大傾角綜放工作面支架穩定性控制研究

邢鵬亮

（晉能控股煤業集團北辛窯煤業有限公司，山西 忻州 036700）

引言

由于大傾角綜放工作面支架的受力情況與近水平工作面正常開采時期存在很大差異，控制好支架穩定性是大傾角工作面回采中的關鍵技術。大傾角工作面在大傾角條件下支架會受到頂板較大的側向應力作用，從而大大降低支架穩定性。在生產實踐中，通過采用各種防倒滑措施，有效地防止移架過程中發生傾倒，大幅度提高工作面支架的整體穩定性，并對支架底座柱窩進行了優化設計，保證了大傾角工作面液壓支架的支護安全，實現了大傾角工作面的安全高效開采。

1 8102工作面概況

北辛窯礦8102綜放工作面位于一采區，標高1 003.5～1 100.5 m，2102運輸順槽走向長度854 m，5102回風順槽走向長度548 m，傾向長度165 m，工作面長161.6 m，煤層平均傾角20°，面積57 869 m2，西鄰+1040回風巷[1-2]。8102工作面兩條順槽呈近東西方向布置，切眼呈近南北方向布置，北部與8103工作面之間僅留設8 m煤柱。8102工作面老頂或直接頂為中粗砂巖，厚度為1.1~4.5 m。

2 采煤方法及回采設備

8102綜放工作面采用單一走向長壁后退式綜合機械化放頂煤開采方法，采空區頂板全部跨落法開采。采用SL500AC型采煤機落煤、裝煤，SGZ1000/2100型前部刮板輸送機和SGZ1250/2100型后部刮板輸送機運煤，ZFQ13000/25/38型低位放頂煤支架支護頂煤、頂板，采煤機截深為0.8 m，采高為3.3 m，放煤高度2.62 m，采放比約為1∶0.8，按兩采一放的正規循環作業，放煤步距為1.6 m。

3 支架穩定性分析

3.1 支架傾倒分析

大傾角綜放工作面支架在工作時，在自重G、支護初撐力N1、底板反作用力N2、頂板受壓合力N、相鄰支架之間的擠靠力F1、F2的一同作用下達到了平衡[3-4]，如圖1所示。如果支架的平衡被破壞，那么支架所受合力作用點偏出底座，此時支架會失穩。支架失穩傾覆的瞬間，底板反力N2作用于0處，根據力矩極限平衡條件可得：Gb=（F1-F2）H+（Hsinα-cosα）N，支架臨界傾倒角α的計算公式：b=cosα-Hgsinα，式中：b為支架自重作用方向與支架底座下邊緣的水平距離，取0.11 m；H為支架高度，取2.8 m；B為支架底座的寬度，取1.75 m；Hg為重心高度，取1.5 m。由公式可知，b與Hg成反比，b與B成正比，b與成反比。根據倒角公式，代入數值可得8102大傾角工作面支架極限倒角大約為26.6°，考慮存在一定的安全系數后，認為支架傾角在27°以上時工作面支架易出現傾倒現象。

圖1 支架工作時受力分析圖

3.2 支架下滑分析

支架在拉移過程中是否會發生下滑，主要由支架的下滑力與支架摩擦力的大小來判斷。若支架的下滑力大于支架本身所受的摩擦力，支架便會發生下滑現象，相反則不會。支架發生下滑示意圖，如圖2所示，假定支架自身受到的力為T，支架自身的滑動摩擦系數為μ，于是得到支架不下滑的條件是：Tsinα

圖2 支架下滑極限示意圖（單位：mm）

3.3 支架下滑、傾倒影響因素分析

1）工作阻力與初撐力。當支架接頂不充分或不接頂時，支架無初撐力、阻力，處于平衡自然狀態，當支架倒角大于臨界值后，支架便會發生下滑。

2）煤層傾角。煤層傾角是影響支架下滑、傾倒的一個非常重要因素，煤層傾角越大，支架就越容易發生下滑、傾倒。

3）支架支護高度與寬度。在大傾角綜放工作面中，支架的高度大，寬度就小，支架發生傾倒的概率就越大，相反發生傾倒的概率就越小。

4）支架的重量。支架的自身重量越大，支架自身的重心就越高，就越容易下滑及傾倒。

4 支架下滑、傾倒控制技術

4.1 調整歪斜支架

發現歪斜的支架，要立即進行調整，達到支架保持與工作面輸送機持續垂直狀態。

4.2 將頭部過渡支架牽引一體

應用圓環連接斜拉千斤頂裝置，使得排頭過渡支架形成相互牽引一個結構，將每一架支架的一端分別連接在其上方支架的底座上，另一端連接在下方支架的頂梁上，形成一個牽引整體。

4.3 改變支架拉移順序

保證溜頭側第一架支架與底板接觸要平整，減緩支架的滑移量，移動支架的時侯務必首先要調整好支架的方向與角度，將防滑千斤頂收縮到位，再移動支架升緊，把它作為基準支架，依次由下向上拉移支架。在移動機頭支架時，首先移動2號支架，再移動1號支架，之后移動3號、4號支架，剩下的支架移架都是按照每5～10組一段支架進行上行移架，所有段支架移架順序與拉移機頭支架的順序一致[5]。

4.4 減少調采頻次

一定要盡量減少工作面的調采頻次。尤為反復進行調采，這樣做的后果是工作面支架擠咬、傾倒的次數增加。

4.5 重視支架支護狀態

工作面在割煤生產的過程中，要非常重視支架的調整支護狀態，待到發現支架存在有傾倒跡象時，再進行調架已經來不及了。

4.6 加強工作面頂板管理

遇工作面頂板破碎時，工作面頂板應進行鋪金屬護頂，情況特殊時還應進行超前的人工支護措施等，避免支架發生擠咬、傾倒。

4.7 對支架柱窩進行優化設計

將原有液壓支架柱窩的鐵板墊塊尺寸及固定鐵板銷軸進行優化設計，原有的墊塊厚度為3 cm，如圖3所示，無法滿足支柱固定鐵板的穩固性，改進是將柱窩固定鐵板的墊塊加厚到5 cm，原來固定鐵板的銷軸改為用螺栓代替，如圖4、圖5所示。有效防止了立柱底部因拉架抬起，提高了快速移架，保證了支護安全。

圖3 固定液壓支架立柱底座鐵板的墊塊

圖4 原固定液壓支架立柱底座鐵板的銷軸

圖5 改進后固定液壓支架立柱底座鐵板的螺栓

5 結語

大傾角煤層開采，根據北辛窯礦8102工作面實際情況，采取有效的措施，及時控制住了支架傾倒下滑，提高了開采時支架的穩定性，防止了架間相互擠、咬現象發生，確保了安全生產。加快了工作面推采速度，增加原煤產量，創造客觀的經濟效益，同時提高了工作效率，增加了安全系數，保證了綜放工作面的安全生產。