8.8m大采高工作面支架錯茬調(diào)整方法研究

王旭峰，姬 智，崔東亮，苗玉春，程海賓，白 云

(神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 上灣煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

目前，針對8.8m特大采高工作面，劉國柱[1]深入的分析了8.8m大采高液壓支架的承載能力，為大采高液壓支架的制造奠定了基礎(chǔ)。楊俊哲[2-6]研究了8.8m采高工作面的盤區(qū)規(guī)劃與設(shè)計要點、全面的介紹了8.8m采高綜采工作面配套使用的關(guān)鍵技術(shù)與裝備。我國研究人員主要針對8.8m采高工作面的煤壁片幫機(jī)理及控制[7-10]、回撤時的頂板支護(hù)技術(shù)[11]和生產(chǎn)過程中的安全防護(hù)對策[12]等進(jìn)行了廣泛的研究，助力8.8m采高工作面安全穩(wěn)定運行。

綜合分析目前針對8.8m特大采高工作面的研究成果，涉及到特大采高工作面工程質(zhì)量管控的研究較少，而實際上在生產(chǎn)過程中隨著工作面采高的增大、配套設(shè)備體重的增加，工作面工程質(zhì)量不易管控，主要以上灣煤礦第二個一次性采全高8.8m特大采高工作面12402為工程背景，主要對工作面生產(chǎn)期間頻繁出現(xiàn)的支架錯茬問題進(jìn)行論述，用于指導(dǎo)生產(chǎn)實踐，提高工作面的整體工程質(zhì)量。

1 工程背景

上灣煤礦是神東煤炭集團(tuán)主力樣板礦井之一，坐落于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗，年生產(chǎn)能力1600萬 t。12402工作面已穩(wěn)步推進(jìn)4000m，累計出煤量超1500萬t。12402工作面煤層賦存穩(wěn)定，厚度在8.17～10.28m之間，屬特厚煤層，傾角1°～5°，近水平埋藏；采用長壁后退式綜合機(jī)械化采煤法回采，跨度約300m，推進(jìn)長度約5300m，設(shè)計采高8.6m；采空區(qū)隨采隨垮；盤區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造及水文條件均較簡單。

2 12402工作面開采配套設(shè)備

綜采工作面采高增大后，開采配套設(shè)備的體積和體重隨之增加。目前，12402工作面所有配套設(shè)備國產(chǎn)化率100%，其中，采煤機(jī)型號為MG1100/3030-GWD，重量230t，滾筒直徑4.3m，單刀進(jìn)尺0.865m，在煤機(jī)頂蓋板升起后，煤機(jī)機(jī)面高度近5m；工作面共布置128臺兩柱支撐掩護(hù)式液壓支架，其中機(jī)頭設(shè)3臺端頭架3臺過渡架，機(jī)尾設(shè)2臺端頭架3臺過渡架，其余均為中部架，型號為ZY26000/40/88D，單臺重量100t，最大工作阻力26000kN，支護(hù)強(qiáng)度可達(dá)1.71～1.83MPa，最大支撐高度可至8.8m；刮板輸送機(jī)型號為SGZ1400/3×1600kW，其中部槽寬度為1.4m，支架側(cè)擋煤板高度為2.3m，三臺電機(jī)總功率4800kW，每小時輸送量可達(dá)6000t。

3 工作面支架錯茬調(diào)整

綜采工作面的工程質(zhì)量是現(xiàn)場生產(chǎn)過程中必須時刻緊盯的一個環(huán)節(jié)，良好的工程質(zhì)量對于設(shè)備的長期穩(wěn)定運行、工作面的安全高效生產(chǎn)起著關(guān)鍵性作用。工程質(zhì)量綜合考量內(nèi)容為：兩端頭的出口大小、頭尾底板的過渡、頂?shù)装宓钠秸?、采高、支架的齊直度、支架的錯茬倒架程度、支架的接頂效果、支架前梁梁端距的大小等。上述控制兩端頭出口的大小是為了保證有足夠的安全出口，確保逃生通道暢通；對于頭尾底板的過渡，則涉及到頭尾能否“割透”的問題，在正常情況下從兩順槽至工作面內(nèi)一段范圍的底板應(yīng)過渡平緩，避免出現(xiàn)大的坑包，尤其應(yīng)避免過渡范圍內(nèi)出現(xiàn)坑，導(dǎo)致前滾筒臥不到巷道底板，頭尾割不透，進(jìn)而又導(dǎo)致過渡處刮板輸送機(jī)“起翹”，影響設(shè)備正常運行；頂?shù)装宓钠秸葘τ诔浞职l(fā)揮支架的支撐能力至關(guān)重要，要求頂板和底板要割平，底板不出現(xiàn)過多的坑包，不大提大臥，頂板要杜絕高低不平，否則將導(dǎo)致工作面支架齊直度差、支架倒架錯茬多、前梁“栽頭”不接頂、護(hù)頂效果差、頂板漏冒、梁端距大的問題。至于采高，則要在設(shè)計采高范圍內(nèi)，保證足夠的采高，少留或不留頂?shù)酌?，降低損失率，保證工作面的產(chǎn)能，減少遺煤進(jìn)入采空區(qū)。另外，諸如在生產(chǎn)過程中端部斜切進(jìn)刀時，要保證斜切段足夠平緩，有利于保護(hù)采煤機(jī)行走箱，類似的能通過精心操作設(shè)備而保護(hù)到設(shè)備的操作也可以劃入到工程質(zhì)量的考核中。

