大傾角采煤工作面液壓支架控制頂板及工作面防倒防滑的技術研究

彭世剛

重慶天府礦業有限責任公司三匯二礦，中國·重慶 400700

1 引言

大傾角煤層的形成是地殼不均衡沉降和沖蝕的作用，以及后期構造運動數度褶皺和斷裂運動的結果，因而大傾角煤層賦存和開采條件要比緩斜煤層復雜。

三匯二礦21201 工作面煤層平均傾角為36o，地質構造復雜，構造帶多，煤厚變化頻繁，瓦斯涌出量大屬突出煤層，因而生產能力受到限制。

維護大傾角工作面液壓支架的穩定是一個基本問題，研究工作面設備滑、倒的原因，做到工作面設備的穩定，對于保證工人的安全和提高工作面的生產能力都至關重要。

2 圍巖應力大小和分布情況

2.1 回采工作面周圍支承壓力的分布

煤層開采過程中破壞了原巖應力的平衡狀態，引起應力重新分布。采動影響是維護巷道的主要因素。煤層開采以后，采空區上部巖層重量將向采空區周圍新的支承點轉移，從而在采空區四周形成支撐壓力帶。工作面前方形成超前支承壓力，它隨著工作面推進而向前移動，稱為移動性支承壓力。

2.2 采動引起底板巖層的應力分布

煤層開采引起回采空間周圍巖層應力重新分布，不僅在回采空間周圍煤體（柱）上造成應力集中，還會向底板深部傳遞，在底板巖層一定范圍內應力重新分布，成為影響底板巷道布置和維護的重要因素。底板巖層內任一點的應力，主要取決于上部煤體的載荷與煤柱（體）的垂直距離及該點與煤柱（體）邊緣或中心線的水平距離。它們具有以下規律：

①一側采空煤體及兩側采空，寬度較大的煤柱，作用于煤層上的支承壓力的影響深度約為超前支承壓力影響范圍的1.5～2 倍；兩側采空，寬度較小的煤柱，作用于煤柱上的支承壓力的影響深度為前支承壓力影響范圍的3～4 倍[1]。

②兩側采空，寬度較小的煤柱，底板巖層內同一水平面垂直應力以煤柱中心線處最大。一側采空煤體，底板巖層內同一水平面上垂直應力最大值在煤體下方，距采空區邊緣數米處。兩側已采，寬度較大的煤柱下，底板巖層內同一水平面上以煤柱中心線最小，靠近煤壁邊緣出現峰值。

3 選擇合理的液壓支架控制頂板

支撐掩護式支架具有支撐式支架工作空間寬裕、通風斷面大、行人方便和掩護式支架在破碎頂板條件下受力狀態較好、擋矸性能好等優點。而且頂梁較一般支架長，從而增加了支撐能力，加大了掩護梁坡度，同時改善了支架底座與底板的受力情況，因此應選擇支撐掩護式液壓支架[2]。

3.1 液壓支架

①液壓支架高度選擇。

液壓支架的高度必須適應工作面推進方向煤層厚度的變化。其關系：

Hmax=Mmax-S1Hmin=Mmin-S2-a

其中，Hmax、Hmin為支架的最大和最小高度；

Mmax、為煤層的最大和最小厚度；

S1為支架在最大采高時，前柱處的頂板下沉量；

S2為支架在最小采高時，后柱處的頂板下沉量；

a為支柱的卸載高度，一般取50mm。

②初撐力是液壓支架的一個重要參數。提高支架的初撐力可以減少直接頂的離層，增加頂板的穩定性；提高支架對機道頂板的支撐能力，減少工作面頂板破碎度及煤壁上幫；壓實頂梁上和底座下的浮矸，提高支撐系統剛度；充分利用支架額定支撐能力，減少頂、底板相對移近量；提高初撐力要求使用高壓乳化液泵、高壓軟管及與其相適應的液壓系統和閥件。

③確定合理的工作阻力。

確定支架合理工作阻力的方法主要有4 種：載荷估算法、實測統計法、臨界阻力法以及理論分析法。合理的工作阻力對于維護支架的受力平衡防止支架滑倒及煤壁片幫都有很重要的作用，在實際工作中應認真觀察和分析。

3.2 移架方式對頂板管理的影響

選擇移架方式不僅要考慮移架速度，還要考慮對頂板管理的影響。一般來說，單架依次順序移架雖然速度慢，但卸載面積小，頂板下沉量小，適用于穩定性差的頂板。移架方式可考慮以下幾種方式：

