大倾角中厚煤层综采支架稳定性分析及控制措施

荆志星

(沈阳焦煤鸡西盛隆矿业有限责任公司鸡东煤矿， 黑龙江 鸡西 158100)

1 前言

随着煤炭开采强度的加大，埋深浅、地质条件优异的缓斜、近水平煤层资源量逐渐降低，部分矿区逐渐开始大倾角煤层开采。展开对大倾角煤层综采理论、技术研究是大倾角煤层开采迫切需求[1]。相对于近水平、缓斜煤层，大倾角煤层由于倾角大，造成综采设备沿着推进方向的切向分量增加，法向分量降低，造成液压支架支撑力、顶底板施加到支架上的摩擦阻力减少，造成液压支架沿着切向方向倾倒、下滑或者挤架等支架失稳现象增加[2-3]。如何确保大倾角综采工作液压支架稳定，是大倾角综采工作面顺利推进面临的一个基本问题。

2 工程概况

6312工作面开采6号煤层，是3采区首个回采工作面，工作面周边均为实体煤，开切眼位于井田边界。工作面由于受到DF32断层影响，分为里、外两个块段，其中里块段斜长123m，走向长560m；外快段斜长125m，走向长396m，6号煤层厚度为1.2～3.5m，平均厚度2.8m。煤层直接顶为厚度0.8m泥岩、1.5m砂质泥岩，基本顶为粉砂岩；直接底为厚度1.9m砂质泥岩、泥岩，基本底为厚度5.3m中砂岩。6号煤层属于大倾角煤层，平均倾角为28°。

工作面生产过程中充水水源主要来源于顶板砂岩裂隙水，生产过程中有淋水现象，由于直接顶、直接底均为泥岩，受到顶板淋水影响，顶、底板泥岩容易膨胀、松软。工作面采用综采方式，采煤机为MG400/920/QWD，中间支撑支架型号为ZQY6800/19/40，移架间距控制800mm、中心距1 750mm，初撑力为5 186kN，支撑强度1.04MPa。

工作面生产遇到顶板来压期间，煤壁片帮，支架间漏顶、冒顶严重，部分中部支架有下滑、倾斜等失稳倾向，不仅影响采面正常生产，而且存在较大安全隐含。

3 大倾角工作面液压支架受力分析

由于6号煤层倾角28°，液压支架自身重力，顶底板压力沿倾斜方向分力较大，支架在回采过程中极其容易出现失稳下滑或者倾倒可能[4]。为了便于对大倾角工作面液压支架受力分析，忽略采煤机、临近支架、刮板输送机对支架作用力，同时认为工作采面顶板、底板作用下顶梁、底座上的作用力均衡分布，构建简化的力学分析模型具如图1所示[5]。

图1 大倾角工作面液压支架受力简化模型

从图1可知，液压支架在顶板覆岩压力P，自重G，顶板、底板对顶梁、底座摩擦力f1、f2相互作用下，液压支架不出现下滑时需要满足顶、底板作用下支架上的摩擦力(f1+f2)≥支架滑动力；不出现倾倒时需要满足支架抗倾倒力矩≥倾倒力矩，则

f1+f2≥(P+G)sinβ

(1)

f1=μ1Pcosβ

(2)

f2=μ2(P+G)cosβ

(3)

f1、f2代入式(1)得

(4)

式中，H为支架高度(m);B为支架宽度，(m)；h为支架重心高度(m)。

当支架顶梁不接顶时，即P=0，此时，液压支架保持稳定条件为

Gμ2cosβ≥Gsinβ

(5)

Ghcosβ≥Ghsinβ

(6)

此时，液压支架保持稳定的条件为β≤arctanμ2且β≤45°。

当液压支架顶梁与顶板接触正常时，支架工作状态正常(P>0)。对式(1)、(4)进行简化，得到支架保持稳定条件为

(7)

(8)

从上述分析可以看出，液压支架稳定性取决于支架工作阻力、初撑力、宽度、高度、煤层倾角、顶梁与顶板摩擦系数、底座与底板摩擦系数、支架重心高度及支架质量等参数。

4 支架失稳影响因素分析

4.1 支架初撑力、工作阻力

当液压支架顶梁与顶板不接触时，此时支架为自由状态，工作阻力或初撑力为0，当煤层倾角大于某一临近倾角(即β>arctanμ2或者β>45°)时，支架就会出现失稳、倾覆或者下滑[6]。因此，提升支架工作阻力及初撑力，提升顶、底板对液压支架摩擦力，可以在一定程度上提升支架稳定性。

4.2 支架宽度(B)、高度(H)

液压支架高度(H)、宽度(B)跟选取的液压支架型号密切相关。支架选取时一般根据煤层顶底板岩性、采高确定。支架高度、宽度与支架下滑失稳无直接关联，但是对支架倾倒稳定性有密切关系。支架高度/宽度=H/B越大，支架出现倾倒可能性越高，反之H/B越小，支架稳定性越高。

