大傾角綜采工作面設(shè)備穩(wěn)裝技術(shù)研究

曹海龍

（大同煤礦集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司，山西 大同 037024）

1 概況

永定莊煤業(yè)公司石炭系山4#層8106 大傾角綜采工作面走向長度1100 m，傾斜長度151.4 m，煤層厚度0.9～2.8 m，平均厚度2.4 m，煤層硬度F=2～3。直接頂為泥巖、粉砂巖，厚度1.59 m；老頂厚度5.8 m；直接底為泥巖、粉砂巖，厚度5.79 m。由切巷往外，煤層有90 m 長、傾角為16°的下坡段（煤層傾角1～16°，平均7°）。工作面主要設(shè)備包括MG700 采煤機(jī)，SGB-764/400 刮板輸送機(jī)，ZZS5600-1.4/2.8 型液壓支架。其中，工作面切巷寬6 m、高2.6 m，運(yùn)輸順槽斷面寬3.2 m、高2.6 m，皮帶順槽斷面寬4.6 m、高2.6 m。工作面切巷及兩順槽支護(hù)形式均采取錨栓加錨索加頂網(wǎng)的聯(lián)合支護(hù)方式。

在綜采機(jī)械正常工作時，掘進(jìn)皮帶順槽及回風(fēng)順槽割到950 m 左右時煤層傾角向上傾斜，由最初的3～5°逐漸增大，且角度增長速率逐漸加快。在煤層接近露頭邊緣，該工作面最終切巷布置在煤層傾角為16°處。在開采時，當(dāng)采煤機(jī)沿90 m 長、大傾角斜坡方向開采時，工作面中綜采設(shè)備易出現(xiàn)下滑現(xiàn)象，嚴(yán)重影響正常開采[1-2]。因此為了保證工作面采煤工作的順利進(jìn)行，需對大傾角綜采工作面易出現(xiàn)的問題與設(shè)備穩(wěn)裝進(jìn)行分析和研究。

2 大傾角工作面采煤機(jī)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

采煤機(jī)在大傾角工作面運(yùn)行與正常工作面有較大不同。當(dāng)采煤機(jī)沿煤層傾斜方向工作時，其機(jī)身也相應(yīng)傾斜。此時，采煤機(jī)在克服截割阻力的同時還需克服重力，否則采煤機(jī)將出現(xiàn)下滑現(xiàn)象。由于工作面傾斜，采煤機(jī)的懸臂式結(jié)構(gòu)較難保持自身的平衡，尤其是當(dāng)采煤機(jī)在回采時更易出現(xiàn)機(jī)身失穩(wěn)，導(dǎo)致采煤機(jī)向前傾倒[3]，如圖1 所示。圖中，G 為采煤機(jī)的自身重力，F(xiàn)f為采煤機(jī)向上運(yùn)動時所受摩擦阻力，N1、N2為采煤機(jī)前后滾筒截割阻力，F(xiàn)N為采煤機(jī)的支撐力，F(xiàn) 為采煤機(jī)的牽引力。

圖1 采煤機(jī)上行時受力分析

采煤機(jī)在大傾角工作面穩(wěn)定工作所要滿足的條件為：

其中，摩擦阻力為：

從式（1）與式（2）中可以看出，若要采煤機(jī)保持穩(wěn)定割煤、不下滑，可通過減小截割滾筒截割阻力、增大牽引力等方面實現(xiàn)，而截割滾筒的單齒平均截割阻力[4]可以表示為：

式中：Ka為煤層阻力的相關(guān)系數(shù)，bp為截齒工作部分計算寬度，f '為抗切削阻力系數(shù)，Kψ為煤的脆性影響系數(shù)，h 為截割滾筒的瞬時切削厚度。

而其中截割滾筒平均切削厚度可表示為：

式中：Vq為電機(jī)的牽引速度，n 為截割滾筒轉(zhuǎn)速。

從單齒截割阻力可以看出，減小牽引速度，增大截割滾筒轉(zhuǎn)速可以減小截割阻力。但在實際情況中，截割滾筒轉(zhuǎn)速由定速交流異步電機(jī)控制，不易改變，故可通過改變牽引速度改變截割阻力。在永定莊煤礦的實際使用中得到，采煤機(jī)的牽引速度應(yīng)保持在2～3 m/min 以內(nèi)，且應(yīng)使?fàn)恳俣缺３址€(wěn)定。另外，合理控制采煤機(jī)的剎底量同樣可增加采煤機(jī)穩(wěn)定性。通過俯斜工作面坡度可計算得到，當(dāng)采煤機(jī)自尾部截煤與頭部截煤時，下剎量有所不同，分別向下剎120 mm 與135 mm。

