徐 鵬

(霍州煤電集團有限責任公司 團柏煤礦，山西 霍州 031400)

急傾斜薄煤層是指傾角大于45°而煤層厚度小于1.3 m的煤層。在我國，急傾斜薄煤層的儲量大約占煤炭總儲量的13%，主要礦區多有分布，其年產量占全國煤炭總產量的5%～8%，并隨著開采強度的增大呈逐年增加趨勢。在我國西部大多地區，由于地質構造的作用，急傾斜煤層分布較為廣泛。在開采急傾斜煤層時，由于工作面底板角度大于45°，支架無法滿足基本的穩定性，常常會出現下滑、傾倒現象[1-3]. 因此，急傾斜煤層的開采方案需要根據礦井煤層的地質構造，針對性地提出技術措施，參考各種影響因素對支架失穩安全系數進行分析，確定合理的采煤方法與回采工藝[4].

1 工程背景

本文選取的研究對象為逢春煤礦S2611工作面。逢春煤礦井田走向全長為3.7 km，寬0.8～2.0 km，總面積約為18 km2. 該工作面水平為+230 m，屬于南一采區工作面，走向全長約為381.5 m，傾斜長約為84.36 m，總面積約為321 82 m2. 工作面標高+393.38～+465.46 m，可開采的平均厚度約為0.93 m，煤層傾角為55°. 基本頂與直接底主要為砂質泥巖，厚度分別為3.38 m、1.56 m，直接頂主要以煤與泥巖為主，厚度約1.03 m，基本底主要以泥灰巖為主，厚度約為1.53 m.

采用綜合機械化采煤法開采S2611工作面時，由于煤層傾角較大，使得頂板分層的水平應力大于垂直應力，影響工作面回采設備的穩定性。并且在大傾角布置工作面時，液壓支架、刮板輸送機、采煤機會在自身重力的作用下，產生平行于布置面的分力，造成下滑、傾倒現象。而支架是整個回采工作面的運行核心，為確保工作面的正常回采，必須對支架失穩現象進行技術優化，并提出相應的防治措施[5-6].

2 支架穩定性分析

2.1 支架受力分析

在研究急傾斜煤層支架的受力狀況時，應當在從單個支架正常工作時，對頂板力、自重力、底板力以及頂底板對支架的摩擦力進行總體分析。受力分析圖見圖1，圖1中忽略了刮板輸送機與采煤機對支架的下拉力。

P—頂板壓力 G—支架自重 N—底板支持力 f2與f1—頂、底板對支架摩擦力圖1 支架失穩力學分析模型圖

2.2 支架下滑失穩力學分析

支架未發生下滑時的極限條件為：

Fkh=f1+f2≥Fh=Gsinθ+Psinθ

(1)

式中：

Fkh—支架發生下滑趨勢時的極限阻力，kN；

Fh—支架下滑力，kN；

θ—煤層的傾角，(°).

已知，支架的下滑安全系數k為：

(2)

其中：

(3)

式中：

μ—支架與底板間的摩擦系數，此處取0.4；

Pz—支架工作阻力[7]，kN.

結合式(2)與式(3)可得：

(4)

為研究各項參數對支架穩定性的影響，分別對各項參數進行賦值。通過改變參數大小，研究支架穩定性與參數之間的相互關系，分別得到4組分析曲線圖，見圖2.

由圖2可知：對支架下滑安全系數影響最大的因素為煤層的傾角，近似為雙曲線形狀，傾角越大則安全系數越??；支架自重與安全系數大致呈現為反比關系，而與工作阻力大致呈現為正比例增長關系；安全系數與頂板壓力之間近似為雙曲線關系，頂板壓力越大則安全系數越小。由于支架工作阻力是4種因素中唯一可控因素，因此可以通過改變支架的工作阻力實現安全系數的提高。對于特定的煤層，傾角與頂板壓力是給定的，若要改變支架的下滑安全系數，需要人為的減輕支架自重，并同時增大支架的工作阻力，可以適當地提高支架的下滑安全系數。

2.3 支架傾倒失穩力學分析

支架未發生傾倒時的邊界條件為[8]：

Mq=cGsinθ+hPsinθ

(5)

式中：

Mq、Mkq—支架發生傾倒時的力矩與阻力矩，kN·m.

已知，支架的傾倒系數λ為：

(6)

式中：

c—支架重心到底座的距離，m；

h—支架高度，m；

b—支架寬度，m.

