庞庞塔矿大倾角松软厚煤层综采工作面支架稳定性控制技术

赵 冬

（霍州煤电吕临能化有限公司庞庞塔煤矿，山西 吕梁033200）

0 引 言

大倾角松软厚煤层在我国各大矿区广泛分布，实现对大倾角松软厚煤层的安全开采是确保我国煤炭资源长久供应的有效手段[1-3]。但是，由于煤层倾角较大，综采工作面液压支架极易发生倾倒和下滑风险，严重制约了工作面设备和人员生命安全[4-5]。对此，本文以庞庞塔矿9-801 大倾角松软厚煤层综放工作面为研究背景，通过对大倾角煤层工作面综放开采的影响因素和支架稳定性进行分析，对液压支架的极限倾倒角和下滑极限倾角进行判定，并提出了相应的工作面布置方式和支架防倒防滑措施，确保了工作面安全高效生产，为类似工程条件的工作面提供了借鉴。

1 工程概况

庞庞塔矿隶属于霍州煤电集团，现主采9#煤。9#煤赋存于太原组中下部，煤层厚度为10.8 ～12.4m，平均厚度11.8m；煤层倾角为4°～34°，平均倾角19°；普氏系数f 为1.16，为大倾角松软特厚煤层。煤层结构复杂，一般含夹矸1～4 层，夹矸厚度0.10～0.38m，夹矸多为炭质泥岩。9#煤直接顶为均厚6.7m 的泥质灰岩，伪顶为均厚0.5m 的炭质泥岩，直接底为均厚1.9m 的泥岩，老底为均厚2.0m的细粒砂岩。9-801 工作面采用综采放顶煤一次采全厚走向长壁采煤法开采，机采高度为3.2m，放顶煤厚度为8.6m，单向割煤，一采一放，采用单轮顺序放煤方式，割煤步距和放煤步距均为0.8m。该矿开采实践表明，大倾角松软厚煤层开采过程中存在支架下滑与倾倒等问题，严重制约了工作面安全高效生产。

2 大倾角松软厚煤层综放开采影响因素及措施

2.1 支架对松软煤层适应性

松软煤层在进行综放开采时，工作面极易发生冒顶、片帮事故，顶板控制较为困难[2]。较软煤层塑性较强，在综放开采期间上覆岩层压力经煤层传递作用于工作面支架[5]。常导致2 种情况出现：一是煤层自身承载了一部分上覆岩层压力，从而减小了支架所需承载的压力，但支架对顶板的反作用力也相对减小，进而造成切顶效果较差，容易出现大面积空顶；二是煤层在上覆岩层压力作用下破碎程度增加，较易因支架空顶而引发事故风险。

庞庞塔矿9-801 工作面煤层属松软煤层（f=1.16），在进行综放开采时，可采取以下措施提高支架对煤层的适应性：①提高工作面支架初撑力，同时利用整体顶梁以增加支架顶梁前端的支撑能力；②在支架伸缩梁上加护帮结构，以有效支护割煤后的顶板和煤壁；③增强支架结构的密封性，为防止放顶期间漏煤和支架空顶现象，借助整体顶梁长侧护板对顶煤全封闭。

2.2 工作面布置方式

煤层厚度不大、倾角相对较小时，工作面布置方式通常如图1a 所示。这种工作面布置方式与水平布置类似，由于工作面水平端无稳定支撑而生产管理复杂。煤层倾角较大时，工作面的布置方式直接影响到支架防倒防滑效果。因此，大倾角厚煤层工作面应采用图1b 所示的布置方式，该方式在下端头应有一定的弯曲，并逐步递减倾角，增大了下端头支架的稳定性，同时在支架下端头形成一小倾角或近水平的稳定支撑，采用先下后上的顺序推移工作面支架，极大降低了支架倾倒和下滑风险。此外，该布置方式简化输送机与装载机间的搭接配合的同时，极大提高了支架的稳定性和安全性。

