倾斜综放面支架防倒防滑技术研究

白 向 举

（山西潞安集团潞宁孟家窑煤业公司，山西 忻州036000）

1 工程概况

孟家窑11508 工作面开采11 采区5 号煤层，平均埋深350m，平均倾角25°，平均煤厚10.5m。工作面煤层结构简单，内生节理不发育，属于低瓦斯矿井，煤层顶底板岩性硬度较弱。11508 工作面采用综采放顶煤开采，全部垮落法管理顶板，采高为2.8m、采放比为1：2.8，放煤步距为0.6m，循环进尺为0.6m。工作面端头支架型号为1 组ZT20000/23/40，机头过渡架型号为3 架ZFG5600/18/34，机尾过渡架为4 架ZFG6400/21/40，采场基本架为95 架ZF4600/17/32，基本支架参数见表1。

11508 综放面开采过程中，由于煤层倾角达到25°，放煤厚度达7.7m，造成工作面动压现象十分剧烈，加上上覆岩层和支架自身重力分量作用，支架整体受力状态复杂，彼此之间的约束作用很容易被破坏，导致采场支架极易出现失稳、倒架或其他支架故障的现象，严重的会带来设备及人员的损伤，给工作面正常生产带来了巨大的不利影响。因此，全面分析大倾角状态下放顶煤支架稳定性影响因素，并有针对性的采取具体措施，是当前11508 工作面生产面临的主要问题。

表1 ZF4600/17/32 型支架参数

2 11508 综放面支架稳定性研究分析

大倾角综放工作面采场支架失稳的形式主要有整体向下倾倒、支架前部或后部下滑、支架整体下滑、支架前端顶梁向上或向下抬头等多种类型，从影响因素看也包括地质条件、支架特点、采煤工艺等多种条件，因此，针对11508 综放面支架稳定性的分析是设计防倒防滑措施的重要前提。

2.1 支架倾倒稳定性分析

支架倾倒是指支架相对原垂直采场底板方向发生偏转，产生倾倒角β（向下倾倒为正，向上倾倒为负）。11508 工作面煤层倾角平均25°，支架在采场布置的位态较复杂，倾角大导致的侧向活动性增加，放煤高度为7.7m 造成采场矿压显现剧烈，易发生煤壁片帮，进而导致顶板冒落，又带来一轮煤壁片帮的恶性循环。顶部和前方煤体丧失后，上部和前部就无法向支架提供必要的阻力，导致支架由于不受约束而倾倒。支架在顶板的压力、支架自重、上下邻架挤靠力，初撑力、底板反力作用下处于平衡状态，而在顶板冒落无约束条件下和移架过程中支架出现倾倒的控制条件是不同的。

当支架上方出现空顶或失去上部约束时，支架倾倒力学模型如图1（a）所示，G为支架重力，kN；W1为底板对支架底座的正压力，kN；α 为煤层倾角，(°)；μ1为支架底座与底板间的摩擦系数；H为支架实际支撑高度，m；Hg为支架重心高度，m；B为支架底座宽度，m。支架主要受自身重力和底板反作用力，此时支架在自重状态下发生倾倒，倾倒发生的临界煤层倾角可用式（1）表示。

支架移架过程中，除了自身重力和底板反作用力外，还受顶板对顶梁的作用力，如图1（b）所示，G1为顶梁重力，kN；lg1为G1对O1点的力臂，m；G2为顶梁和掩护梁重力，kN；lg2为G2对O2点的力臂，m；Qm为支架擦顶前移过程中需承受的最小顶板载荷，kN；h、B、m分别代表放煤高度、支架宽度、掩护梁的走向水平投影长度，m。根据支架的受力分析可知，迁移过程中要保证支架擦顶充分，使得立柱的残余支撑应力最小值满足式（2）。

图1 不同状态下支架受力分析

2.2 支架下滑稳定性分析

采场支架下滑是由于支架自重和顶板压力沿煤层倾向的下滑分力未受到控制的原因，会导致支架出现挤架或咬架现象。支架在空顶情况下出现下滑现象的机理较为简单，主要是由于下滑分力大于底座与底板摩擦力导致，其临界煤层倾角可用公式（3）表示。

而移架过程中，由于顶板同样存在摩擦阻力，不发生下滑的前提就是要保证支架底座与煤层底板的摩擦力和支架顶梁与顶板的摩擦力之和不小于支架重力自身的下滑分力，结合图1（b）中受力分析，移架过程中防止支架下滑的立柱残余支撑力最小值应该满足式（4）。