由式(3)與式(6)可得：

(7)

對式(7)分析，當開采急傾斜薄煤層時，由于厚度較小，在幾何圖形中將支架的重心與幾何中心近似為同一點，即c=h/2. 由此可得式(8)：

(8)

為研究支架傾倒失穩安全系數與各項參數之間的相互關系，對式中各項參數賦值，可以得到圖3所示的5組曲線關系圖。

圖3 支架傾倒安全系數與各項參數之間的關系曲線圖

由圖3可知：支架傾倒安全系數與煤層傾角之間呈現為雙曲線關系，傾角越大則系數越??；與支架自重之間呈現為反比關系，自重越大則系數越小；與工作阻力、架寬成正比關系，工作阻力與架寬越大則系數越大；與頂板壓力之間呈現為雙曲線關系，頂板壓力越大則系數越小。因此，對于給定的煤層，可以適當地增大工作阻力或者降低支架重量，提高支架傾倒安全系數。除此之外，架寬與架高的取值可作為支架選型的依據。

3 采煤方法的選取與支架選型

3.1 S2611工作面采煤方法設計

考慮急傾斜煤層傾角較大，易引發支架的下滑與傾倒失穩。因此，對S2611工作面設計俯偽斜或仰偽斜工作面開采[9].薄煤層采場礦壓顯現一般比較緩和，頂板活動不劇烈，因此礦壓顯現為設計中的次要考慮因素。在回采急傾斜工作面時，需考慮回采煤炭的自溜問題，防止在整個回采工作面中產生飛矸現象。然而，當選取俯偽斜布置工作面，可以使落煤沿著煤壁自溜，既避免了飛矸現象，又能夠利用相鄰架的架間距，使推溜過程中的上竄量與傾角形成的下竄量進行部分抵消，更有利于煤炭的回采[10].因此，采用俯偽斜綜合機械化采煤法布置S2611工作面較為合理。S2611工作面布置圖見圖4，將工作面上、下順槽沿煤層走向布置，通過布置俯偽斜工作面，采用后退式回采方式進行回采。

圖4 S2611工作面布置圖

3.2 S2611工作面支架選型

已知，S2611工作面采用俯偽斜回采時，工作面傾角為51°～57°，煤層傾角為73°，工作面采高1.1 m. 通過對比國內外急傾斜薄煤層綜采液壓支架的應用狀況與適用條件，對該工作面支架進行選型。最終確定ZJY2400/8.5/15.5型液壓支架布置俯偽斜工作面，此型號支架的額定工作阻力為2 400 kN，最小支撐高度為0.85 m，最大支撐高度為1.55 m. 支架主要技術參數見表1.

表1 ZJY2400/8.5/15.5型液壓支架主要技術參數表

將支架參數數據帶入式(1)～(8)，對其進行可行性分析，計算下滑安全系數與傾倒安全系數，可得k=1.23～1.488 > 1，λ=1.093～1.227>1.k>1說明支架下滑阻力大于下滑力；λ>1說明支架傾倒阻力矩大于傾倒力矩。因此，k>1且λ>1支架保持穩定，不會發生下滑和傾倒。由此可知，采用ZJY2400/8.5/15.5型液壓支架布置俯偽斜工作面有較高的穩定性，有效地解決了支架的下滑與傾倒問題。

4 工作面支架防滑、防倒控制技術

通過上述分析可以發現，ZJY2400/8.5/15.5型液壓支架在急傾斜薄煤層的俯偽斜開采中具備較高的可行性，能夠高效率地解決實際工程問題。但是在實際應用中仍然存在著一些問題，例如對于一些有冒頂傾向，或者底板滲水情況的特定工作面，會改變支架的受力大小，對支架穩定性造成影響。因此，針對這種情形，應當對支架采取相應的防倒防滑技術措施：

1) 在支架頂梁處安裝平拉式防倒裝置，將防滑千斤頂的兩頭連接至相鄰架的頂梁處，可通過千斤頂實現調架與防倒作用。

2) 在相鄰架底座前后部安裝前、后防滑裝置，將防滑千斤頂的兩頭連接至底座套筒內的轉軸處，實現底座的防滑控制。

3) 在支架頂梁與掩護梁處設計互不搭接的活動側護板，通過千斤頂對其進行控制，可以實現頂梁與側護板的單獨、成組動作。

4) 在支架底座處設計底調裝置，按照回采時的具體要求，實現支架的前調、后調以及整體調整控制。

通過對逢春煤礦S2611工作面ZJY2400/8.5/15.5型急傾斜液壓支架以及防倒防滑技術措施的應用效果來看，該方案有效解決了支架的技術難題，避免了工作面頂底板事故的發生。自2016年11月起，工作面順利推進280 m，回采效率提高了近3.6倍。并且在回采過程中，綜采設備的各項性能與參數均未發生異常，基本滿足薄煤層回采的技術要求。

5 結 論

1) 通過對支架進行下滑、傾倒失穩力學分析，得到了各項參數對支架下滑與傾倒的相互關系。煤層傾角越大、支架自重越大以及頂板壓力越大，都會不同程度地增大支架失穩的可能。此外，支架的寬高比越大，則支架穩定性越高，由此選取ZJY2400/8.5/15.5型液壓支架布置俯偽斜工作面，將其帶入分析，可得支架下滑、傾倒的安全系數皆大于1，由此驗證了該型號支架的可靠性與有效性，能夠滿足急傾斜薄煤層的開采要求。

2) 為解決特定工作環境對支架受力的影響，提出了支架防倒防滑技術措施，即通過添加防倒、防滑裝置、活動側護板以及底調裝置增大支架安全系數。在S2611工作面采用該方案大幅度提高了支架的穩定性，在整個回采過程中，未發生頂底板事故，有效地提高了回采過程的安全性與穩定性。