汾源煤業(yè)大傾角工作面支架防傾倒技術(shù)研究

薛力瑞

（霍州煤電集團(tuán)汾源煤業(yè)有限公司，山西 靜樂 035107）

1 工程概況

霍州煤電集團(tuán)汾源煤業(yè)位于忻州市靜樂縣，井田可采煤層為2、3 號(hào)-1、5 號(hào)煤層，其中5 號(hào)煤層平均厚度10.29 m，傾角32°～45°，平均為39°，為大傾角厚煤層，地質(zhì)構(gòu)造類型屬簡(jiǎn)單，為穩(wěn)定可采煤層，設(shè)計(jì)采用綜采放頂煤回采5 號(hào)煤層。

5 號(hào)煤層直接頂巖層為5.5～12.1 m 厚的泥質(zhì)灰?guī)r和泥巖互層，老頂巖層為3.5～9.2 m 的中粒砂巖。直接底巖層為1.5～3.5 m 厚的泥巖，老底巖層為2.8～6.8 m 厚的砂巖。5 號(hào)煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2 沿煤層傾向工作面液壓支架穩(wěn)定性分析

在回采5 號(hào)煤層期間，由于煤層傾角較大，工作面液壓支架會(huì)受到頂板巖層的側(cè)向壓力，尤其當(dāng)局部頂板巖層較為破碎，頂板局部冒落時(shí)，工作面液壓支架受到的側(cè)向擠壓作用尤為明顯，會(huì)嚴(yán)重影響液壓支架的穩(wěn)定性[1，2]。沿煤層傾向，工作面液壓支架受力如圖1 所示。

圖1 沿工作面傾向液壓支架受力

根據(jù)工作面液壓支架受力分析可得：

由上式可得：

式中：α為液壓支架傾倒臨界角，°；H為液壓支架的高度，m；B為液壓支架的寬度，m；M為液壓支架與頂板巖層間的摩擦系數(shù)，μ=0.4；G為液壓支架自重，kN；F為頂板巖層側(cè)向壓力，kN；B為走向角度，°；R12為液壓支架工作阻力，kN。

由上式可知，煤層傾向方向，液壓支架自重G、寬度B、高度h、工作阻力R12等因素都會(huì)影響液壓支架傾倒臨界角α，排除液壓支架本身的固定參數(shù)，其傾倒臨界角大小與工作阻力R12成正比，與走向角度β及頂板巖層的側(cè)向壓力F成反比。因此，增大液壓支架工作阻力，減小頂板巖層側(cè)向壓力及走向角度更有利于工作面液壓支架的穩(wěn)定。工作面回采過程中，由于周期來壓期間，礦壓明顯增大，頂板巖層側(cè)向壓力也隨之增大，因此周期來壓期間液壓支架極易失穩(wěn)傾倒。

3 工作面液壓支架防傾倒措施及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 增大工作面頂板的摩擦系數(shù)

上述研究成果表明頂板巖層破碎和冒空程度對(duì)工作面支架與頂板間摩擦系數(shù)影響很大；因此，提出在頂板巖層破碎帶位置鋪設(shè)5.0 m×1.0 m 的金屬網(wǎng)，在應(yīng)力集中的局部區(qū)域可鋪設(shè)雙層金屬網(wǎng)，不僅可以增大液壓支架與頂板巖層間的摩擦系數(shù)，還可防止冒頂，現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)金屬網(wǎng)如圖2 所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)金屬網(wǎng)

3.2 工作面“三機(jī)”聯(lián)合控制

對(duì)于大傾角工作面，做好輸送機(jī)防滑非常重要，一旦輸送機(jī)發(fā)生下滑，會(huì)增大液壓支架所受下滑力，極易導(dǎo)致工作面“三機(jī)”失穩(wěn)事故[3,4]；因此，一定要做好“三機(jī)”防滑措施。為提高“三機(jī)”穩(wěn)定性，如圖3所示，每隔10 架液壓支架就安裝一組防滑千斤頂，用于防止輸送機(jī)下滑。

圖3 設(shè)置防滑千斤頂

3.3 液壓支架防傾倒

為防止工作面液壓支架傾倒，除了保證支架初撐力及帶壓移架外，還可在液壓支架頂梁處安裝防倒裝置。防倒裝置如圖4 所示，可有效提高工作面液壓支架的穩(wěn)定性，防止液壓支架出現(xiàn)傾倒現(xiàn)象。

