急傾斜煤層綜采面三機(jī)設(shè)備穩(wěn)定性及開切眼布置分析

許永杰

摘 要：本文分析了三機(jī)設(shè)備的受力狀態(tài)，指出了開切眼傾角是影響三機(jī)設(shè)備穩(wěn)定性的最大因素，得出了臨界狀態(tài)下開切眼傾角的最大值，提出了開切眼“急傾斜-圓弧過渡-緩傾斜”的布置方式，建立了圓弧過渡段模型，給出了圓弧過渡段角度和半徑的計(jì)算方法。研究表明，本文提出的開切眼布置方式將上部的急傾斜工作面逐步過渡為下部的緩傾斜工作面，可以從根本上改善設(shè)備受力狀態(tài)，有效遏制三機(jī)設(shè)備在開切眼時(shí)發(fā)生下滑、傾倒等情況。

關(guān)鍵詞：急傾斜煤層;綜合機(jī)械化;三機(jī)設(shè)備;穩(wěn)定性;開切眼

中圖分類號：TD823.97文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號：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

急傾斜煤層是指傾角45°以上的煤層。開采急傾斜煤層的礦井井型規(guī)模普遍較小，以中小型礦井為主，其開采機(jī)械化程度普遍較低[1]。急傾斜煤層綜合機(jī)械化開采在大型礦井中正逐步推廣，目前還存在一定的技術(shù)難題，集中體現(xiàn)在三機(jī)（采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和自移式液壓支架）設(shè)備的穩(wěn)定性上[2]。眾多學(xué)者從三機(jī)設(shè)備的防倒防滑入手進(jìn)行了研究，提出了設(shè)備的防倒防滑措施[3-4]。本文轉(zhuǎn)變研究視角，從開切眼巷道布置入手對其進(jìn)行分析。

1 三機(jī)設(shè)備穩(wěn)定性分析和開切眼傾角

急傾斜綜采工作面采煤機(jī)通過導(dǎo)向靴、滑靴等騎行在刮板輸送機(jī)上，刮板輸送機(jī)通過移溜千斤頂推桿與液壓支架底座連接。三機(jī)設(shè)備均處于一斜面受力狀態(tài)，則影響設(shè)備穩(wěn)定性的最大因素為開切眼傾角[θ]的大小，其次為三機(jī)設(shè)備自身的防倒防滑裝置及設(shè)備運(yùn)行管理措施;要想研究設(shè)備的穩(wěn)定性，首先要計(jì)算出設(shè)備穩(wěn)定性處于臨界狀態(tài)時(shí)的開切眼傾角[θ]。采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)設(shè)備受力可以簡化，如圖1所示。設(shè)備處于斜面受力狀態(tài)，其臨界狀態(tài)為設(shè)備所受的沿斜面向上的摩擦力逐漸變小，慢慢等于設(shè)備所受重力沿斜面向下的分力。

將摩擦系數(shù)[f]代入式（1）可以得出，圖1（a）臨界狀態(tài)下，開切眼傾角[θ]最大介于19°～22°;將摩擦系數(shù)[f]、支架工作阻力F與重力G代入式（2）、式（3）、式（4），得出圖1（b）臨界狀態(tài)下開切眼傾角[θ]最大介于20°～23°。綜上，急傾斜煤層開切眼布置的最大傾角不宜大于23°，大于23°時(shí)，三機(jī)設(shè)備將處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要采取相應(yīng)防倒防滑措施，以確保安全。

2 煤層傾角和開切眼傾角的關(guān)系

開切眼布置分為沿煤層傾向布置和偽傾斜布置兩種形式，詳情如圖2所示。根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系，由圖2可得：

通過式（5）、式（6）和式（7）可以得出，開切眼傾角[θ=arcsin（sinαcosβ）]，因此人們可以反算出確保開切眼傾角[θ]不大于23°時(shí)煤層傾角[α]對應(yīng)的最小偽傾斜角度[β]，詳情如表1所示。

從表1得出，當(dāng)煤層傾角小于23°時(shí)，開切眼無須進(jìn)行偽傾斜布置，三機(jī)設(shè)備處于穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)煤層傾角大于23°時(shí)，開切眼需要采用偽傾斜布置，盡量減小巷道傾角，以滿足三機(jī)設(shè)備穩(wěn)定性的需要。

3 開切眼布置

為了滿足急傾斜煤層綜合機(jī)械化開采的要求，本文結(jié)合烏茲別克斯坦共和國沙爾貢煤礦項(xiàng)目，提出開切眼采用“急傾斜-圓弧過渡-緩傾斜”的布置方式。

3.1 圓弧過渡段模型的建立

開切眼“急傾斜-圓弧過渡-緩傾斜”布置方式詳情如圖3所示。圓弧過渡段將上部的急傾斜工作面逐步過渡為下部的緩傾斜工作面，實(shí)質(zhì)上為一豎曲線（立面圓弧曲線）。嚴(yán)格地講，豎曲線其實(shí)為刮板輸送機(jī)槽頂邊多段等長弦（弦長為一節(jié)刮板輸送機(jī)槽長度）串聯(lián)而成，詳情如圖4所示。

3.2 沙爾貢煤礦煤層賦存條件

沙爾貢煤礦開采單一急傾斜厚煤層，煤層厚度介于3.85～13.68 m，平均厚度為7.57 m，傾角介于45°～50°。煤層頂板為砂巖，煤層底板為石灰?guī)r和粉砂巖，屬中硬～堅(jiān)硬巖類。

3.3 圓弧過渡段角度和最小半徑的確定

沙爾貢煤礦采用綜合機(jī)械化放頂煤采煤法，前、后刮板輸送機(jī)型號為SGZ764/200，單節(jié)中部槽尺寸為1 500 mm（長）×722 mm（寬）×275 mm（高），節(jié)點(diǎn)連接最大允許夾角為3°。為更好地滿足三機(jī)設(shè)備穩(wěn)定性的需要，開切眼傾角確定為22°，則圓弧過渡段最大角度為28°，對應(yīng)的刮板輸送機(jī)節(jié)數(shù)為10節(jié)。將以上數(shù)據(jù)代入式（9）、式（10）和式（11），計(jì)算結(jié)果詳情如表2所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，沙爾貢煤礦煤層傾角45°～50°對應(yīng)的圓弧過渡段角度為23°～28°，圓弧過渡段最小半徑為30.7～37.4 m，為了便于施工和回采，圓弧過渡段半徑統(tǒng)一取37.5 m。

4 結(jié)論

本研究對開切眼偽傾斜布置進(jìn)行了分析計(jì)算，推導(dǎo)了開切眼傾角、煤層傾角和偽傾斜角度的相互關(guān)系，分析了偽傾斜角度過大的弊端。其間結(jié)合具體項(xiàng)目提出了開切眼“急傾斜-圓弧過渡-緩傾斜”的布置方式，建立了圓弧過渡段模型，給出了圓弧過渡段角度和半徑的計(jì)算方法。工作面開切眼采用“急傾斜-圓弧過渡-緩傾斜”的布置方式，將上部的急傾斜工作面逐步過渡為下部的緩傾斜工作面，從根本上改善了設(shè)備的受力狀態(tài)，有效地遏制了三機(jī)設(shè)備在開切眼時(shí)發(fā)生下滑、傾倒等情況，提高了支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50215—2015[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

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