大倾角综采工作面设备稳装技术研究

曹海龙

（大同煤矿集团永定庄煤业公司，山西 大同 037024）

1 概况

永定庄煤业公司石炭系山4#层8106 大倾角综采工作面走向长度1100 m，倾斜长度151.4 m，煤层厚度0.9～2.8 m，平均厚度2.4 m，煤层硬度F=2～3。直接顶为泥岩、粉砂岩，厚度1.59 m；老顶厚度5.8 m；直接底为泥岩、粉砂岩，厚度5.79 m。由切巷往外，煤层有90 m 长、倾角为16°的下坡段（煤层倾角1～16°，平均7°）。工作面主要设备包括MG700 采煤机，SGB-764/400 刮板输送机，ZZS5600-1.4/2.8 型液压支架。其中，工作面切巷宽6 m、高2.6 m，运输顺槽断面宽3.2 m、高2.6 m，皮带顺槽断面宽4.6 m、高2.6 m。工作面切巷及两顺槽支护形式均采取锚栓加锚索加顶网的联合支护方式。

在综采机械正常工作时，掘进皮带顺槽及回风顺槽割到950 m 左右时煤层倾角向上倾斜，由最初的3～5°逐渐增大，且角度增长速率逐渐加快。在煤层接近露头边缘，该工作面最终切巷布置在煤层倾角为16°处。在开采时，当采煤机沿90 m 长、大倾角斜坡方向开采时，工作面中综采设备易出现下滑现象，严重影响正常开采[1-2]。因此为了保证工作面采煤工作的顺利进行，需对大倾角综采工作面易出现的问题与设备稳装进行分析和研究。

2 大倾角工作面采煤机关键技术应用

采煤机在大倾角工作面运行与正常工作面有较大不同。当采煤机沿煤层倾斜方向工作时，其机身也相应倾斜。此时，采煤机在克服截割阻力的同时还需克服重力，否则采煤机将出现下滑现象。由于工作面倾斜，采煤机的悬臂式结构较难保持自身的平衡，尤其是当采煤机在回采时更易出现机身失稳，导致采煤机向前倾倒[3]，如图1 所示。图中，G 为采煤机的自身重力，Ff为采煤机向上运动时所受摩擦阻力，N1、N2为采煤机前后滚筒截割阻力，FN为采煤机的支撑力，F 为采煤机的牵引力。

图1 采煤机上行时受力分析

采煤机在大倾角工作面稳定工作所要满足的条件为：

其中，摩擦阻力为：

从式（1）与式（2）中可以看出，若要采煤机保持稳定割煤、不下滑，可通过减小截割滚筒截割阻力、增大牵引力等方面实现，而截割滚筒的单齿平均截割阻力[4]可以表示为：

式中：Ka为煤层阻力的相关系数，bp为截齿工作部分计算宽度，f '为抗切削阻力系数，Kψ为煤的脆性影响系数，h 为截割滚筒的瞬时切削厚度。

而其中截割滚筒平均切削厚度可表示为：

式中：Vq为电机的牵引速度，n 为截割滚筒转速。

从单齿截割阻力可以看出，减小牵引速度，增大截割滚筒转速可以减小截割阻力。但在实际情况中，截割滚筒转速由定速交流异步电机控制，不易改变，故可通过改变牵引速度改变截割阻力。在永定庄煤矿的实际使用中得到，采煤机的牵引速度应保持在2～3 m/min 以内，且应使牵引速度保持稳定。另外，合理控制采煤机的刹底量同样可增加采煤机稳定性。通过俯斜工作面坡度可计算得到，当采煤机自尾部截煤与头部截煤时，下刹量有所不同，分别向下刹120 mm 与135 mm。

3 大倾角工作面综采设备的稳装处理

当工作面切巷在16°大倾角斜坡上时，工作面液压支架、刮板运输机、装载机、皮带运输机在稳装与开采时可能会出现向下滑动现象。若液压支柱向倾斜方向偏斜2～3°，支架的重心位置发生改变，又将导致支架向倾斜方向继续偏斜。在各种因素的影响下，斜坡上刮板输送机沿斜坡方向向下打滑移动现象将加剧。液压支架与刮板输送机相互连接，刮板输送机的下滑必将导致液压支架的偏移。因此，为保障工作面回采的顺利进行，需对综采机械设备进行稳装处理。

（1）液压支架的防倒防滑

为提高液压支架的稳定性，支架稳装时需在每架后部用链条与地环紧密连接。正常开采时，支架与地环需分离开来，合理设置刹方木增加摩擦力。其次，当围岩运动改变支架的姿态时，通过随时改变支架的偏移量保证支架的支撑状态。当支架向前移架时，全程需一次完成。为防止支架在斜坡推进时中部支架互相绞挤，在每一架主顶梁下戗一根角度为65°的采用远距离液压控制阀控制的液压缸，并且在每两架之间用牢固可靠的防倒链连接。

在实际工况中，支架与围岩之间相互作用[5]。“支架-围岩”相互作用体系由“老顶-直接顶-支架-底板”组成，其中，支架的支护性能与工作状态与围岩的运动状态息息相关，与此同时，支架的工作性能同样会影响围岩稳定性。因此把“支架-围岩”看作为一个互相作用的力学系统，合理调节“支架-围岩”之间的力学关系，是保证大倾角煤层安全开采的关键一环。

（2）刮板输送机的防滑处理

首先通过防滑千斤顶将刮板输送机与支架连接抑制溜槽立起现象。其次，为防止刮板输送机的滑动，利用大链将机头、机尾与地环紧密连接。在推移输送机时从下端到上端依次推移，确保头部和尾部锚固装置一端紧固，断开端需在推移完成后及时紧固。

（3）顺槽转载机、皮带的防滑处理

在转载机尾部两侧每隔3 m 分别打一组地环并用钢丝绳固定，利用地环将破碎机底部固定，利用千斤顶的伸缩带动转载机行走。皮带机的固定与转载机类似。

（4）上下端头、两巷超前维护段的管理

俯斜工作面上下端头、两巷超前维护段的底板设置成台阶水平式后再支单体，顶梁上焊接16°的铁楔，与顶板严密接触。与此同时，上下端头、两巷单体支柱迎山支设，若防倒防坠齐全可靠，上下端头支撑力达到90 kN，两巷超前支护支撑力达到50 kN。

通过对工作面“三机”及顺槽设备安装防滑防倒设施并加强对工作面顶板的管理，该大倾角工作面在斜坡上从开采到结束共计28 d，安全顺利开采大倾角工作面斜坡90 m 煤层，防滑防倒设施效果良好，取得了较好的经济效益，非常适用于井下大倾角煤层的回采工作面开采。

4 结束语

随着煤炭资源的开发与利用，我国北方矿区大倾角工作面将越来越多。针对大倾角综采工作面中综采机械设备出现滑动、倾倒，无法正常工作等问题，通过对采煤机与综采设备进行受力分析与稳装处理，确保了大倾角综采工作面割煤、运煤、移架、推溜工作的顺利进行。