急倾斜薄煤层工作面支架稳定性优化研究

徐 鹏

(霍州煤电集团有限责任公司 团柏煤矿，山西 霍州 031400)

急倾斜薄煤层是指倾角大于45°而煤层厚度小于1.3 m的煤层。在我国，急倾斜薄煤层的储量大约占煤炭总储量的13%，主要矿区多有分布，其年产量占全国煤炭总产量的5%～8%，并随着开采强度的增大呈逐年增加趋势。在我国西部大多地区，由于地质构造的作用，急倾斜煤层分布较为广泛。在开采急倾斜煤层时，由于工作面底板角度大于45°，支架无法满足基本的稳定性，常常会出现下滑、倾倒现象[1-3]. 因此，急倾斜煤层的开采方案需要根据矿井煤层的地质构造，针对性地提出技术措施，参考各种影响因素对支架失稳安全系数进行分析，确定合理的采煤方法与回采工艺[4].

1 工程背景

本文选取的研究对象为逢春煤矿S2611工作面。逢春煤矿井田走向全长为3.7 km，宽0.8～2.0 km，总面积约为18 km2. 该工作面水平为+230 m，属于南一采区工作面，走向全长约为381.5 m，倾斜长约为84.36 m，总面积约为321 82 m2. 工作面标高+393.38～+465.46 m，可开采的平均厚度约为0.93 m，煤层倾角为55°. 基本顶与直接底主要为砂质泥岩，厚度分别为3.38 m、1.56 m，直接顶主要以煤与泥岩为主，厚度约1.03 m，基本底主要以泥灰岩为主，厚度约为1.53 m.

采用综合机械化采煤法开采S2611工作面时，由于煤层倾角较大，使得顶板分层的水平应力大于垂直应力，影响工作面回采设备的稳定性。并且在大倾角布置工作面时，液压支架、刮板输送机、采煤机会在自身重力的作用下，产生平行于布置面的分力，造成下滑、倾倒现象。而支架是整个回采工作面的运行核心，为确保工作面的正常回采，必须对支架失稳现象进行技术优化，并提出相应的防治措施[5-6].

2 支架稳定性分析

2.1 支架受力分析

在研究急倾斜煤层支架的受力状况时，应当在从单个支架正常工作时，对顶板力、自重力、底板力以及顶底板对支架的摩擦力进行总体分析。受力分析图见图1，图1中忽略了刮板输送机与采煤机对支架的下拉力。

P—顶板压力 G—支架自重 N—底板支持力 f2与f1—顶、底板对支架摩擦力图1 支架失稳力学分析模型图

2.2 支架下滑失稳力学分析

支架未发生下滑时的极限条件为：

Fkh=f1+f2≥Fh=Gsinθ+Psinθ

(1)

式中：

Fkh—支架发生下滑趋势时的极限阻力，kN；

Fh—支架下滑力，kN；

θ—煤层的倾角，(°).

已知，支架的下滑安全系数k为：

(2)

其中：

(3)

式中：

μ—支架与底板间的摩擦系数，此处取0.4；

Pz—支架工作阻力[7]，kN.

结合式(2)与式(3)可得：

(4)

为研究各项参数对支架稳定性的影响，分别对各项参数进行赋值。通过改变参数大小，研究支架稳定性与参数之间的相互关系，分别得到4组分析曲线图，见图2.

由图2可知：对支架下滑安全系数影响最大的因素为煤层的倾角，近似为双曲线形状，倾角越大则安全系数越小；支架自重与安全系数大致呈现为反比关系，而与工作阻力大致呈现为正比例增长关系；安全系数与顶板压力之间近似为双曲线关系，顶板压力越大则安全系数越小。由于支架工作阻力是4种因素中唯一可控因素，因此可以通过改变支架的工作阻力实现安全系数的提高。对于特定的煤层，倾角与顶板压力是给定的，若要改变支架的下滑安全系数，需要人为的减轻支架自重，并同时增大支架的工作阻力，可以适当地提高支架的下滑安全系数。

2.3 支架倾倒失稳力学分析

支架未发生倾倒时的边界条件为[8]：

Mq=cGsinθ+hPsinθ

(5)

式中：

Mq、Mkq—支架发生倾倒时的力矩与阻力矩，kN·m.

已知，支架的倾倒系数λ为：

(6)

式中：

c—支架重心到底座的距离，m；

h—支架高度，m；

b—支架宽度，m.

