回采工作面液壓支架頂板支護(hù)穩(wěn)定性研究

高 翔

（山西焦煤臨汾宏大礦業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 臨汾 041000）

引言

為了防止巷道坍塌及落石等危險(xiǎn)，多數(shù)井下回采工作面都采用了液壓支架進(jìn)行支護(hù)，極大程度地保障了開采安全。礦井中地質(zhì)復(fù)雜，因此在不同環(huán)境中選擇合適的液壓支架及保證其穩(wěn)定工作就顯得尤為重要。不合適的支架支撐不住掉落的巖石，會(huì)發(fā)生壓架事故[1]，從而產(chǎn)生安全隱患。

1 工程概況

某煤礦下有一個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的煤層，在巷道中有夾矸，夾矸一層厚度大約在0.5 m，大致構(gòu)造為單斜構(gòu)造，煤層走向長1 200 m、傾向長460 m。煤層兩邊比中間厚，中間部分有220 m 較薄的煤層，厚度在1.2～2.7 m，平均厚度在2.0 m。礦層?xùn)|部有厚度在2.8～6.5 m 的部分。往西走有3.0～7.1 m 的煤層，平均厚度在5.1 m。整體煤層的巖石硬度＞3，頂板巖石硬度系數(shù)＞10。回采工作面的直接頂初次垮落步距為11 m?；卷敵醮蝸韷翰骄?9.6 m，基本頂?shù)恼w表現(xiàn)性強(qiáng)，不易垮塌，會(huì)形成懸頂[2]，清楚地顯現(xiàn)了堅(jiān)硬頂板礦壓顯現(xiàn)特征。

2 支架穩(wěn)定性分析

通常在工作狀態(tài)下，液壓支架在沿著工作面安裝的方向會(huì)失去穩(wěn)定性，沿著煤礦開采方向也會(huì)失去穩(wěn)定性，失穩(wěn)的具體表現(xiàn)為壓架和傾倒等方面。支架在穩(wěn)定方面受到各種形式的影響，如煤層的傾角大小、沖擊力作用的位置及支架的支撐強(qiáng)度。在支架自由移動(dòng)的過程下，支架的頂梁沒有與巖體相觸，這種狀態(tài)也稱為自由工作狀態(tài)；而支架與接觸到工作面巷道的巖體后，頂梁會(huì)受到巖體給的壓力，進(jìn)入工作狀態(tài)。處于不同的工作狀態(tài)下，支架的穩(wěn)定性也會(huì)不一樣。

在煤層不平整存在傾角時(shí)，支架有兩種開采狀態(tài)，一種是俯斜開采，如圖1 所示；另一種是仰斜開采，如圖2 所示。這兩種開采方式的穩(wěn)定性也是不同的。

圖1 俯斜開采

圖2 仰斜開采

支架傾倒的臨界條件[3]如下：

式中：G 為支架的重力，kN；β 為支架傾倒時(shí)的臨界角度；H1為支架重心離地的高度；D 為支架底部長度；L1為支架距離底部的水平方向長度。

在有傾角的狀態(tài)下，當(dāng)處于工作狀態(tài)時(shí)，巖體給支架一個(gè)垂直于頂部的力，支架臨界條件變?yōu)椋?/p>

式中：f1為支架頂部與巖體之間的摩擦力；Q 為支架頂端所受到的力；H 為支架的高度。

對(duì)比式（1）和式（2）可以看出，在自由工作狀態(tài)下支架傾倒的角度較小，所以自由狀態(tài)支架容易傾倒，工作狀態(tài)下的支架不容易發(fā)生傾倒。

3 提高支架穩(wěn)定性措施

3.1 防傾倒

一般情況下，安裝支架時(shí)支架的傾斜角度要控制在23°左右，大于這一傾角時(shí)，支架極容易發(fā)生傾倒，所以要時(shí)常關(guān)注支架的傾角，發(fā)現(xiàn)傾角大于23°時(shí)，要及時(shí)采取措施，設(shè)置保護(hù)裝置，努力縮小頂板與支架之間的距離，保證支架可以正常工作，避免發(fā)生傾倒現(xiàn)象，產(chǎn)生安全事故；相近的支架之間，可以選擇安放一個(gè)千斤頂，在支架發(fā)生傾倒的情況時(shí)，千斤頂能起到一定的作用，調(diào)整支架的初始位置，使相鄰的支架作為一個(gè)支撐的地方，使傾倒的支架能在相對(duì)較少的時(shí)間里恢復(fù)到原來的位置，保證支架工作的穩(wěn)定性。

