傾斜綜放面支架防倒防滑技術(shù)研究

白 向 舉

（山西潞安集團(tuán)潞寧孟家窯煤業(yè)公司，山西 忻州036000）

1 工程概況

孟家窯11508 工作面開采11 采區(qū)5 號(hào)煤層，平均埋深350m，平均傾角25°，平均煤厚10.5m。工作面煤層結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)生節(jié)理不發(fā)育，屬于低瓦斯礦井，煤層頂?shù)装鍘r性硬度較弱。11508 工作面采用綜采放頂煤開采，全部垮落法管理頂板，采高為2.8m、采放比為1：2.8，放煤步距為0.6m，循環(huán)進(jìn)尺為0.6m。工作面端頭支架型號(hào)為1 組ZT20000/23/40，機(jī)頭過渡架型號(hào)為3 架ZFG5600/18/34，機(jī)尾過渡架為4 架ZFG6400/21/40，采場基本架為95 架ZF4600/17/32，基本支架參數(shù)見表1。

11508 綜放面開采過程中，由于煤層傾角達(dá)到25°，放煤厚度達(dá)7.7m，造成工作面動(dòng)壓現(xiàn)象十分劇烈，加上上覆巖層和支架自身重力分量作用，支架整體受力狀態(tài)復(fù)雜，彼此之間的約束作用很容易被破壞，導(dǎo)致采場支架極易出現(xiàn)失穩(wěn)、倒架或其他支架故障的現(xiàn)象，嚴(yán)重的會(huì)帶來設(shè)備及人員的損傷，給工作面正常生產(chǎn)帶來了巨大的不利影響。因此，全面分析大傾角狀態(tài)下放頂煤支架穩(wěn)定性影響因素，并有針對(duì)性的采取具體措施，是當(dāng)前11508 工作面生產(chǎn)面臨的主要問題。

表1 ZF4600/17/32 型支架參數(shù)

2 11508 綜放面支架穩(wěn)定性研究分析

大傾角綜放工作面采場支架失穩(wěn)的形式主要有整體向下傾倒、支架前部或后部下滑、支架整體下滑、支架前端頂梁向上或向下抬頭等多種類型，從影響因素看也包括地質(zhì)條件、支架特點(diǎn)、采煤工藝等多種條件，因此，針對(duì)11508 綜放面支架穩(wěn)定性的分析是設(shè)計(jì)防倒防滑措施的重要前提。

2.1 支架傾倒穩(wěn)定性分析

支架傾倒是指支架相對(duì)原垂直采場底板方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生傾倒角β（向下傾倒為正，向上傾倒為負(fù)）。11508 工作面煤層傾角平均25°，支架在采場布置的位態(tài)較復(fù)雜，傾角大導(dǎo)致的側(cè)向活動(dòng)性增加，放煤高度為7.7m 造成采場礦壓顯現(xiàn)劇烈，易發(fā)生煤壁片幫，進(jìn)而導(dǎo)致頂板冒落，又帶來一輪煤壁片幫的惡性循環(huán)。頂部和前方煤體喪失后，上部和前部就無法向支架提供必要的阻力，導(dǎo)致支架由于不受約束而傾倒。支架在頂板的壓力、支架自重、上下鄰架擠靠力，初撐力、底板反力作用下處于平衡狀態(tài)，而在頂板冒落無約束條件下和移架過程中支架出現(xiàn)傾倒的控制條件是不同的。

當(dāng)支架上方出現(xiàn)空頂或失去上部約束時(shí)，支架傾倒力學(xué)模型如圖1（a）所示，G為支架重力，kN；W1為底板對(duì)支架底座的正壓力，kN；α 為煤層傾角，(°)；μ1為支架底座與底板間的摩擦系數(shù)；H為支架實(shí)際支撐高度，m；Hg為支架重心高度，m；B為支架底座寬度，m。支架主要受自身重力和底板反作用力，此時(shí)支架在自重狀態(tài)下發(fā)生傾倒，傾倒發(fā)生的臨界煤層傾角可用式（1）表示。

支架移架過程中，除了自身重力和底板反作用力外，還受頂板對(duì)頂梁的作用力，如圖1（b）所示，G1為頂梁重力，kN；lg1為G1對(duì)O1點(diǎn)的力臂，m；G2為頂梁和掩護(hù)梁重力，kN；lg2為G2對(duì)O2點(diǎn)的力臂，m；Qm為支架擦頂前移過程中需承受的最小頂板載荷，kN；h、B、m分別代表放煤高度、支架寬度、掩護(hù)梁的走向水平投影長度，m。根據(jù)支架的受力分析可知，遷移過程中要保證支架擦頂充分，使得立柱的殘余支撐應(yīng)力最小值滿足式（2）。

圖1 不同狀態(tài)下支架受力分析

2.2 支架下滑穩(wěn)定性分析

采場支架下滑是由于支架自重和頂板壓力沿煤層傾向的下滑分力未受到控制的原因，會(huì)導(dǎo)致支架出現(xiàn)擠架或咬架現(xiàn)象。支架在空頂情況下出現(xiàn)下滑現(xiàn)象的機(jī)理較為簡單，主要是由于下滑分力大于底座與底板摩擦力導(dǎo)致，其臨界煤層傾角可用公式（3）表示。

而移架過程中，由于頂板同樣存在摩擦阻力，不發(fā)生下滑的前提就是要保證支架底座與煤層底板的摩擦力和支架頂梁與頂板的摩擦力之和不小于支架重力自身的下滑分力，結(jié)合圖1（b）中受力分析，移架過程中防止支架下滑的立柱殘余支撐力最小值應(yīng)該滿足式（4）。