圖4 液壓支架防倒裝置

3.4 調(diào)整液壓支架移架方式

針對(duì)大傾角工作面液壓支架的受力特點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)移架方式進(jìn)行調(diào)整，采取由機(jī)尾向機(jī)頭單向移架的方式進(jìn)行移架，這樣液壓支架側(cè)護(hù)板可對(duì)偏移的液壓支架進(jìn)行及時(shí)修正。機(jī)頭位置前3 架液壓支架對(duì)工作面液壓支架整體穩(wěn)定性影響非常大，因此，在移架過程中要設(shè)計(jì)專門的移架方案：首先移動(dòng)第2架液壓支架，在移架過程中借助防倒裝置保持支架的穩(wěn)定，并且還應(yīng)保持支架頂梁與頂板巖層接觸良好；然后移動(dòng)第1 架液壓支架，在移架時(shí)，借助防滑千斤頂和防倒裝置保證帶壓移架及第1 架液壓支架的穩(wěn)定性；最后按照移動(dòng)第2 架的方式移動(dòng)第3 架液壓支架。在整個(gè)移架過程中，要對(duì)機(jī)頭第1 架液壓支架的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，了解工作面液壓支架的移動(dòng)狀態(tài)。

3.5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

對(duì)5-101 工作面液壓支架采取上述防傾倒措施后，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)液壓支架工作狀況。工作面每6 架布置1 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)用于監(jiān)測(cè)液壓支架工作阻力，共布置11個(gè)測(cè)點(diǎn)，為分析方便，將1 - 4 號(hào)測(cè)點(diǎn)劃為下部測(cè)站，5 -8 號(hào)測(cè)定劃為中部測(cè)站，9-11 號(hào)測(cè)點(diǎn)為上部測(cè)站，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線如圖5 所示。

如圖5 所示，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共監(jiān)測(cè)到17 次周期來壓，工作面支架大部分來壓。總體上看工作面兩端來壓次數(shù)較中部少，來壓次數(shù)最多的部位為12、18 號(hào)附近，即工作面變坡點(diǎn)附近，此2 處來壓強(qiáng)度最大，60 、66 號(hào)架附近來壓強(qiáng)度最?。粊韷翰骄嗥骄鶠?2.4 m，由于6、60、66 號(hào)架周期來壓規(guī)律性不強(qiáng)，剔除后平均周期來壓步距為12 m，且工作面液壓支架整體穩(wěn)定性良好，并未出現(xiàn)傾倒顯現(xiàn)。

圖5 工作面液壓支架工作阻力監(jiān)測(cè)曲線

由以上分析可以看出，5-101 工作面周期來壓有以下4 點(diǎn)規(guī)律：

1）工作面不同區(qū)段來壓頻次、強(qiáng)度不均衡，中部來壓強(qiáng)度、頻次大于工作面兩端。

2）從時(shí)間上看12、18 號(hào)來壓發(fā)生較其他支架早、可作為工作面來壓判斷的基準(zhǔn)。

3）目前數(shù)據(jù)分析整個(gè)工作面來壓步距為12.4 m，以目前的推進(jìn)速度1.8 m/d，平均7 d 發(fā)生1 次周期來壓，來壓在整個(gè)工作面持續(xù)時(shí)間約2 d。

4 結(jié) 論

本文以霍州煤電集團(tuán)汾源煤業(yè)5-101 工作面為工程背景，通過理論分析及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，得到以下結(jié)論：

1）工作面液壓支架傾倒臨界角大小與工作阻力R12 成正比，與走向角度β 及頂板巖層的側(cè)向壓力F 成反比，因此，周期來壓期間液壓支架極易失穩(wěn)傾倒。

2）通過鋪設(shè)技術(shù)網(wǎng)的方式增大液壓支架與頂板巖層間的摩擦系數(shù)，同時(shí)在液壓支架上安裝防滑千斤頂和防傾倒裝置，保證液壓支架整體穩(wěn)定性，并結(jié)合調(diào)整液壓支架移架方式的綜合方案，保證大傾角工作面液壓支架的穩(wěn)定性，同時(shí)做好液壓支架的實(shí)時(shí)監(jiān)控，尤其是周期來壓期間，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控液壓支架的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

3）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，液壓支架整體穩(wěn)定性良好，周期來壓期間，呈現(xiàn)中部強(qiáng)度大，頻次高的特點(diǎn)，周期來壓步距平均為12.4 m。