①在某些特定條件下，盡管設備和頂板條件相同。依次順序移架需要經過較長時間支架才能達到額定工作阻力，而分組間隔交錯式移架則能較快地達到額定工作阻力，礦壓顯現比較緩和[3]。

②采用分段依次順序式移架時，由于段與段之間的接合部位在時間上與空間上交叉，導致頂板下沉量疊加，容易造成頂板破碎，煤壁片幫和倒架。

③依次順序移架。在采煤機工作范圍的移架，雖可防止偽頂垮落，但割煤和移架同時進行，懸頂面積劇增，下沉速度快，有可能出現頂板失控事故。

4 大傾角煤層工作面機械設備滑、倒原因分析

綜采工作面設備主要有采煤機、刮板輸送機和支架，當設備所受的摩擦力大于滑力時設備就不會下滑。對于刮板輸送機不下滑的條件是：。其中，G為設備機械重量；α為煤層傾角；f為摩擦因數；即α≤arctgf。

查有關資料,金屬與煤巖的摩擦因數一般在0.35～0.4,如果不考慮其他因素,可以計算出輸送機不下滑的煤層傾角應小于19～22°,當煤層傾角大于19～22°時,刮板運輸機將產生下滑[4]。

同理，對于液壓支架，當支架與頂板接觸不嚴密時，支架不下滑的條件與刮板輸送機相同；當支架與頂板接觸嚴密時，其下滑力由自重和頂板在支架上的力組成(G+Q)sinα。支架摩擦力有兩部分組成，分別是頂板對支架和底板對支架底座的摩擦力，即f×(G+2Qcosα)，則。其中，G為支架重量；Q為頂板壓力；α為煤層傾角；f為摩擦因數。

5 大傾角煤層工作面防倒、防滑的技術措施

5.1 工作面液壓支架的防倒措施

①排頭支架的防倒：在支架前梁設計防倒裝置，3 架1 組，連成一體，形成組架，用大鏈和千斤頂連接。

②工作面中部液壓支架設置斜拉裝置防倒。工作面中部隔幾架使用防倒千斤頂與大鏈使其軟連接，解決中部支架倒架問題。

③減少支架頂梁間隙，促使支架側護板千斤頂、側推彈簧使支架頂梁相互靠近，始終保持足夠扶正力，防止倒架。

④采用單體液壓支柱輔助支撐防倒。把單體支柱下部支在下架的底座上，采用注液槍注液，使上端支在向下傾倒支架頂梁預留的柱窩上，阻止液壓支架在移動過程的倒架。

5.2 工作面刮板輸送機的防滑措施

①在刮板輸送機的傾斜方向間隔適當的距離放置1 根單體支柱，其一端支撐在輸送機的推移板下側，另一端支在下部支架的底座上。

②機頭限位支柱。第一，用2 根單體支柱直接頂住刮板輸送機。單體前端加板木打在機頭大殼上，后端打在正對機頭的巷道下幫實體煤上，直接控制輸送機的下滑。第二在過渡槽緊靠機頭的銷軌上打1 根倒頭戧柱。由于過渡槽與機頭之間為固定連接，這樣就直接控制了機頭。

5.3 工作面回采過程中的管理措施

①下端頭的排頭支架作為其他支架的錨固和導向支點，必須保證處于良好的受力狀態，防止因冒頂使排頭支架喪失錨固和導向作用。先移第二架，然后移第一架，最后移第三架，并且移架時注意要少降快拉，采用帶壓移架，防止排頭支架向下滑移。

②要隨時間調整圍巖運動帶來的支架偏離正確位置的移動量，保持支架正確的空間位置和良好的支護狀態。

③支架推桿同輸送機槽幫在傾斜方向的夾角取87o為宜，這樣既對支架的工作狀態無太大影響，又能較好地阻止輸送機下滑，同時做好工作面防滾矸措施。

6 結語

綜上所述，實現大傾角工作面機械化開采，必須采取一系列措施，才可以保證大傾角工作面配套設備的穩定，實現安全高效回采。

①大傾角煤層受采動影響后圍巖應力大小改變，分布范圍移動，選擇合理的液壓支架控制頂板。

②大傾角采煤工作面工藝情況復雜，各種因素都可能影響支架的穩定性，所以要及時掌握支架的平衡狀態。因此，在工作面的開采過程中，應做好工作面管理與護頂工作，保持支架接頂有力，從而保證支架的穩定性。