由式(3)与式(6)可得：

(7)

对式(7)分析，当开采急倾斜薄煤层时，由于厚度较小，在几何图形中将支架的重心与几何中心近似为同一点，即c=h/2. 由此可得式(8)：

(8)

为研究支架倾倒失稳安全系数与各项参数之间的相互关系，对式中各项参数赋值，可以得到图3所示的5组曲线关系图。

图3 支架倾倒安全系数与各项参数之间的关系曲线图

由图3可知：支架倾倒安全系数与煤层倾角之间呈现为双曲线关系，倾角越大则系数越小；与支架自重之间呈现为反比关系，自重越大则系数越小；与工作阻力、架宽成正比关系，工作阻力与架宽越大则系数越大；与顶板压力之间呈现为双曲线关系，顶板压力越大则系数越小。因此，对于给定的煤层，可以适当地增大工作阻力或者降低支架重量，提高支架倾倒安全系数。除此之外，架宽与架高的取值可作为支架选型的依据。

3 采煤方法的选取与支架选型

3.1 S2611工作面采煤方法设计

考虑急倾斜煤层倾角较大，易引发支架的下滑与倾倒失稳。因此，对S2611工作面设计俯伪斜或仰伪斜工作面开采[9].薄煤层采场矿压显现一般比较缓和，顶板活动不剧烈，因此矿压显现为设计中的次要考虑因素。在回采急倾斜工作面时，需考虑回采煤炭的自溜问题，防止在整个回采工作面中产生飞矸现象。然而，当选取俯伪斜布置工作面，可以使落煤沿着煤壁自溜，既避免了飞矸现象，又能够利用相邻架的架间距，使推溜过程中的上窜量与倾角形成的下窜量进行部分抵消，更有利于煤炭的回采[10].因此，采用俯伪斜综合机械化采煤法布置S2611工作面较为合理。S2611工作面布置图见图4，将工作面上、下顺槽沿煤层走向布置，通过布置俯伪斜工作面，采用后退式回采方式进行回采。

图4 S2611工作面布置图

3.2 S2611工作面支架选型

已知，S2611工作面采用俯伪斜回采时，工作面倾角为51°～57°，煤层倾角为73°，工作面采高1.1 m. 通过对比国内外急倾斜薄煤层综采液压支架的应用状况与适用条件，对该工作面支架进行选型。最终确定ZJY2400/8.5/15.5型液压支架布置俯伪斜工作面，此型号支架的额定工作阻力为2 400 kN，最小支撑高度为0.85 m，最大支撑高度为1.55 m. 支架主要技术参数见表1.

表1 ZJY2400/8.5/15.5型液压支架主要技术参数表

将支架参数数据带入式(1)～(8)，对其进行可行性分析，计算下滑安全系数与倾倒安全系数，可得k=1.23～1.488 > 1，λ=1.093～1.227>1.k>1说明支架下滑阻力大于下滑力；λ>1说明支架倾倒阻力矩大于倾倒力矩。因此，k>1且λ>1支架保持稳定，不会发生下滑和倾倒。由此可知，采用ZJY2400/8.5/15.5型液压支架布置俯伪斜工作面有较高的稳定性，有效地解决了支架的下滑与倾倒问题。

4 工作面支架防滑、防倒控制技术

通过上述分析可以发现，ZJY2400/8.5/15.5型液压支架在急倾斜薄煤层的俯伪斜开采中具备较高的可行性，能够高效率地解决实际工程问题。但是在实际应用中仍然存在着一些问题，例如对于一些有冒顶倾向，或者底板渗水情况的特定工作面，会改变支架的受力大小，对支架稳定性造成影响。因此，针对这种情形，应当对支架采取相应的防倒防滑技术措施：

1) 在支架顶梁处安装平拉式防倒装置，将防滑千斤顶的两头连接至相邻架的顶梁处，可通过千斤顶实现调架与防倒作用。

2) 在相邻架底座前后部安装前、后防滑装置，将防滑千斤顶的两头连接至底座套筒内的转轴处，实现底座的防滑控制。

3) 在支架顶梁与掩护梁处设计互不搭接的活动侧护板，通过千斤顶对其进行控制，可以实现顶梁与侧护板的单独、成组动作。

4) 在支架底座处设计底调装置，按照回采时的具体要求，实现支架的前调、后调以及整体调整控制。

通过对逢春煤矿S2611工作面ZJY2400/8.5/15.5型急倾斜液压支架以及防倒防滑技术措施的应用效果来看，该方案有效解决了支架的技术难题，避免了工作面顶底板事故的发生。自2016年11月起，工作面顺利推进280 m，回采效率提高了近3.6倍。并且在回采过程中，综采设备的各项性能与参数均未发生异常，基本满足薄煤层回采的技术要求。

5 结 论

1) 通过对支架进行下滑、倾倒失稳力学分析，得到了各项参数对支架下滑与倾倒的相互关系。煤层倾角越大、支架自重越大以及顶板压力越大，都会不同程度地增大支架失稳的可能。此外，支架的宽高比越大，则支架稳定性越高，由此选取ZJY2400/8.5/15.5型液压支架布置俯伪斜工作面，将其带入分析，可得支架下滑、倾倒的安全系数皆大于1，由此验证了该型号支架的可靠性与有效性，能够满足急倾斜薄煤层的开采要求。

2) 为解决特定工作环境对支架受力的影响，提出了支架防倒防滑技术措施，即通过添加防倒、防滑装置、活动侧护板以及底调装置增大支架安全系数。在S2611工作面采用该方案大幅度提高了支架的稳定性，在整个回采过程中，未发生顶底板事故，有效地提高了回采过程的安全性与稳定性。