俯伪斜工作面支架稳定性分析及控制技术

李文树，房 局，曹树刚，黄昌文，张晓波

(1.重庆能源投资集团，重庆 401121；2.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044；3.重庆大学资源及环境科学学院，重庆 400044；4.重庆能源投资集团科技有限责任公司，重庆 400061)

俯伪斜工作面支架稳定性分析及控制技术

李文树1，房 局2，3，曹树刚2，3，黄昌文4，张晓波4

(1.重庆能源投资集团，重庆 401121；2.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044；3.重庆大学资源及环境科学学院，重庆 400044；4.重庆能源投资集团科技有限责任公司，重庆 400061)

本文针对重庆地区逢春煤矿S2611急倾斜薄煤层工作面开采难题，建立了工作面支架下滑、倾倒的失稳模型，分析了煤层倾角、支架自重、工作阻力等影响因素与支架下滑、倾倒安全系数之间的关系。以此提出了采用俯伪斜布置的走向长壁综合机械化采煤法，并研制了适用于这种开采条件的ZJY2400/8.5/15.5型液压支架，计算得到ZJY2400/8.5/15型液压支架的下滑、倾倒安全系数均大于1。在此基础上，提出了在支架顶梁上安装防倒装置，在支架底座上安装防滑装置，在支架顶梁和掩护梁上安装活动侧护板，在支架底座上侧安装底调装置及改变支架的移架方式等技术措施，可以防止工作面生产过程中支架下滑和倾倒，有利于提高工作面支架的整体稳定性。

急倾斜薄煤层；俯伪斜；支架稳定性；下滑、倾倒安全系数

急倾斜煤层是指赋存倾角大于45°的煤层，我国急倾斜煤层的储量大约占煤炭总储量的17%，其年产量仅占全国煤炭总产量的3%[1-2]。近年来随着矿井开采强度的增加，部分地区优质煤炭资源迅速枯竭，为保证矿井的可持续发展，越来越多的矿区不得不考虑急倾斜薄煤层的开采。特别是我国西部地区，经济发展相对落后，煤炭资源的开采一直是其经济来源的重要组成部分。然而，由于煤层倾角大，在回采过程中存在着支架下滑、倾倒等技术难题[3]，基于此，国内外学者进行了深入的研究，并取得了一定的科研成果。如伍永平等[4]提出了支架下滑、倾倒稳定性指数，并分析了自由、初撑、工作三种状态下影响大倾角综采支架稳定性的因素；章之燕[5]分析了大倾角综放开采支架的受力状态与围岩的关系，提出了防止支架下滑、倾倒的技术措施；张东升等[6]分别从煤层倾向和走向方向对工作面特殊开采时期支架稳定性进行了力学分析，提出了一系列防止支架下滑、倾倒的技术措施。曹树刚等[7]根据四川省某煤矿急倾斜煤层综合机械化开采工作面试验条件，结合工作面支架的支护阻力观测结果，探讨了工作面液压支架对煤层松软、底板存在软分层和工作面中部存在斜交断层等复杂因素影响的适应性。

1 S2611工作面概况

逢春煤矿位于松藻矿区南东部。井田南北走向长3.7 km，东西宽0.8～2.0 km，水平面积约18.0 km2。S2611工作面位于+230 m水平南一采区，其走向长度381.49 m，倾斜长度84.36 m，回采面积32 182 m2，回采储量59 384 t。工作面标高为+393.38～+465.46 m，开采平均厚度0.93 m、倾角为55°的M6-3#煤层。老顶为厚度3.38 m的砂质泥岩，直接顶为厚度1.03 m的M6-2煤层、泥岩，直接底为厚度1.56 m的砂质泥岩，老底为厚度1.53 m的泥灰岩。

急倾斜薄煤层采用综合机械化开采时，由于工作面顶板承受平行层面的分力大于垂直层面的分力，导致设备稳定性差，容易倾倒。此外，受重力影响，液压支架、刮板输送机、采煤机等设备自重的下向分力较大，使设备容易下滑。尤其是液压支架对整个工作面配套设备起到“锚固”作用，是工作面设备稳定运行的核心。因此，需要对工作面液压支架稳定性进行分析并制定合理的防滑防倒技术措施。