支架錯茬是指在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的支架不正，支架左右歪斜，支架中心線向機(jī)頭方向或機(jī)尾方向撇、旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，如圖1所示。連續(xù)兩架發(fā)生輕微錯茬，往機(jī)尾方向撇，每架的兩個立柱液壓鎖前后錯位。8.8m采高工作面自投產(chǎn)以來，工作面支架錯茬頻繁，常有前后錯位嚴(yán)重的情況發(fā)生，加之支架體重大，錯茬的支架，尤其是個別錯茬嚴(yán)重的支架往往較難在一刀煤期間完成擰正調(diào)整。

圖1 支架錯茬

3.1 支架錯茬的原因及結(jié)果分析

支架錯茬的本質(zhì)原因應(yīng)是有一個力矩M作用在支架上，使其發(fā)生一定程度旋轉(zhuǎn)而錯茬。結(jié)合現(xiàn)場，工作面支架錯茬與刮板輸送機(jī)的竄動存在關(guān)系，刮板輸送機(jī)竄動帶動支架向竄動的方向撇，產(chǎn)生一個力矩導(dǎo)致支架不正；還有，與底板的起伏不平及移架過程中支架受額外力等均存在密切聯(lián)系。

工作面若出現(xiàn)大范圍支架錯茬會影響支架整體的齊直度。其次，錯茬的支架擠左右鄰架的側(cè)護(hù)板，導(dǎo)致移架速度慢，同時也可能導(dǎo)致錯茬的支架再倒架，惡化支架的狀態(tài)。另外，錯茬的支架會影響到刮板輸送機(jī)的來回竄動，尤其是在工作面需要通過加甩刀(此處的加甩刀是指在工作面機(jī)頭段或機(jī)尾段多割一刀或少割一刀，通過增加或減少局部推進(jìn)度的方式來調(diào)整上下端頭出口大小的方法)來調(diào)整兩端頭出口時，刮板輸送機(jī)竄動帶動支架推拉桿向竄動的方向撇，此時支架若向與竄動方向相反的方向撇，則影響到了刮板輸送機(jī)的竄動，同時也會導(dǎo)致支架推拉桿額外受力，易損壞推拉部件。

3.2 支架錯茬動態(tài)調(diào)整法

支架錯茬調(diào)整歸根結(jié)底應(yīng)從施加一個與力矩M方向相反的力矩M′出發(fā)，使錯茬的支架產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)的效果而完成擰正調(diào)整。這其中首先應(yīng)找到支架的重心位置，然后再通過找到一個外力F，使其能以重心點為矩心生成力矩M′，從而使錯茬的支架發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

3.2.1 確定支架重心位置

在現(xiàn)場生產(chǎn)過程中，常有支架“前重后輕”的說法，這種說法是根據(jù)支架主要結(jié)構(gòu)件的重量而得出的一種判斷。ZY26000/40/88D型中部支架頂梁、兩根立柱及底座的重量占總重量約70%，掩護(hù)梁及四連桿重量相對較輕，由于支架為非連續(xù)、形狀不很規(guī)則的結(jié)構(gòu)組合體，其重心準(zhǔn)確位置實際不容易確定。

