大采高工作面?zhèn)涡遍_采設(shè)備上竄下滑機(jī)理及控制

范志忠

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源學(xué)院，北京 100083)

工作面傾角越大、長度越長，回采過程中設(shè)備管理難度越大，刮板輸送機(jī)“上竄下滑”是制約大傾角大采高工作面設(shè)備管理的主要因素[1-3]。造成刮板輸送機(jī)“上竄下滑”的因素很多，有工作面傾角、刮板機(jī)驅(qū)動(dòng)方向及開采工藝等[4-6]?！吧细Z下滑”如不加以合理控制，在生產(chǎn)過程中存在刮板機(jī)卸煤困難，甚至將導(dǎo)致工作面上下安全出口不暢通，有時(shí)一個(gè)生產(chǎn)班就可能出現(xiàn)上下安全出口被堵死，造成工作面推移困難，需要開幫處理，嚴(yán)重制約工作面的安全和正常生產(chǎn)[7-8]。

偽傾斜開采是控制刮板輸送機(jī)“上竄下滑”的主要技術(shù)措施，在煤層傾角較大時(shí)，為避免工作面支護(hù)和采煤機(jī)械、人員因?yàn)榻嵌却蠖绊懻；夭刹僮?，工作面往往采用偽傾斜布置[9]。在設(shè)備管理中最主要的方面就是運(yùn)輸機(jī)的推移，偽傾斜管理在面長較短的工作面較為容易，因?yàn)楣ぷ髅骈L度較短容易及時(shí)調(diào)整，但大采高大采長工作面如果待輸送機(jī)一旦形成下滑趨勢再調(diào)整，難度將會大幅增加[10-12]。

1 工作面概況

陽煤集團(tuán)開元礦9711工作面為該礦第一個(gè)大采高工作面，工作面埋深364～417m，平均390.5m。工作面走向長度462m，傾斜長度220m。工作面共布置進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、低位抽放巷和高位抽放巷4條回采巷道，采用大采高綜采一次采全高回采工藝，全部垮落法管理頂板。工作面采用MG750/1900-GWD型機(jī)組雙向割煤，ZY8000/26/56D兩柱掩護(hù)式綜采支架管理頂板，支架中心距為1.75m，進(jìn)風(fēng)巷端頭支護(hù)采用ZFT25000/22/45D端頭支架支護(hù)，回風(fēng)巷采用1組ZY8000-24/50D過渡支架和單體柱支護(hù)，機(jī)尾排頭支架原距回風(fēng)巷外幫距離為1.4m。

9711工作面初采期間因留有底煤，且工作面上部底煤較厚，下部底煤較薄，上下巷高差較小。隨著工作面推進(jìn)期間，采煤機(jī)逐步沿底板割煤，上下巷高差變大，溜子和支架開始下滑。圖1為工作面大幅下滑后的剖面示意，工作面基本沿煤層頂、底板回采，其中1～8 號架丟底煤0.6～1.0m，120號架～機(jī)尾丟底煤0.5～0.8m，工作面采高3.7～4.8m，回風(fēng)巷與進(jìn)風(fēng)巷高差為20.7m，工作面平均角度為5.4°，最大角度為10°。

圖1 9711工作面剖面

2 工作面回采情況

9711工作面采高較大，煤層強(qiáng)度低，為了便于圍巖控制，隨著工作面傾角的增加，回采過程中逐步按偽斜推進(jìn)，圖2為工作面一段時(shí)間機(jī)頭機(jī)尾累計(jì)進(jìn)尺以及機(jī)頭超前機(jī)尾的距離統(tǒng)計(jì)。防止溜子下竄，截止11月27日，工作面機(jī)頭累計(jì)進(jìn)尺108.6m，機(jī)尾累計(jì)進(jìn)尺79.4m，機(jī)頭超前機(jī)尾29.2m，工作面調(diào)斜角度為7.6°。工作面原傾斜長220m，工作面因調(diào)斜增加2.0m。

圖2 9711工作面累計(jì)進(jìn)尺分析

調(diào)斜方式采用機(jī)頭多進(jìn)刀，機(jī)尾少進(jìn)刀方式，基本按照頭2尾1的比例組織進(jìn)刀。進(jìn)刀主要在兩頭進(jìn)刀，工作面移架推溜均為從下向上推溜。但連續(xù)多天的調(diào)斜沒有阻止設(shè)備進(jìn)一步下滑，支架和溜子下滑反倒愈演愈烈。根據(jù)現(xiàn)場觀測，工作面溜子下滑帶動(dòng)支架下滑，導(dǎo)致機(jī)尾排頭支架已全部進(jìn)入煤壁，機(jī)頭下滑推動(dòng)轉(zhuǎn)載機(jī)向進(jìn)風(fēng)巷外幫移動(dòng)，間距不足0.3m。由于刮板輸送機(jī)采用端卸式，下滑前溜頭僅搭接在轉(zhuǎn)載機(jī)內(nèi)側(cè)擋板上，下滑后已進(jìn)入轉(zhuǎn)載機(jī)內(nèi)擋板約0.5m，卸煤困難。