2 S2611工作面支架稳定性分析

2.1 急倾斜工作面支架受力分析

单个液压支架在工作状态下，除了受支架自重G和顶板压力P外，还受到底板对支架的支持力N，底板对支架底座的摩擦力f1，顶板对支架顶梁的摩擦力f2。其中，急倾斜煤层的顶板是沿一条接近重力方向的曲线运动[8]，本文将其作用方向近似为重力方向。设支架的高度为h，宽度为b，支架重心到支架底座的距离为c。在对工作面单个液压支架进行受力分析时，为了推导方便，忽略工作面输送机、采煤机对支架的下拉力，以及邻近支架之间的挤靠力影响和垮落矸石对支架尾部和尾部护板的压力作用。支架的受力情况如图1所示。

图1 工作状态下支架失稳模型

2.2 支架下滑失稳力学分析

支架不发生下滑的条件，见式(1)。

(1)

式中：Fkh为支架下滑的阻力；Fh为支架下滑力；θ为煤层倾角。

(2)

其中

(3)

式中：Pz为支架的工作阻力；μ为支架与顶底板之间的摩擦系数，工作面液压支架与煤层顶底板之间的摩擦系数多在0.15～0.45之间[9]。因为急倾斜煤层的顶底板岩层一般为泥岩、页岩或者砂质泥岩等中等稳定、不稳定岩层，岩层表面比较粗糙，且开采薄煤层时又常常需要切割部分底板岩层，故摩擦系数可取0.4。

联立式(2)和式(3)，得式(4)。

(4)

为研究式(4)中各参数对支架下滑安全系数的影响，对式(4)中各参数分别赋值，形成各参数与k的关系曲线，如图2所示。可以发现：煤层倾角对支架的下滑安全系数影响显著，近似呈双曲线的函数关系，且下滑安全系数随着煤层倾角的增大而减小；支架的下滑安全系数与支架自重呈反比关系，与工作阻力呈正比关系，且改变工作阻力的大小对支架下滑稳定性影响显著；工作状态下支架下滑安全系数与顶板压力近似呈双曲线函数关系，且随着顶板压力的增加而减小，说明支架上部载荷显著影响支架的下滑稳定性。对于特定的地质条件，煤层倾角是客观存在的。因此，通过适当减轻支架的重量和增加支架的工作阻力，能有效地保证急倾斜煤层工作面支架的稳定。

图2 下滑安全系数与影响因素关系曲线

2.3 支架倾倒失稳力学分析

支架不发生倾倒的条件，见式(5)。

=cGsinθ+hPsinθ

(5)

式中：Mkq为支架的倾倒阻力矩；Mq为支架的倾倒力矩。

(6)

联立式(6)和式(3)，得式(7)。

(7)

在急倾斜薄煤层开采中，由于煤层比较薄，可以近似地认为支架的重心与支架的几何中心重合，故取c=h/2。在此设支架的宽高比为η，则式(7)就可以转化为式(8)。

(8)

为研究式(8)中各参数对支架倾倒安全系数的影响，对式(8)中各参数分别赋值，形成各参数与λ的关系曲线，如图3所示。可以发现：煤层倾角影响支架的倾倒安全系数，近似呈双曲线的函数关系，且倾倒安全系数随着煤层倾角的增大而减小；支架的倾倒安全系数与支架自重呈反比关系，与支架的工作阻力、支架的宽高比呈正比关系，改变工作阻力的大小、支架宽高比对支架倾倒稳定性影响显著；工作状态下支架倾倒安全系数与顶板压力近似呈双曲线关系，且随着顶板压力的增加而减小，说明支架上部载荷显著影响支架的倾倒稳定性。因此，通过适当减轻支架的重量和增加支架的工作阻力，能有效地增加急倾斜煤层工作面支架防止倾倒的能力。同时，在支架设计或者选型时，支架的宽高比也要作为一个重要的因素来考虑。

