大采高工作面伪斜开采设备上窜下滑机理及控制

范志忠

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.中国矿业大学(北京) 资源学院，北京 100083)

工作面倾角越大、长度越长，回采过程中设备管理难度越大，刮板输送机“上窜下滑”是制约大倾角大采高工作面设备管理的主要因素[1-3]。造成刮板输送机“上窜下滑”的因素很多，有工作面倾角、刮板机驱动方向及开采工艺等[4-6]。“上窜下滑”如不加以合理控制，在生产过程中存在刮板机卸煤困难，甚至将导致工作面上下安全出口不畅通，有时一个生产班就可能出现上下安全出口被堵死，造成工作面推移困难，需要开帮处理，严重制约工作面的安全和正常生产[7-8]。

伪倾斜开采是控制刮板输送机“上窜下滑”的主要技术措施，在煤层倾角较大时，为避免工作面支护和采煤机械、人员因为角度大而影响正常回采操作，工作面往往采用伪倾斜布置[9]。在设备管理中最主要的方面就是运输机的推移，伪倾斜管理在面长较短的工作面较为容易，因为工作面长度较短容易及时调整，但大采高大采长工作面如果待输送机一旦形成下滑趋势再调整，难度将会大幅增加[10-12]。

1 工作面概况

阳煤集团开元矿9711工作面为该矿第一个大采高工作面，工作面埋深364～417m，平均390.5m。工作面走向长度462m，倾斜长度220m。工作面共布置进风巷、回风巷、低位抽放巷和高位抽放巷4条回采巷道，采用大采高综采一次采全高回采工艺，全部垮落法管理顶板。工作面采用MG750/1900-GWD型机组双向割煤，ZY8000/26/56D两柱掩护式综采支架管理顶板，支架中心距为1.75m，进风巷端头支护采用ZFT25000/22/45D端头支架支护，回风巷采用1组ZY8000-24/50D过渡支架和单体柱支护，机尾排头支架原距回风巷外帮距离为1.4m。

9711工作面初采期间因留有底煤，且工作面上部底煤较厚，下部底煤较薄，上下巷高差较小。随着工作面推进期间，采煤机逐步沿底板割煤，上下巷高差变大，溜子和支架开始下滑。图1为工作面大幅下滑后的剖面示意，工作面基本沿煤层顶、底板回采，其中1～8 号架丢底煤0.6～1.0m，120号架～机尾丢底煤0.5～0.8m，工作面采高3.7～4.8m，回风巷与进风巷高差为20.7m，工作面平均角度为5.4°，最大角度为10°。

图1 9711工作面剖面

2 工作面回采情况

9711工作面采高较大，煤层强度低，为了便于围岩控制，随着工作面倾角的增加，回采过程中逐步按伪斜推进，图2为工作面一段时间机头机尾累计进尺以及机头超前机尾的距离统计。防止溜子下窜，截止11月27日，工作面机头累计进尺108.6m，机尾累计进尺79.4m，机头超前机尾29.2m，工作面调斜角度为7.6°。工作面原倾斜长220m，工作面因调斜增加2.0m。

图2 9711工作面累计进尺分析

调斜方式采用机头多进刀，机尾少进刀方式，基本按照头2尾1的比例组织进刀。进刀主要在两头进刀，工作面移架推溜均为从下向上推溜。但连续多天的调斜没有阻止设备进一步下滑，支架和溜子下滑反倒愈演愈烈。根据现场观测，工作面溜子下滑带动支架下滑，导致机尾排头支架已全部进入煤壁，机头下滑推动转载机向进风巷外帮移动，间距不足0.3m。由于刮板输送机采用端卸式，下滑前溜头仅搭接在转载机内侧挡板上，下滑后已进入转载机内挡板约0.5m，卸煤困难。

3 工作面设备下滑机理及控制措施

3.1 刮板输送机下滑力

经过对9711工作面进行分析，认为大倾角工作面本身具有一定的倾角，溜子在推移过程中由于自身重力在斜面上的分力会使溜子具有下滑的趋势。得出下滑力解析式为：

F=Gsinθ-Gμcosθ=G(sinθ-μcosθ)

式中，F为工作面下滑力；G为刮板输送机载荷；θ为工作面倾角；μ为摩擦系数。

3.2 伪斜角度不当

当工作面倾角过大时，为了减小设备的下滑和便于管理，工作面往往设置一定的伪斜。在不考虑推移杆偏斜的情况下，若单纯增大伪斜角度，则变相增加了推溜力的下滑力分量，即增大了下滑力。工作面伪斜布置示意如图3所示。

图3 工作面伪斜布置示意

设伪斜角度为α，正向推溜力为T，调伪斜后工作面倾角为θ′，伪斜长度为L，则有：

F=G(sinθ′-μcosθ′)+Tsinα

代入sinθ′=cosα·sinθ，则有：

以伪斜角α为变量求导，得出：

从上式可以看出，当工作面推溜力T和溜子载荷G比值一定的情况下，工作面倾角θ与伪斜角α呈指数曲线关系。图4为推溜力T和溜子载荷G比值与煤层倾角关系，煤层倾角越大，在溜子载荷G一定的情况下，需要的推溜力T越大，则适用伪斜的角度比例越小；图5为推溜力T和溜子载荷G比值与工作面伪斜角度关系，在煤层倾角一定的情况下，伪斜角度越大，需要的推溜力越大。从图4和图5还可以看出，工作面伪斜调整有其适用区间范围。