對于液壓支架這樣不連續(xù)的結(jié)構(gòu)組合體，多采用對稱性法、懸掛法及稱重法。液壓支架雖為結(jié)構(gòu)組合體，但其實際為對稱物體，利用對稱性法可以首先知道，支架的重心位于支架的對稱面內(nèi)，即支架中心線所在面。而懸掛法和稱重法則是通過物理實驗的方法確定物體的重心，對于重量大、體積大的ZY26000/40/88D型支架，可操作性低，同樣不適用。目前，得益于計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步及三維數(shù)值模擬軟件的發(fā)展，確定液壓支架的重心廣泛借助三維數(shù)值模擬軟件，先通過建立比例為1∶1的支架數(shù)值模型，然后再從數(shù)值模型中快速導(dǎo)出支架的重心坐標(biāo)。利用已建立的數(shù)值模型，讀取支架從高度(支架底座底面至支架頂梁上表面)4000mm至8800mm，每升高100mm時支架的重心位置。各高度下支架的重心位置坐標(biāo)見表1(篇幅所限，僅列出每升高500mm時支架的重心位置)。

表1 支架重心坐標(biāo)位置

圖2 支架重心變化

將獲取的重心坐標(biāo)數(shù)據(jù)繪制，如圖2所示。分析表1，在支架高度為4000mm時，重心坐標(biāo)為(1120，1988，2338)；當(dāng)支架高度為8800mm時，重心坐標(biāo)(1120，1779，4744)；支架從高度4000mm升至8800mm，重心上升2406mm，重心前移209mm。不同支架高度下重心變化曲線在xz面上的投影表示重心z坐標(biāo)與支架高度基本呈線性相關(guān)，z坐標(biāo)隨支架高度增加而快速升高；重心變化曲線在xy面上的投影表示重心y坐標(biāo)在支架升高過程中發(fā)生前移，在支架高度小于6000mm時，重心y坐標(biāo)前移速度慢，變化幅度小，當(dāng)支架高度超過6000mm時，重心y坐標(biāo)前移速度相對較快；重心變化曲線在yz面上的投影表示重心y坐標(biāo)與z坐標(biāo)同時變化的趨勢，其實質(zhì)為支架升高過程中支架對稱面上重心點的變化軌跡曲線。

結(jié)合現(xiàn)場，12402工作面平均采高按8500mm算，在移架時降柱200mm，此時支架高度為8300mm，則其重心坐標(biāo)為(1120，1812，4511)。

3.2.2 確定外力F

確定外力F相對較易，可以考慮將底調(diào)千斤頂作為一個外力F施加在錯茬的支架上。在實際現(xiàn)場應(yīng)用中，底調(diào)千斤頂主要被用來調(diào)整架縫寬度及支架倒架嚴(yán)重時，與側(cè)護(hù)板配合使用將倒架扶正。ZY26000/40/88D型支架底調(diào)千斤頂缸徑230mm，活塞桿直徑140mm，行程370mm，在35MPa的額定供液壓力下，推力為989kN，可推物體質(zhì)量大于100t。支架在設(shè)計時，僅設(shè)計單獨一個底調(diào)千斤頂并安裝在支架底座的左側(cè)，即機(jī)頭側(cè)。

底調(diào)千斤頂中心y坐標(biāo)為2400mm，支架在降柱準(zhǔn)備移架時的高度為8300mm，此時的重心y坐標(biāo)為1812mm(按1800mm計算)，兩點間存在一定距離，可以形成有效力臂d，生成力矩M′。但是，在現(xiàn)場操作過程中發(fā)現(xiàn)，僅在支架靜態(tài)時進(jìn)行調(diào)整，由于阻力大錯茬調(diào)整效果甚微，而在支架移架的動態(tài)過程中進(jìn)行調(diào)整，則調(diào)整效果顯著。