3.2 防滑

在工作狀態(tài)下，支架會(huì)出現(xiàn)前移的問題。一般情況下滑動(dòng)不能超過19°，但實(shí)際情況下，傾斜角一旦超過15°，就必須及時(shí)采取措施進(jìn)行預(yù)處理，防止意外發(fā)生?？梢赃M(jìn)行的操作如下：

1）在實(shí)際的推移過程中，要限制輸送機(jī)的滑動(dòng)距離。

2）在兩個(gè)支架之間安裝千斤頂，避免發(fā)生側(cè)滑現(xiàn)象，以初始支架的支點(diǎn)作用，提升支架位置設(shè)計(jì)的合理性。

3）支架和輸送裝置之間要安裝防滑設(shè)備，提高輸送時(shí)的安全，保障支架能在千斤頂?shù)淖饔孟禄謴?fù)到原來的位置，如圖3 所示。

圖3 支架與輸送機(jī)之間安裝防滑設(shè)備

3.3 工作方案實(shí)施

優(yōu)化工作面的方案設(shè)計(jì)，對(duì)工作面的傾斜程度要盡可能降低，在進(jìn)行移架的過程中，通過產(chǎn)生向上的力防止下滑。保障開采工作的有效性，逐級(jí)完成任務(wù)，保證回采技術(shù)的合理性，確保整個(gè)工作系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)能穩(wěn)定有效地進(jìn)行。

3.4 設(shè)備優(yōu)化

首先，可以增加支架的初撐力[4]，提高工作時(shí)的阻力。另外，盡量選取具有較大中心距的液壓支架，適當(dāng)?shù)丶訉捯簤褐Ъ艿牡鬃?。使用高壓變量柱塞泵，保證系統(tǒng)能自動(dòng)根據(jù)負(fù)載能力的變化來調(diào)節(jié)合適的壓力。使用分體式外部電機(jī)和油泵，有效進(jìn)行設(shè)備保養(yǎng)。液壓站采用溝道封堵技術(shù)，具有較高的密封性和可靠性。采用電磁溢流閥和雙向節(jié)流調(diào)速閥調(diào)節(jié)液壓站壓力與機(jī)器運(yùn)行速度。兩臺(tái)電機(jī)的速度通過液壓同步回路同步，以消除兩臺(tái)電機(jī)不同步造成的事故。

4 實(shí)際應(yīng)用效果

為了驗(yàn)證支架的穩(wěn)定性及一些基本構(gòu)件的強(qiáng)度，對(duì)支架側(cè)板及底梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，證明了該設(shè)計(jì)具有合理性，同時(shí)在制造的樣機(jī)并完善的設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上大量制出該支架。該支架在某礦回采工作面的傾斜工作面投入實(shí)際應(yīng)用，工作面成功推進(jìn)620 m，開采的煤量近16 萬t，由于增加了防倒滑設(shè)計(jì)，以及在開采過程中嚴(yán)格的技術(shù)管理、合格的操作能力和有效協(xié)作管理，保證了回采過程時(shí)各裝置的穩(wěn)定工作，使投入使用的液壓支架未出現(xiàn)傾倒事故和明顯的下滑現(xiàn)象，對(duì)該煤礦的煤層實(shí)現(xiàn)了成功開采。

5 結(jié)論

1）不同工作狀態(tài)下支架傾倒的臨界角度是不同的，工作狀態(tài)下傾倒的臨界角度較大，不易傾倒，根據(jù)實(shí)際情況控制支架傾角的大小，能有效防止傾倒事故的發(fā)生。

2）除了防止傾倒外，還可以通過防滑、提高支架強(qiáng)度等措施來提高支架的穩(wěn)定性，保證開采工作的效率和安全。