图4 推溜力T和溜子载荷G比值与煤层倾角关系

图5 推溜力T和溜子载荷G比值与工作面伪斜角度关系

3.3 刮板机驱动内部驱动力

刮板机由两侧的电动机驱动运转，机头与机尾在驱动上链和下链时存在作用力与反作用力的关系。链条进入和脱离机头的张力分别设为T1和T2，链条进入和脱离机尾的张力分别为T3和T4，输送机上链重载段的阻力为Wz，下链空载段的阻力为Wk，则有：

Wz=(qη1+qη2)Lcosα-(q+q0)Lsinα

Wk=q0L(η1cosα+sinα)

T1=T4+Wz

T3=T2+Wk

T1-T3=T4-T2+Wz-Wk≈Wz-Wk

式中，L为刮板输送机长度，m；q为刮板机单位长度煤炭重量，kN/m；q0为刮板链单位长度重量，kN/m；η1为溜槽中煤炭阻力系数；η2为刮板链运行阻力系数；α为工作面倾角，(°)。

由于上链在机头部为重链，而在机尾部为空链，进一步分析可知，刮板机底链无论机头机尾均为松链。对脱离机头的下链的力T2与脱离机尾上链的力T4的反作用力进行比较，由于均为松链，其值近似相等；而进入机头上链的力T1远大于进入机尾下链的力T3，其为差值Wz-Wk，因此造成刮板机下滑。刮板机驱动内部驱动力示意如图6所示。

图6 刮板机驱动内部驱动力示意

3.4 推移杆偏斜因素

在倾斜工作面，若推移杆出现偏斜，当偏斜后的支架推溜杆继续顺着偏斜方向推溜时，推溜力在偏斜方向上的分力又增大了溜子下滑力，加大了溜子的下滑量，移架时造成支架继续偏斜。如图7所示，假设推移杆和工作面走向或支架前移方向夹角为φ，推移进尺为d，则割1刀煤造成溜槽的下滑量为dsinφ。

图7 推移杆出现偏斜导致溜槽下滑

4 防止设备下滑控制措施

(1)工作面旋转调斜 当溜子上窜严重时，从机头开始，采用短刀向下割煤，最后割通刀，单向移架、单向推溜，移架和推溜为从机头向机尾上行移架推溜。进刀位置可依次选择在30号、50号、70号、90号、110号架等，最后从机尾进刀向机头方向割通刀，逐步扭转溜子的上窜趋势。

(2)支架转向调整 在溜槽下滑时，利用支架侧护板、底调梁和短单体辅助调架，在工作面推进过程中调整，逐步使支架扭头，保持底座和推移杆与溜槽垂直，使支架产生向上的推溜力。调架下端头1～10号架开始，逐步向上调架，其余支架尽可能在移架过程中用侧护板和底调梁调整。用短单体调架，是利用长度适宜的单体液压支柱一端支撑在上侧邻架的底座上，一端支撑在待移支架的四连杆上，使支架底座后部向下偏转。调架必须在移架的过程中进行，在利用单体调架时，必须采取远程供液的方式进行操作。

(3)采用单体辅助推溜 在推溜过程中，利用单体打支杆的方法控制前部溜子下滑，具体做法为单体的一端生根在本架的底座上，单体的另一端生根在相邻上支架的溜槽推溜头上，用远程供液操作，与支架推溜千斤顶同时推溜，利用单体反方向顶溜来控制溜子的下滑。

(4)保证支架足够初撑力 为避免支架接顶不实，造成支架顶梁在重力作用下沿倾角方向发生下滑，工作面全部支架应保证足够的初撑力，确保支架立直站稳，支架初撑力应达到初撑力额定值的90%以上。

开元矿9711大采高工作面出现设备下滑后，通过采取工作面旋转调斜、长短刀割煤、单体辅助推溜及借助支架侧护板、底调梁和短单体辅助调整支架推进方向，并提高支架初撑力等措施，快速解决了设备下滑问题，保证了工作面安全生产。

5 结 论

通过对大采高工作面伪斜开采设备上窜下滑机理及现场控制措施应用效果的研究，得出如下主要结论与认识：

(1)伪斜条件下，煤层倾角与工作面伪斜角呈指数曲线关系，煤层倾角越大，则适用伪斜的角度比例越小，工作面伪斜角度有其适用区间，若单纯增大伪斜角度，则变相增加了推溜力的下滑力分量，更容易导致上窜下滑。

(2)由于大采高综采面设备重型化，其本身由于工作面倾角存在下滑趋势外，还在于刮板链上链在机头部为重链，进入机头上链的力远大于进入机尾下链的力，其相互间的反作用力存在差值，因此造成刮板机下滑。此外，保持推移杆和工作面推进方向一致，对于防止设备上窜下滑也非常重要。