3.2.3 動態(tài)調(diào)整現(xiàn)場操作方法

錯茬的支架動態(tài)調(diào)整需要2個支架工(假設(shè)為甲和乙)在跟機(jī)移架時配合進(jìn)行操作，如圖3(a)—(d)所示。

圖3 錯茬支架動態(tài)調(diào)整法

在圖3(a)中，煤機(jī)往機(jī)頭方向割煤，錯茬的2#架向機(jī)尾方向撇。此時，需要其中一個支架工甲在1#架進(jìn)行鄰架電控操作準(zhǔn)備將2#架跟機(jī)移出，另一個支架工乙在3#架準(zhǔn)備進(jìn)行錯茬調(diào)整。從圖中看出，可以通過將3#架的底調(diào)千斤頂伸出或?qū)?#架的底調(diào)千斤頂伸出兩種方式調(diào)整2#架，兩種方式下底調(diào)千斤頂提供的力均與2#架重心存在一定距離，能形成力臂。但是，比較而言，在2#架移動過程中，3#架底調(diào)千斤頂作用在2#架上的力與2#架重心間的力臂會越來越短，在2#架移出約500mm后，力位于重心點之后，起不到調(diào)整擰正效果的同時會加重2#架向機(jī)尾方向撇的程度。因此，針對圖3(a)所示情況，主要采用上述第二種方式調(diào)整2#架，在2#架移出約500mm時，甲暫時停止移架，乙迅速走到2#架，利用控制閥將2#架本架的底調(diào)千斤頂伸出進(jìn)行調(diào)整。目前在現(xiàn)場操作過程中，為避免出現(xiàn)調(diào)整過度(2#架擰正后又向機(jī)頭方向撇、架縫過寬漏矸石)的情況，通常在2#架即將移到位時，才將底調(diào)千斤頂伸出頂至1#架，生成力F，大小約989kN，同時力臂d為600mm，可形成力矩M′(大小按公式(4)進(jìn)行計算)，大小約593kN·m。在力矩M′的作用下，可實現(xiàn)對2#架的擰正調(diào)整。

|M′|=Fd

(4)

式中，|M′|為力矩M′的模；F為外力F的數(shù)值；d為力臂的長度值。

在圖3(b)中，煤機(jī)往機(jī)頭方向割煤，錯茬的2#架向機(jī)頭方向撇。從圖中可以看出，2#架只能通過3#架進(jìn)行調(diào)整。同樣，支架工甲在1#架進(jìn)行操作將2#架移出，在移出約500mm時，力F開始位于重心點之后，此時，3#架的乙將3#架底調(diào)千斤頂伸出并頂至2#架開始進(jìn)行調(diào)整。理論上，2#架移出越多，力臂d越長，力矩M′的值越大，調(diào)整效果更好，因此，在現(xiàn)場操作過程中，同樣是在2#架即將移到位時，才將3#架底調(diào)千斤頂伸出并頂至2#架進(jìn)行調(diào)整。在2#架移出約500mm時，力臂d約為220mm，力矩M′的值約為218kN·m。

在圖3(c)中，煤機(jī)往機(jī)尾方向割煤，錯茬的2#架向機(jī)尾方向撇。與圖3(a)不同的是，支架工甲在3#架進(jìn)行操作準(zhǔn)備將2#架移出，在2#架移出約500mm時，在1#架的乙迅速走到2#架開始將底調(diào)千斤頂伸出。同樣，在2#架即將移到位時，才將底調(diào)千斤頂伸出頂至1#架，生成M′，大小同樣約為593kN·m。

在圖3(d)中，煤機(jī)往機(jī)尾方向割煤，錯茬的2#架向機(jī)頭方向撇。該種情況下，僅需要支架工甲一人在3#架進(jìn)行操作即可完成對2#架的調(diào)整。甲在2#架移出約500mm時，開始手動操作3#架底調(diào)千斤頂控制閥將其底調(diào)千斤頂伸出。同樣，在2#架即將移到位時，力臂d最長，此時將3#架底調(diào)千斤頂伸出并頂至2#架進(jìn)行調(diào)整效果最好。在2#架移出約500mm時，力臂d約為1080mm，力矩M′的值約為1068kN·m。

綜合比較上述常見的4種情況在現(xiàn)場應(yīng)用中的效果，(d)種情況調(diào)整效果最好，(a)和(c)次之，(b)最差，所以，也可以得出轉(zhuǎn)動支架的理想力矩|Mi|至少應(yīng)大于218kN·m。(d)種情況利用一刀煤即可完成調(diào)整；(a)和(c)在支架錯茬歪斜程度輕微時，在一刀煤期間也可完成調(diào)整；(b)利用一刀煤很難完成調(diào)整，所以在該種情況下，若支架錯茬歪斜程度不嚴(yán)重，為提高跟機(jī)移架速度，可以先不進(jìn)行調(diào)整，待下一刀往機(jī)尾割煤時再進(jìn)行調(diào)整。

3.3 甩掉掩護(hù)梁上一個側(cè)推千斤頂[14]

ZY26000/40/88D型液壓支架設(shè)計有4組(頂梁2組、掩護(hù)梁2組)共8個側(cè)推千斤頂[14]，對稱布置于支架頂梁和掩護(hù)梁的兩側(cè)。側(cè)推千斤頂缸徑100mm，活塞桿直徑70mm，行程190mm，在35 MPa的額定供液壓力下，推力為274kN，每側(cè)4個(圖4中F1—F4)同時伸出，可推物體質(zhì)量大于100t。這里所述的甩掉掩護(hù)梁上一個側(cè)推千斤頂，實際上甩的為圖4中的F3。