2.3 11508 工作面支架下滑參數(shù)的確定

ZF4600/17/32 型支架的寬度范圍1 420～1 590mm、支架高度1 700～3 200mm，支架底座寬度取1.5m、支架中重心高度取1.55m，則計(jì)算得出的傾倒臨界煤層傾角為27°，支架與底座的摩擦系數(shù)取0.28，則計(jì)算出的下滑臨界煤層傾角為16°，從保證安全的角度考慮ZF4600/17/32 型支架的工作臨界煤層傾角為16°，而11508 工作面煤層平均傾角為25°，所以現(xiàn)場工作實(shí)際中必須采用防倒防滑措施。為控制支架的縱向平衡穩(wěn)定性，需要計(jì)算下滑和傾倒?fàn)顟B(tài)下的最小殘余支撐力，參數(shù)取值見表2所示，計(jì)算后得到傾倒臨界支撐力為26kN、下滑臨界支撐力為44kN，考慮安全系數(shù)為1.3 并取臨界支撐壓力最大值44kN，則支架整體保證既不下滑也不傾倒需要的最小殘余支撐壓力可確定為223kN。

表2 ZF4600/17/32 型支架防倒防滑計(jì)算參數(shù)

3 支架穩(wěn)定性控制技術(shù)及現(xiàn)場實(shí)踐

3.1 支架穩(wěn)定性方案

根據(jù)11508 綜放面支架出現(xiàn)下滑、傾倒的失穩(wěn)機(jī)理分析，控制支架失穩(wěn)的主要措施是控制支架布置傾角和支架立柱壓力?；谶@兩種控制思路，確定11508 綜放面采用以下幾種控制措施：

1）改善11508 綜放面回采工藝：首先，11508 工作面在生產(chǎn)過程中調(diào)成偽傾斜，呈偽斜5°～8°，即下端頭超前6.5～10.5m，并根據(jù)工作面傾角變化隨時(shí)調(diào)整超前量，使工作面推進(jìn)一刀拉移支架產(chǎn)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 工作面下端頭合理留設(shè)底板三角煤，留設(shè)15m煤體的防倒圓弧，使支架布置在水平狀態(tài)，增加了工作面下端頭排頭支架的穩(wěn)定性，能夠有效避免支架下滑和歪倒；最后還要保證采煤機(jī)自上而下單向割煤、單向移架、單向推拉輸送機(jī)，最大程度減小沿工作面傾向分力，降低設(shè)備下滑傾向。

2）增強(qiáng)11508 采場支架調(diào)架能力：在11508 工作面移架過程，支架受下滑力和旋轉(zhuǎn)力矩的影響，容易發(fā)生錯(cuò)位及失穩(wěn)現(xiàn)象，首先可以在相鄰支架頂梁或頂梁與底座間設(shè)置防倒千斤頂，在底座每隔6～8 架設(shè)置調(diào)溜千斤頂，千斤頂能夠調(diào)整頂梁或底座相對(duì)位置，使相鄰支架成為一個(gè)整體，還能夠調(diào)整、控制輸送機(jī)下滑；再者，需要提高支架的支護(hù)性能，在支架前方設(shè)置可伸縮防護(hù)板，或者每隔5～7 架在支架間放置柔性擋矸簾，如圖2 所示，能夠降低頂煤冒落性，增加支架帶壓能力，同時(shí)也保證作業(yè)人員安全。

圖2 11508 工作面支架防護(hù)措施設(shè)置

3.2 現(xiàn)場實(shí)踐效果分析

在分析11508 綜放面支架失穩(wěn)機(jī)理并采取相應(yīng)控制措施基礎(chǔ)上，對(duì)工作面支架受力進(jìn)行監(jiān)測分析，測站在采場基本架范圍內(nèi)均勻布置，共計(jì)10 個(gè)測站，測站中利用KJ216 型綜放支架壓力計(jì)算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)綜放液壓支架四個(gè)立柱的液壓信息進(jìn)行連續(xù)觀測與記錄，監(jiān)測周期為60d，記錄周期為1 個(gè)循環(huán)。支架初撐力、工作阻力均成正態(tài)分布狀態(tài)，說明支架的受力分布比較均勻，支架前柱工作阻力平均值850kN，后柱平均工作阻力為680kN，符合綜放面正常開采時(shí)前柱比后柱多15%左右的規(guī)律，支架最大末阻力值為4 492kN，平均值為4 355kN，占比額定阻力的97%和94%，工作阻力得到了最大程度的利用，能夠滿足放頂煤工作面的需求。11508 采場支架未出現(xiàn)下滑、傾倒或扭斜現(xiàn)象，工作面月進(jìn)尺量提高15%，原煤月產(chǎn)量提高20 000t，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 論

11508 綜放面采場支架主要出現(xiàn)傾倒和下滑兩種失穩(wěn)狀態(tài)，主要是由于工作面傾向傾角較大或立柱支撐力不足，為此，11508 綜放面可采取工作面調(diào)斜5°～8°、留設(shè)15m 圓弧煤柱或改善回采工藝的措施降低傾角帶來的不利影響，也可以采取設(shè)置防倒千斤頂和加設(shè)柔性支護(hù)裝置保障支架帶壓能力。應(yīng)用上述措施后，支架額定阻力作用發(fā)揮充分，工作面效率得到提升，滿足11508 綜放面技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求。