图1 工作面弯曲布置

工作面在采用弯曲布置的同时，还应确保工作面不垂直于运输巷和回风巷，而是应与垂直方向存在一个角度，采用伪斜布置方式，从而降低工作面倾角，确保综合机械化采煤能够在倾斜及急倾斜煤层中发挥其最大效益。根据9-801 工作面实际情况，设计9-801 工作面伪斜布置参数，9-8011 巷超前9-8012 巷10～15m，伪斜角度为3°～4°，具体布置如图2 所示。图2 中1 为工作面伪斜；γ为工作面伪斜角，°；L和L伪分别为沿煤层倾向布置的真斜工作面长度和沿伪斜布置的工作面长度，m；α和α伪分别为真斜工作面倾角，°；H为工作面回风巷与运输巷高差，m。

图2 工作面伪斜布置

3 大倾角工作面支架稳定性分析及控制措施

3.1 支架稳定性分析

如图3 所示，大倾角工作面支架正常工作时处于受力平衡状态，即支架自重G、初撑力N1、底板反力N2、顶板压力的合力N、上下邻支架间挤靠力F1和F2的合力为零[6]。一旦这种受力平衡被打破，上述力的合力大于零且其作用点偏离支架底座，进而导致支架失稳。

图3 支架不同状态时受力分析

由力矩极限平衡条件知：

式中：b为支架自重作用方向与支架底座下边缘的水平距离，mm；H2支架高度，mm；B为支架底座宽度，mm；Hg为支架重心高度，mm。

由式2 可知，支架适应倾角和压力的性能与其重心和底座宽度正相关。此外，支架自稳力臂与底座宽度正相关，与重心高度负相关，如图1 所示。由于9-801 工作面倾角较大（平均19°），采空区矸石受重力作用沿底板向工作面下部采空区堆积、压密，导致工作面上部的支架因空顶而增大倾倒风险。

3.2 支架稳定性控制措施

支架倒架一般是因其上方冒空导致顶板局部完整性丧失，上部煤层存在向下移动的空间，在煤层垮落分力的作用下支架发生倒架风险。因此，支架倾倒多发生在支架与上部煤层脱离时[7-8]。

3.2.1 支架防倒措施

由图3 可知，支架重心铅垂线处于其底座范围内，不会发生倒架现象，否则支架将会发生倾倒。假设Hg=1 500mm，B=1 750mm，由式2 可得到大倾角综放支架的极限倾倒角为32.6°，考虑存在一定的安全系数，认为支架倾角大于31°时工作面支架容易发生倾倒。9-801 工作面煤层倾角为4°～34°，其局部区域煤层倾角大于33°，已大于支架的极限倾倒角，故在开采时在工作面采用伪斜布置方式。此外，还应采取措施对支架进行防倒防滑，具体有：①支架侧护板加千斤顶和侧推弹簧以减小支架顶梁间间隙，使之相互靠紧而无倾倒空间；②在相邻支架顶梁间安装调架千斤（如图4 所示），可在支架倾倒时以相邻支架为支点对其位置进行调整。

图4 顶梁防倒装置

3.2.2 支架防滑措施

支架下滑力和摩擦力的相对大小决定了支架

前移时是否发生下滑。当下滑力＞摩擦力时，支架下滑，否则不下滑。

图5 支架下滑受力示意图

在过程中会，取决于支架的。当支架大于；如图5 所示，令支架受力为T，滑动摩擦系数为μ，则支架不发生下滑的条件为：

取支架滑动摩擦系数μ 为0.3，可解得支架下滑极限倾角为20.1°。故当工作面倾角大于19°时，就需对支架采取防滑措施。9-801 工作面煤层倾角为19°，因此在工作面采取伪斜布置的同时，还应对支架采取以下防滑措施：①在相邻支架底座之间安装防滑千斤顶（如图6 所示），以相邻支架为支点来调整支架位置；②运输机与支架之间安装防运输机下滑装置（如图7 所示），利用防滑千斤顶控制运输机上移。

图6 支架间防滑装置

图7 运输机与支架间防滑装置

4 结 语

基于对大倾角煤层工作面支架稳定性的理论分析，结合庞庞塔矿9-801 工作面实际情况，得到当煤层倾角大于31°时，支架倾角大于其极限倾倒角，支架易发生倾倒；当煤层倾角大于19°时，支架倾角大于其下滑极限倾角，支架易发生下滑。结合该矿实际生产条件，提出了工作面弯曲布置、伪斜布置和支架防倒防滑措施。