圖4 支架俯視

在12401工作面生產(chǎn)期間曾出現(xiàn)過工作面支架整體總是向機(jī)尾方向錯茬歪斜的不利情況，且部分被調(diào)整過來后隨著推進(jìn)仍然會繼續(xù)向尾錯茬，阻礙刮板輸送機(jī)向機(jī)頭方向竄動，影響調(diào)整兩端頭出口的大小。因此，判斷支架在移架過程中受到額外力F并能生成有效力矩Mc始終作用在支架上，使支架總是向機(jī)尾方向錯茬歪斜。

12401和12402工作面煤層底板整體呈機(jī)頭高、機(jī)尾低的趨勢，因此，在現(xiàn)場生產(chǎn)過程中頻繁出現(xiàn)支架向機(jī)尾方向傾倒的情況。在支架不受卡阻的情況下，移動的支架所受額外力應(yīng)是扶倒架時頂梁和掩護(hù)梁上右側(cè)4個側(cè)推千斤頂提供的橫向力F1～F4。由圖4可知，2#架向機(jī)尾方向傾倒，煤機(jī)無論是向機(jī)頭或機(jī)尾割煤，2#架在移動過程中均需要將本架右側(cè)的4個側(cè)推千斤頂伸出并頂至3#架，形成F1～F4后將2#架扶正。2#架在降柱后的高度仍按8300mm算，此時的重心y坐標(biāo)為1800mm，d1為2010mm，d2為470mm，d3為1290mm，d4為2500mm，由此可求得M1的值約為551kN·m，M2的值約為129kN·m，M3的值約為353kN·m，M4的值為685kN·m，|M3|與|M4|之和要比|M1|與|M2|之和大358kN·m。所以，在扶2#架的過程中會始終有一個順時針方向的等效力矩Mc(值為358kN·m)作用在2#架上，且其值大于218kN·m，造成2#架逐漸向機(jī)尾方向錯茬歪斜。

在不斷扶倒架的過程中會造成倒的支架不斷向尾錯茬歪斜，使得錯茬的支架調(diào)整效果一直不佳，直至整個工作面支架整體總是向尾錯茬歪斜。所以，為解決這一問題，甩掉了掩護(hù)梁右側(cè)上方的側(cè)推千斤頂，即F3，將力矩Mc的值減少到約5kN·m，遠(yuǎn)小于218kN·m，不會造成支架發(fā)生旋轉(zhuǎn)。在甩掉以后，現(xiàn)場調(diào)整效果較好并一直沿用至12402工作面。

4 結(jié) 論

1)支架錯茬是綜采工作面工程質(zhì)量考核重要的一部分，應(yīng)當(dāng)給予充分重視，在支架剛開始錯茬時就應(yīng)當(dāng)及時進(jìn)行調(diào)整。

2)支架錯茬動態(tài)調(diào)整法的關(guān)鍵是準(zhǔn)確找到支架的重心點，然后利用底調(diào)千斤頂進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整時要注意方式與方法，避免出現(xiàn)頂反或頂過度的情況。

3)支架檢修工要保證底調(diào)千斤頂液壓系統(tǒng)完好、控制閥動作靈敏，確保設(shè)備能正常使用。

4)支架錯茬動態(tài)調(diào)整法需要2個支架工互相配合進(jìn)行操作，在調(diào)整的過程中支架工要注意架間縫隙掉矸(實際已在支架掩護(hù)梁上加設(shè)導(dǎo)矸槽，可有效防止矸石掉入架內(nèi))，要做好自身防護(hù)，同時在支架移動過程中要控制好側(cè)護(hù)板的收回量。另外，在正常跟機(jī)移架過程中支架工要及時調(diào)整架縫，保證架縫寬度合理，為調(diào)整支架錯茬提供安全可靠的環(huán)境。

5)運用動態(tài)法調(diào)整支架錯茬可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)煤機(jī)往機(jī)頭割煤時，調(diào)整向機(jī)尾方向錯茬歪斜的支架效果好；當(dāng)煤機(jī)往機(jī)尾割煤時，調(diào)整向機(jī)頭方向錯茬歪斜的支架效果好。

6)甩掉支架掩護(hù)梁右側(cè)上方的側(cè)推千斤頂是從支架在移動過程中可能受額外力，從而導(dǎo)致支架錯茬的角度進(jìn)行考慮，其本身也是對支架錯茬的原因分析。通過甩掉這一側(cè)推千斤頂，同樣能有效調(diào)整支架錯茬。