急倾斜煤层综采面三机设备稳定性及开切眼布置分析

许永杰

摘 要：本文分析了三机设备的受力状态，指出了开切眼倾角是影响三机设备稳定性的最大因素，得出了临界状态下开切眼倾角的最大值，提出了开切眼“急倾斜-圆弧过渡-缓倾斜”的布置方式，建立了圆弧过渡段模型，给出了圆弧过渡段角度和半径的计算方法。研究表明，本文提出的开切眼布置方式将上部的急倾斜工作面逐步过渡为下部的缓倾斜工作面，可以从根本上改善设备受力状态，有效遏制三机设备在开切眼时发生下滑、倾倒等情况。

关键词：急倾斜煤层;综合机械化;三机设备;稳定性;开切眼

中图分类号：TD823.97文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）14-0058-03

Abstract： This paper analyzes the stress state of the three-machine equipment， points out that the inclination angle of the open-off cut is the biggest factor affecting the stability of the three-machine equipment， and obtains the maximum value of the open-off cut in the critical state， and puts forward the arrangement method of "severe tilt-arc transition-slow tilt" of the open-off cut， establishes the arc transition section model， and gives the calculation method for the angle and radius of the arc transition section. Research has shown that the open-off cut arrangement proposed in this paper gradually transitions the steeply inclined working face from the upper part to the gently inclined working face at the lower part， which can fundamentally improve the stress state of the equipment and effectively prevent the three-machine equipment from sliding down and overturning during the open-off cut.

Keywords： steeply inclined coal seam;comprehensive mechanization;three-machine equipment;stability;open-off cut

急傾斜煤层是指倾角45°以上的煤层。开采急倾斜煤层的矿井井型规模普遍较小，以中小型矿井为主，其开采机械化程度普遍较低[1]。急倾斜煤层综合机械化开采在大型矿井中正逐步推广，目前还存在一定的技术难题，集中体现在三机（采煤机、刮板输送机和自移式液压支架）设备的稳定性上[2]。众多学者从三机设备的防倒防滑入手进行了研究，提出了设备的防倒防滑措施[3-4]。本文转变研究视角，从开切眼巷道布置入手对其进行分析。

1 三机设备稳定性分析和开切眼倾角

急倾斜综采工作面采煤机通过导向靴、滑靴等骑行在刮板输送机上，刮板输送机通过移溜千斤顶推杆与液压支架底座连接。三机设备均处于一斜面受力状态，则影响设备稳定性的最大因素为开切眼倾角[θ]的大小，其次为三机设备自身的防倒防滑装置及设备运行管理措施;要想研究设备的稳定性，首先要计算出设备稳定性处于临界状态时的开切眼倾角[θ]。采煤机和刮板输送机设备受力可以简化，如图1所示。设备处于斜面受力状态，其临界状态为设备所受的沿斜面向上的摩擦力逐渐变小，慢慢等于设备所受重力沿斜面向下的分力。

将摩擦系数[f]代入式（1）可以得出，图1（a）临界状态下，开切眼倾角[θ]最大介于19°～22°;将摩擦系数[f]、支架工作阻力F与重力G代入式（2）、式（3）、式（4），得出图1（b）临界状态下开切眼倾角[θ]最大介于20°～23°。综上，急倾斜煤层开切眼布置的最大倾角不宜大于23°，大于23°时，三机设备将处于不稳定状态，需要采取相应防倒防滑措施，以确保安全。

2 煤层倾角和开切眼倾角的关系

开切眼布置分为沿煤层倾向布置和伪倾斜布置两种形式，详情如图2所示。根据三角函数关系，由图2可得：

通过式（5）、式（6）和式（7）可以得出，开切眼倾角[θ=arcsin（sinαcosβ）]，因此人们可以反算出确保开切眼倾角[θ]不大于23°时煤层倾角[α]对应的最小伪倾斜角度[β]，详情如表1所示。

从表1得出，当煤层倾角小于23°时，开切眼无须进行伪倾斜布置，三机设备处于稳定状态;当煤层倾角大于23°时，开切眼需要采用伪倾斜布置，尽量减小巷道倾角，以满足三机设备稳定性的需要。

3 开切眼布置

为了满足急倾斜煤层综合机械化开采的要求，本文结合乌兹别克斯坦共和国沙尔贡煤矿项目，提出开切眼采用“急倾斜-圆弧过渡-缓倾斜”的布置方式。

3.1 圆弧过渡段模型的建立

开切眼“急倾斜-圆弧过渡-缓倾斜”布置方式详情如图3所示。圆弧过渡段将上部的急倾斜工作面逐步过渡为下部的缓倾斜工作面，实质上为一竖曲线（立面圆弧曲线）。严格地讲，竖曲线其实为刮板输送机槽顶边多段等长弦（弦长为一节刮板输送机槽长度）串联而成，详情如图4所示。

3.2 沙尔贡煤矿煤层赋存条件

沙尔贡煤矿开采单一急倾斜厚煤层，煤层厚度介于3.85～13.68 m，平均厚度为7.57 m，倾角介于45°～50°。煤层顶板为砂岩，煤层底板为石灰岩和粉砂岩，属中硬～坚硬岩类。

3.3 圆弧过渡段角度和最小半径的确定

沙尔贡煤矿采用综合机械化放顶煤采煤法，前、后刮板输送机型号为SGZ764/200，单节中部槽尺寸为1 500 mm（长）×722 mm（宽）×275 mm（高），节点连接最大允许夹角为3°。为更好地满足三机设备稳定性的需要，开切眼倾角确定为22°，则圆弧过渡段最大角度为28°，对应的刮板输送机节数为10节。将以上数据代入式（9）、式（10）和式（11），计算结果详情如表2所示。

根据计算结果，沙尔贡煤矿煤层倾角45°～50°对应的圆弧过渡段角度为23°～28°，圆弧过渡段最小半径为30.7～37.4 m，为了便于施工和回采，圆弧过渡段半径统一取37.5 m。

4 结论

本研究对开切眼伪倾斜布置进行了分析计算，推导了开切眼倾角、煤层倾角和伪倾斜角度的相互关系，分析了伪倾斜角度过大的弊端。其间结合具体项目提出了开切眼“急倾斜-圆弧过渡-缓倾斜”的布置方式，建立了圆弧过渡段模型，给出了圆弧过渡段角度和半径的计算方法。工作面开切眼采用“急倾斜-圆弧过渡-缓倾斜”的布置方式，将上部的急倾斜工作面逐步过渡为下部的缓倾斜工作面，从根本上改善了设备的受力状态，有效地遏制了三机设备在开切眼时发生下滑、倾倒等情况，提高了支护系统的稳定性。

参考文献：

[1]住房和城乡建设部，国家质量监督检验检疫总局.煤炭工业矿井设计规范：GB 50215—2015[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.

[2]郑维强.急-倾斜煤层综放液压支架稳定性分析与防倒防滑装置研究[D].西安：西安科技大学，2006：12-13.

[3]周春志.急倾斜和大角度俯采放顶煤工作面设备选型及优化设计[J].煤矿机械，2017（3）：132-134.

[4]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（7）：705-709.