3 S2611工作面采煤方法选择和支架选型

3.1 S2611工作面采煤方法选择

急倾斜工作面沿煤层真倾角方向布置时，由于煤层倾角过大，在工作面推移输送机和移架(尤其是输送机)过程中会产生下窜，给工作面回采带来困难。为此，急倾斜长壁工作面可以呈仰伪斜或俯伪斜布置。此时的最主要问题是工作面采出的煤炭沿煤层底板向下自溜容易在整个采场空间内形成飞矸，对工作面设备和人员造成较大安全威胁。而采用俯伪斜布置方式，一方面工作面煤炭会沿煤壁自溜，可减小对工作面设备的损坏和人员的伤害；另一方面，还可以充分利用相邻支架的空间错距关系，使工作面移架推溜过程中产生的上窜量和因煤层倾角影响产生的下窜量相互抵消，有利于解决急倾斜工作面移架推溜过程中设备下滑难题。所以，最终确定适用于逢春煤矿S2611工作面的采煤方法为急倾斜薄煤层俯伪斜综合机械化采煤方法，即沿煤层走向在采场的上部、下部分别布置上顺槽和下顺槽，沿俯伪斜方向布置切割巷贯通上下顺槽形成工作面，沿走向推进，后退式开采，工作面巷道布置方式如图4所示。

图3 倾倒安全系数与影响因素关系曲线

3.2 S2611工作面支架选型

S2611工作面俯伪斜角度为51.57°，层面角73°，平均开采高度为1.1 m。通过对国内外急倾斜薄煤层综采液压支架及高产高效开采方法的深入研究，并根据逢春煤矿具体地质生产条件，确定液压支架额定工作阻力为2 400 kN，支撑高度为0.85～1.55 m。为此，松藻煤电有限公司、山东矿机集团股份有限公司等单位合作研制了型号为ZJY2400/8.5/15.5的新型液压支架，其主要技术参数如表1所示。

图4 S2611工作面布置方式示意图

主要技术参数数值高度850～1550mm适应采高1100～1300mm支架宽度1420～1680mm支架中心距1560mm支护强度0.38～0.43MPa前端比压0.46～0.56MPa初撑力1978kN(31.5MPa)额定工作阻力2400kN(38.2MPa)推移步距610mm泵站压力31.5MPa重 量9.2t

将ZJY2400/8.5/15.5型液压支架的初撑力、额定工作阻力、支架自重等技术参数代入式(1)～(8)进行支架稳定性分析，计算得出支架的防滑安全系数k=1.23～1.488>1，防倒安全系数λ=1.093～1.227>1。因此，在正常的工况下，支架不会发生失稳，说明ZJY2400/8.5/15.5型液压支架对急倾斜薄煤层俯伪斜工作面有很好的适用性。

4 急倾斜薄煤层俯伪斜工作面支架防滑、防倒控制技术

结合上述理论分析来看，逢春煤矿研制的ZJY2400/8.5/15.5型液压支架能很好地适用于急倾斜薄煤层俯伪斜综采工作面的安全生产。但是，在实际工程应用中还存在其它不安全因素，如冒顶、底板破坏滑移、底板渗水等情况都会影响支架的稳定性。所以，还必须采取如下的防倒防滑技术措施。

1)工作面支架要安装防倒防滑装置。支架顶梁设防倒装置，采用平拉式结构，防倒千斤顶两端通过连接头与相邻两支架的顶梁相连，通过防倒千斤顶的拉力来实现防倒和调架；支架底座设前防滑、后防滑装置，分别安设于相邻两支架底座的前部和后部，防滑千斤顶两端分别连接于两支架底座套筒内的转轴上，利用千斤顶的推拉来实现调架，防止底座下滑。

2)在工作面支架顶梁和掩护梁上安装互不搭接的活动侧护板，由侧推千斤顶分别控制，实现对顶梁和掩护梁侧护板的单独动作和同时动作；同时，在支架底座上侧安装底调装置，由前、后调架千斤顶分别控制，可根据需要实现对支架的前调、后调和整体调整等多种功能性动作。支架顶梁、掩护梁上活动侧护板与底座上的底调装置配合使用，能显著提高对支架前调、后调及整体调架的能力。

3)由于工作面采用俯伪斜走向长壁布置，煤层倾角大，因此，支架在移架过程中必须保证下部支架对所移支架有足够的支撑力，避免被移支架下滑或倾倒；同时，由于相邻支架间尾部有一定错距，支架后方采空区有矸石堆积，采取由下往上的移架方式，可避免采空区矸石窜入支架内部。其中，为了保证第一架支架不下滑，先拉第二架或第三架支架，再拉第一架支架，再依次由下往上顺序拉架。