3 工作面設(shè)備下滑機(jī)理及控制措施

3.1 刮板輸送機(jī)下滑力

經(jīng)過對9711工作面進(jìn)行分析，認(rèn)為大傾角工作面本身具有一定的傾角，溜子在推移過程中由于自身重力在斜面上的分力會使溜子具有下滑的趨勢。得出下滑力解析式為：

F=Gsinθ-Gμcosθ=G(sinθ-μcosθ)

式中，F(xiàn)為工作面下滑力；G為刮板輸送機(jī)載荷；θ為工作面傾角；μ為摩擦系數(shù)。

3.2 偽斜角度不當(dāng)

當(dāng)工作面傾角過大時(shí)，為了減小設(shè)備的下滑和便于管理，工作面往往設(shè)置一定的偽斜。在不考慮推移桿偏斜的情況下，若單純增大偽斜角度，則變相增加了推溜力的下滑力分量，即增大了下滑力。工作面?zhèn)涡辈贾檬疽馊鐖D3所示。

圖3 工作面?zhèn)涡辈贾檬疽?/p>

設(shè)偽斜角度為α，正向推溜力為T，調(diào)偽斜后工作面傾角為θ′，偽斜長度為L，則有：

F=G(sinθ′-μcosθ′)+Tsinα

代入sinθ′=cosα·sinθ，則有：

以偽斜角α為變量求導(dǎo)，得出：

從上式可以看出，當(dāng)工作面推溜力T和溜子載荷G比值一定的情況下，工作面傾角θ與偽斜角α呈指數(shù)曲線關(guān)系。圖4為推溜力T和溜子載荷G比值與煤層傾角關(guān)系，煤層傾角越大，在溜子載荷G一定的情況下，需要的推溜力T越大，則適用偽斜的角度比例越??；圖5為推溜力T和溜子載荷G比值與工作面?zhèn)涡苯嵌汝P(guān)系，在煤層傾角一定的情況下，偽斜角度越大，需要的推溜力越大。從圖4和圖5還可以看出，工作面?zhèn)涡闭{(diào)整有其適用區(qū)間范圍。

圖4 推溜力T和溜子載荷G比值與煤層傾角關(guān)系

圖5 推溜力T和溜子載荷G比值與工作面?zhèn)涡苯嵌汝P(guān)系

3.3 刮板機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)力

刮板機(jī)由兩側(cè)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)頭與機(jī)尾在驅(qū)動(dòng)上鏈和下鏈時(shí)存在作用力與反作用力的關(guān)系。鏈條進(jìn)入和脫離機(jī)頭的張力分別設(shè)為T1和T2，鏈條進(jìn)入和脫離機(jī)尾的張力分別為T3和T4，輸送機(jī)上鏈重載段的阻力為Wz，下鏈空載段的阻力為Wk，則有：

Wz=(qη1+qη2)Lcosα-(q+q0)Lsinα

Wk=q0L(η1cosα+sinα)

T1=T4+Wz

T3=T2+Wk

T1-T3=T4-T2+Wz-Wk≈Wz-Wk

式中，L為刮板輸送機(jī)長度，m；q為刮板機(jī)單位長度煤炭重量，kN/m；q0為刮板鏈單位長度重量，kN/m；η1為溜槽中煤炭阻力系數(shù)；η2為刮板鏈運(yùn)行阻力系數(shù)；α為工作面傾角，(°)。

由于上鏈在機(jī)頭部為重鏈，而在機(jī)尾部為空鏈，進(jìn)一步分析可知，刮板機(jī)底鏈無論機(jī)頭機(jī)尾均為松鏈。對脫離機(jī)頭的下鏈的力T2與脫離機(jī)尾上鏈的力T4的反作用力進(jìn)行比較，由于均為松鏈，其值近似相等；而進(jìn)入機(jī)頭上鏈的力T1遠(yuǎn)大于進(jìn)入機(jī)尾下鏈的力T3，其為差值Wz-Wk，因此造成刮板機(jī)下滑。刮板機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)力示意如圖6所示。