3 大傾角工作面綜采設(shè)備的穩(wěn)裝處理

當(dāng)工作面切巷在16°大傾角斜坡上時，工作面液壓支架、刮板運(yùn)輸機(jī)、裝載機(jī)、皮帶運(yùn)輸機(jī)在穩(wěn)裝與開采時可能會出現(xiàn)向下滑動現(xiàn)象。若液壓支柱向傾斜方向偏斜2～3°，支架的重心位置發(fā)生改變，又將導(dǎo)致支架向傾斜方向繼續(xù)偏斜。在各種因素的影響下，斜坡上刮板輸送機(jī)沿斜坡方向向下打滑移動現(xiàn)象將加劇。液壓支架與刮板輸送機(jī)相互連接，刮板輸送機(jī)的下滑必將導(dǎo)致液壓支架的偏移。因此，為保障工作面回采的順利進(jìn)行，需對綜采機(jī)械設(shè)備進(jìn)行穩(wěn)裝處理。

（1）液壓支架的防倒防滑

為提高液壓支架的穩(wěn)定性，支架穩(wěn)裝時需在每架后部用鏈條與地環(huán)緊密連接。正常開采時，支架與地環(huán)需分離開來，合理設(shè)置剎方木增加摩擦力。其次，當(dāng)圍巖運(yùn)動改變支架的姿態(tài)時，通過隨時改變支架的偏移量保證支架的支撐狀態(tài)。當(dāng)支架向前移架時，全程需一次完成。為防止支架在斜坡推進(jìn)時中部支架互相絞擠，在每一架主頂梁下戧一根角度為65°的采用遠(yuǎn)距離液壓控制閥控制的液壓缸，并且在每兩架之間用牢固可靠的防倒鏈連接。

在實際工況中，支架與圍巖之間相互作用[5]。“支架-圍巖”相互作用體系由“老頂-直接頂-支架-底板”組成，其中，支架的支護(hù)性能與工作狀態(tài)與圍巖的運(yùn)動狀態(tài)息息相關(guān)，與此同時，支架的工作性能同樣會影響圍巖穩(wěn)定性。因此把“支架-圍巖”看作為一個互相作用的力學(xué)系統(tǒng)，合理調(diào)節(jié)“支架-圍巖”之間的力學(xué)關(guān)系，是保證大傾角煤層安全開采的關(guān)鍵一環(huán)。

（2）刮板輸送機(jī)的防滑處理

首先通過防滑千斤頂將刮板輸送機(jī)與支架連接抑制溜槽立起現(xiàn)象。其次，為防止刮板輸送機(jī)的滑動，利用大鏈將機(jī)頭、機(jī)尾與地環(huán)緊密連接。在推移輸送機(jī)時從下端到上端依次推移，確保頭部和尾部錨固裝置一端緊固，斷開端需在推移完成后及時緊固。

（3）順槽轉(zhuǎn)載機(jī)、皮帶的防滑處理

在轉(zhuǎn)載機(jī)尾部兩側(cè)每隔3 m 分別打一組地環(huán)并用鋼絲繩固定，利用地環(huán)將破碎機(jī)底部固定，利用千斤頂?shù)纳炜s帶動轉(zhuǎn)載機(jī)行走。皮帶機(jī)的固定與轉(zhuǎn)載機(jī)類似。

（4）上下端頭、兩巷超前維護(hù)段的管理

俯斜工作面上下端頭、兩巷超前維護(hù)段的底板設(shè)置成臺階水平式后再支單體，頂梁上焊接16°的鐵楔，與頂板嚴(yán)密接觸。與此同時，上下端頭、兩巷單體支柱迎山支設(shè)，若防倒防墜齊全可靠，上下端頭支撐力達(dá)到90 kN，兩巷超前支護(hù)支撐力達(dá)到50 kN。

通過對工作面“三機(jī)”及順槽設(shè)備安裝防滑防倒設(shè)施并加強(qiáng)對工作面頂板的管理，該大傾角工作面在斜坡上從開采到結(jié)束共計28 d，安全順利開采大傾角工作面斜坡90 m 煤層，防滑防倒設(shè)施效果良好，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，非常適用于井下大傾角煤層的回采工作面開采。

4 結(jié)束語

隨著煤炭資源的開發(fā)與利用，我國北方礦區(qū)大傾角工作面將越來越多。針對大傾角綜采工作面中綜采機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)滑動、傾倒，無法正常工作等問題，通過對采煤機(jī)與綜采設(shè)備進(jìn)行受力分析與穩(wěn)裝處理，確保了大傾角綜采工作面割煤、運(yùn)煤、移架、推溜工作的順利進(jìn)行。