2.3 11508 工作面支架下滑参数的确定

ZF4600/17/32 型支架的宽度范围1 420～1 590mm、支架高度1 700～3 200mm，支架底座宽度取1.5m、支架中重心高度取1.55m，则计算得出的倾倒临界煤层倾角为27°，支架与底座的摩擦系数取0.28，则计算出的下滑临界煤层倾角为16°，从保证安全的角度考虑ZF4600/17/32 型支架的工作临界煤层倾角为16°，而11508 工作面煤层平均倾角为25°，所以现场工作实际中必须采用防倒防滑措施。为控制支架的纵向平衡稳定性，需要计算下滑和倾倒状态下的最小残余支撑力，参数取值见表2所示，计算后得到倾倒临界支撑力为26kN、下滑临界支撑力为44kN，考虑安全系数为1.3 并取临界支撑压力最大值44kN，则支架整体保证既不下滑也不倾倒需要的最小残余支撑压力可确定为223kN。

表2 ZF4600/17/32 型支架防倒防滑计算参数

3 支架稳定性控制技术及现场实践

3.1 支架稳定性方案

根据11508 综放面支架出现下滑、倾倒的失稳机理分析，控制支架失稳的主要措施是控制支架布置倾角和支架立柱压力。基于这两种控制思路，确定11508 综放面采用以下几种控制措施：

1）改善11508 综放面回采工艺：首先，11508 工作面在生产过程中调成伪倾斜，呈伪斜5°～8°，即下端头超前6.5～10.5m，并根据工作面倾角变化随时调整超前量，使工作面推进一刀拉移支架产生的上移量基本抵消支架拉移一刀的下滑量；再者可以在11508 工作面下端头合理留设底板三角煤，留设15m煤体的防倒圆弧，使支架布置在水平状态，增加了工作面下端头排头支架的稳定性，能够有效避免支架下滑和歪倒；最后还要保证采煤机自上而下单向割煤、单向移架、单向推拉输送机，最大程度减小沿工作面倾向分力，降低设备下滑倾向。

2）增强11508 采场支架调架能力：在11508 工作面移架过程，支架受下滑力和旋转力矩的影响，容易发生错位及失稳现象，首先可以在相邻支架顶梁或顶梁与底座间设置防倒千斤顶，在底座每隔6～8 架设置调溜千斤顶，千斤顶能够调整顶梁或底座相对位置，使相邻支架成为一个整体，还能够调整、控制输送机下滑；再者，需要提高支架的支护性能，在支架前方设置可伸缩防护板，或者每隔5～7 架在支架间放置柔性挡矸帘，如图2 所示，能够降低顶煤冒落性，增加支架带压能力，同时也保证作业人员安全。

图2 11508 工作面支架防护措施设置

3.2 现场实践效果分析

在分析11508 综放面支架失稳机理并采取相应控制措施基础上，对工作面支架受力进行监测分析，测站在采场基本架范围内均匀布置，共计10 个测站，测站中利用KJ216 型综放支架压力计算机监测系统对综放液压支架四个立柱的液压信息进行连续观测与记录，监测周期为60d，记录周期为1 个循环。支架初撑力、工作阻力均成正态分布状态，说明支架的受力分布比较均匀，支架前柱工作阻力平均值850kN，后柱平均工作阻力为680kN，符合综放面正常开采时前柱比后柱多15%左右的规律，支架最大末阻力值为4 492kN，平均值为4 355kN，占比额定阻力的97%和94%，工作阻力得到了最大程度的利用，能够满足放顶煤工作面的需求。11508 采场支架未出现下滑、倾倒或扭斜现象，工作面月进尺量提高15%，原煤月产量提高20 000t，取得了良好的技术经济效益。

4 结 论

11508 综放面采场支架主要出现倾倒和下滑两种失稳状态，主要是由于工作面倾向倾角较大或立柱支撑力不足，为此，11508 综放面可采取工作面调斜5°～8°、留设15m 圆弧煤柱或改善回采工艺的措施降低倾角带来的不利影响，也可以采取设置防倒千斤顶和加设柔性支护装置保障支架带压能力。应用上述措施后，支架额定阻力作用发挥充分，工作面效率得到提升，满足11508 综放面技术经济要求。