圖6 刮板機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)力示意

3.4 推移桿偏斜因素

在傾斜工作面，若推移桿出現(xiàn)偏斜，當(dāng)偏斜后的支架推溜桿繼續(xù)順著偏斜方向推溜時(shí)，推溜力在偏斜方向上的分力又增大了溜子下滑力，加大了溜子的下滑量，移架時(shí)造成支架繼續(xù)偏斜。如圖7所示，假設(shè)推移桿和工作面走向或支架前移方向夾角為φ，推移進(jìn)尺為d，則割1刀煤造成溜槽的下滑量為dsinφ。

圖7 推移桿出現(xiàn)偏斜導(dǎo)致溜槽下滑

4 防止設(shè)備下滑控制措施

(1)工作面旋轉(zhuǎn)調(diào)斜 當(dāng)溜子上竄嚴(yán)重時(shí)，從機(jī)頭開始，采用短刀向下割煤，最后割通刀，單向移架、單向推溜，移架和推溜為從機(jī)頭向機(jī)尾上行移架推溜。進(jìn)刀位置可依次選擇在30號、50號、70號、90號、110號架等，最后從機(jī)尾進(jìn)刀向機(jī)頭方向割通刀，逐步扭轉(zhuǎn)溜子的上竄趨勢。

(2)支架轉(zhuǎn)向調(diào)整 在溜槽下滑時(shí)，利用支架側(cè)護(hù)板、底調(diào)梁和短單體輔助調(diào)架，在工作面推進(jìn)過程中調(diào)整，逐步使支架扭頭，保持底座和推移桿與溜槽垂直，使支架產(chǎn)生向上的推溜力。調(diào)架下端頭1～10號架開始，逐步向上調(diào)架，其余支架盡可能在移架過程中用側(cè)護(hù)板和底調(diào)梁調(diào)整。用短單體調(diào)架，是利用長度適宜的單體液壓支柱一端支撐在上側(cè)鄰架的底座上，一端支撐在待移支架的四連桿上，使支架底座后部向下偏轉(zhuǎn)。調(diào)架必須在移架的過程中進(jìn)行，在利用單體調(diào)架時(shí)，必須采取遠(yuǎn)程供液的方式進(jìn)行操作。

(3)采用單體輔助推溜 在推溜過程中，利用單體打支桿的方法控制前部溜子下滑，具體做法為單體的一端生根在本架的底座上，單體的另一端生根在相鄰上支架的溜槽推溜頭上，用遠(yuǎn)程供液操作，與支架推溜千斤頂同時(shí)推溜，利用單體反方向頂溜來控制溜子的下滑。

(4)保證支架足夠初撐力 為避免支架接頂不實(shí)，造成支架頂梁在重力作用下沿傾角方向發(fā)生下滑，工作面全部支架應(yīng)保證足夠的初撐力，確保支架立直站穩(wěn)，支架初撐力應(yīng)達(dá)到初撐力額定值的90%以上。

開元礦9711大采高工作面出現(xiàn)設(shè)備下滑后，通過采取工作面旋轉(zhuǎn)調(diào)斜、長短刀割煤、單體輔助推溜及借助支架側(cè)護(hù)板、底調(diào)梁和短單體輔助調(diào)整支架推進(jìn)方向，并提高支架初撐力等措施，快速解決了設(shè)備下滑問題，保證了工作面安全生產(chǎn)。

5 結(jié) 論

通過對大采高工作面?zhèn)涡遍_采設(shè)備上竄下滑機(jī)理及現(xiàn)場控制措施應(yīng)用效果的研究，得出如下主要結(jié)論與認(rèn)識：

(1)偽斜條件下，煤層傾角與工作面?zhèn)涡苯浅手笖?shù)曲線關(guān)系，煤層傾角越大，則適用偽斜的角度比例越小，工作面?zhèn)涡苯嵌扔衅溥m用區(qū)間，若單純增大偽斜角度，則變相增加了推溜力的下滑力分量，更容易導(dǎo)致上竄下滑。

(2)由于大采高綜采面設(shè)備重型化，其本身由于工作面傾角存在下滑趨勢外，還在于刮板鏈上鏈在機(jī)頭部為重鏈，進(jìn)入機(jī)頭上鏈的力遠(yuǎn)大于進(jìn)入機(jī)尾下鏈的力，其相互間的反作用力存在差值，因此造成刮板機(jī)下滑。此外，保持推移桿和工作面推進(jìn)方向一致，對于防止設(shè)備上竄下滑也非常重要。