逢春煤矿S2611急倾斜综采工作面于2015年11月开始试采，2016年1月正式回采。ZJY2400/8.5/15.5型急倾斜液压支架的使用，有效地起到了对工作面顶底板的防护作用，工作面回采期间无顶底板事故发生。防倒、防滑技术的使用成功的解决了工作面设备倾倒和下滑问题，回采期间无安全事故发生。截至2016年12月底，工作面共推进280 m，平均月产量8 000 t，最高日进度2.4 m，最高旬进度19 m，最高月进度55 m，回采工效由原来的2.2 t/工提高到8 t/工。回采期间，工作面主要设备性能、参数均达到技术要求，成功实现了急倾斜薄煤层俯伪斜综合机械化开采。

5 结 论

通过上述对支架稳定性因素以及稳定性控制技术的研究，得到如下主要结论。

1)通过对急倾斜工作面液压支架稳定性分析得知，支架下滑、倾倒安全系数与煤层倾角呈双曲线的函数关系，且随着煤层倾角的增大而减小；支架下滑、倾倒安全系数与支架自重呈反比关系，与支架工作阻力呈正比关系；支架下滑、倾倒安全系数与支架所支撑的上覆岩重呈双曲线函数关系，随着上覆岩重的增加而显著减小；支架的倾倒安全系数与支架的宽高比呈正比关系，所以在倾斜薄煤层工作面支架的选型时，宽高比也要作为一个重要因素来考虑。另外，通过计算得出，在正常的工作情况下ZJY2400/8.5/15.5型液压支架的下滑、倾倒安全系数大于1，说明新研制的支架对急倾斜薄煤层俯伪斜工作面生产条件有很好的适应性。

2)通过在支架顶梁上安装防倒装置、支架底座上安装防滑装置、支架顶梁和掩护梁上安装活动侧护板、支架底座上侧安装底调装置及改变工作面支架移架方式等技术措施，也可以有效地防止急倾斜薄煤层俯伪斜工作面生产过程中支架下滑和倾倒，大幅提高了工作面支架的整体稳定性。通过现场生产实践，S2611工作面在保证工作面支架稳定的基础上，实现了急倾斜薄煤层安全、稳定、高效的生产，为以后类似条件下工作面的开采提供了理论和现实依据。

[1] 段红民，胡喜明，巫仕振.薄及中厚急倾斜煤层采煤方法优化研究[J].煤炭科学技术，2008，36(2)：16-22.

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[5] 章之燕.大倾角综放液压支架稳定性动态分析和防倒防滑措施[J].煤炭学报，2007，32(7)：705-709.

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[8] 陈炎光，钱鸣高.中国煤矿采场围岩控制[M].徐州：中国矿业大学出版社.1994.

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Stability analysis of powered support and its control technology in pitching oblique working face

LI Wenshu1，FANG Ju2，3，CAO Shugang2，3，HUANG Changwen4，ZHANG Xiaobo4

(1.Chongqing Energy Investment Group，Chingqing 401121，China；2.State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control，Chongqing University，Chongqing 400044，China；3.College of Resource and Environmental Science，Chongqing University，Chongqing 400044，China；4.Chongqing Energy Investment Group Science & Technology Co.，Ltd.，Chongqing 400061，China )

Aiming at the mining problems of S2611 steep seam working face in Fengchun coal mine in Chongqing，the relationship between the factors such as coal seam inclination，support weight，working resistance and the support slipping，dumping safety coefficient is analyzed by establishing working face support instability model.The oblique arrangement of mechanized longwall mining method is put forward，and the ZJY2400/8.5/15 type hydraulic support which is suitable for the mining conditions is developed.And calculate the ZJY2400/8.5/15.5 type hydraulic support slipping，dumping safety coefficient is more than 1.On this basis，it is proposed to install antiskid device on the set collar，install tilting prevention device on support base，install side protecting plate on support set collar and caving shield，install the bottom adjustment device upside the support base，change the support frame transfer method and other technical measures to prevent the support from slipping and dumping for improving the overall stability of the working face supports.

steeply inclined thin coal seam；pitching oblique；support stability；slipping and dumping safety coefficient

2016-12-05

国家自然科学基金项目资助(编号：51474039；51404046)；重庆市前沿与应用基础研究一般项目资助(编号：cstc2015jcyjA90019)；教育部留学回国人员科研启动基金项目资助

房局(1988-)，男，汉族，河南夏邑人，硕士研究生，重庆大学矿业工程专业，主要从事矿山压力与岩层控制方面的研究工作，E-mail：ju.fang@cqu.edu.cn。

TD355.45

A

1004-4051(2017)05-0132-05