4.3 支架重量(G)、重心高度(h)

当液压支架顶梁与顶板不接触时，支架重量(G)、重心高度(h)不对支架稳定性造成影响。当支架处于正常工作状态时，G越小，h越低，支架稳定性越强；反之，G越大，h越高，支架出现下滑或者倾倒可能性越高。

4.4 煤层倾角β

当液压支架顶梁与顶板不接触时，支架底座与底板泥岩间摩擦系数(μ2)为0.32，此时，液压支架不发生滑移条件是煤层倾角β≤17°。由于6号煤层平均倾角值为28°，液压支架顶梁不接顶势必会出现下滑问题。液压支架处于正常工作状态时，煤层倾角β越大，液压支架受到顶板压力、自身重量沿着切向分力越高，支架出现下滑、倾倒概率越大。

4.5 顶梁、底座与顶底板摩擦系数μ

顶梁、底座与顶底板摩擦系数越大，支架稳定性越高，反之则支架稳定性降低。支架与顶底板摩擦系数不仅与顶、底板岩性有关，而且还与顶底板平整性相关。当顶底板存在错茬、淋水或者平整性差时，导致顶、底板与液压支架间摩擦系数降低，给支架稳定带来一定不利影响。

4.6 顶板压力P

工作面开采引起的初次来压、周期来压期间，顶板压力显著增加，由于煤层具有较大倾角，顶板压力沿切向分力增加，使得支架稳定性降低；同时由于工作面超前支承压力作用，煤壁片帮、顶板冒落问题严重，容易引起支架下滑、倾倒情况发生。

5 提升支架稳定性措施

5.1 支架本身结构参数方面

在大倾角综采工作面选用液压支架时应选择重心高度底支架，同时增加支架底座宽度及侧向护板高度，提升支架侧推力，并尽量对支架实施全封闭，避免支架间由于漏顶流矸而出现空顶。顶梁、掩护梁尽量使用强度高、重量低钢板。在支架顶梁、尾梁连接杆、底座前方安装防倒(滑)千斤顶，提升支架稳定性。将支架底座设计成螺纹状，提升底座与底板摩擦系数。

5.2 支架拉架迁移方面

支架拉架移动采用千斤顶(拉力1 000kN)配合刮板输送机(SGZ- 800/800)进行，在推溜、移架过程中应尽可能一次到位。工作面支架上安装有千斤顶，并配备有长度在10～15m链条；中部的40～70号支架为了便于链接采用长度1.5m长短链条。为了确保支架拉架过程中的稳定性，避免出现下滑，拉架采用双迈步式，移架后为了提升支架稳定性，在每个支架前梁位置分别布置1～3个单体，避免支架出现倾倒。

5.3 工作面回采方面

在进行回采时严格控制采煤机割煤高度，割煤时应避免留顶板，从而使支架顶板与顶板砂质泥岩接触密实。同时应尽量将工作面调整成伪仰斜开采方式，一方面通过向上分力来消除支架移动过程中的下滑力，另一方可以减缓工作面倾角。

应在一定程度上提升采面回采推进速度。工作面推进速度过慢时，周期来压步距小(7～9m)，使得顶板压力一直位于工作面前方煤体内，容易出现煤壁切断，支架承受较大顶板来压压力，加之煤层倾角大，极其容易出现支架下滑、倾倒情况。因此，适当提升工作面推进速度，将原2刀/d提升至3刀/d，不仅可以减少工作面顶板下沉量，而且还可以将工作面顶板淋水甩到后方采空区，提升支架底座与底板间摩擦系数。

5.4 工作面顶板管理方面

当遇到顶板破碎、漏顶，煤壁片帮严重等情况时，可以对工作面由于漏顶而出现的空顶区注入罗克修，确保支架顶梁以顶板接触；对煤壁片帮段注入马丽散，提升煤壁稳定性及承载能力。生产时应控制工作面遗煤量，避免水或者其他液体泄漏，使得支架顶梁、底座与顶底板接触介质固定，降低遗煤、水等对顶梁、底座摩擦系数影响。

6312工作面采用上述支架控制措施后，不仅确保了支架的稳定，有效对支架下滑、倾倒进行控制，而且还避免了工作面煤壁片帮、顶板冒顶等事故发生，提升了工作面工作效率。

6 结论

(1)大倾角工作面通过伪斜布置方式，可以在一定程度上较少工作面倾角，提升工作面支架顶梁、底座与顶板、底板间的摩擦系数，提升支架稳定性。

(2)6312工作面通过选择合理液压支架参数、采煤机沿顶割煤、安装防滑(倒)千斤顶、强化顶板管理、控制采高、带压移架、提高工作面推进速度等措施，不仅提高了大倾角综采工作面液压支架的稳定性，而且提升了采面作业效率。