汾源煤业大倾角工作面支架防倾倒技术研究

薛力瑞

（霍州煤电集团汾源煤业有限公司，山西 静乐 035107）

1 工程概况

霍州煤电集团汾源煤业位于忻州市静乐县，井田可采煤层为2、3 号-1、5 号煤层，其中5 号煤层平均厚度10.29 m，倾角32°～45°，平均为39°，为大倾角厚煤层，地质构造类型属简单，为稳定可采煤层，设计采用综采放顶煤回采5 号煤层。

5 号煤层直接顶岩层为5.5～12.1 m 厚的泥质灰岩和泥岩互层，老顶岩层为3.5～9.2 m 的中粒砂岩。直接底岩层为1.5～3.5 m 厚的泥岩，老底岩层为2.8～6.8 m 厚的砂岩。5 号煤层顶底板情况见表1。

表1 煤层顶底板情况

2 沿煤层倾向工作面液压支架稳定性分析

在回采5 号煤层期间，由于煤层倾角较大，工作面液压支架会受到顶板岩层的侧向压力，尤其当局部顶板岩层较为破碎，顶板局部冒落时，工作面液压支架受到的侧向挤压作用尤为明显，会严重影响液压支架的稳定性[1，2]。沿煤层倾向，工作面液压支架受力如图1 所示。

图1 沿工作面倾向液压支架受力

根据工作面液压支架受力分析可得：

由上式可得：

式中：α为液压支架倾倒临界角，°；H为液压支架的高度，m；B为液压支架的宽度，m；M为液压支架与顶板岩层间的摩擦系数，μ=0.4；G为液压支架自重，kN；F为顶板岩层侧向压力，kN；B为走向角度，°；R12为液压支架工作阻力，kN。

由上式可知，煤层倾向方向，液压支架自重G、宽度B、高度h、工作阻力R12等因素都会影响液压支架倾倒临界角α，排除液压支架本身的固定参数，其倾倒临界角大小与工作阻力R12成正比，与走向角度β及顶板岩层的侧向压力F成反比。因此，增大液压支架工作阻力，减小顶板岩层侧向压力及走向角度更有利于工作面液压支架的稳定。工作面回采过程中，由于周期来压期间，矿压明显增大，顶板岩层侧向压力也随之增大，因此周期来压期间液压支架极易失稳倾倒。

3 工作面液压支架防倾倒措施及现场试验

3.1 增大工作面顶板的摩擦系数

上述研究成果表明顶板岩层破碎和冒空程度对工作面支架与顶板间摩擦系数影响很大；因此，提出在顶板岩层破碎带位置铺设5.0 m×1.0 m 的金属网，在应力集中的局部区域可铺设双层金属网，不仅可以增大液压支架与顶板岩层间的摩擦系数，还可防止冒顶，现场铺设金属网如图2 所示。

图2 现场铺设金属网

3.2 工作面“三机”联合控制

对于大倾角工作面，做好输送机防滑非常重要，一旦输送机发生下滑，会增大液压支架所受下滑力，极易导致工作面“三机”失稳事故[3,4]；因此，一定要做好“三机”防滑措施。为提高“三机”稳定性，如图3所示，每隔10 架液压支架就安装一组防滑千斤顶，用于防止输送机下滑。

图3 设置防滑千斤顶

3.3 液压支架防倾倒

为防止工作面液压支架倾倒，除了保证支架初撑力及带压移架外，还可在液压支架顶梁处安装防倒装置。防倒装置如图4 所示，可有效提高工作面液压支架的稳定性，防止液压支架出现倾倒现象。

图4 液压支架防倒装置

3.4 调整液压支架移架方式

针对大倾角工作面液压支架的受力特点，对传统移架方式进行调整，采取由机尾向机头单向移架的方式进行移架，这样液压支架侧护板可对偏移的液压支架进行及时修正。机头位置前3 架液压支架对工作面液压支架整体稳定性影响非常大，因此，在移架过程中要设计专门的移架方案：首先移动第2架液压支架，在移架过程中借助防倒装置保持支架的稳定，并且还应保持支架顶梁与顶板岩层接触良好；然后移动第1 架液压支架，在移架时，借助防滑千斤顶和防倒装置保证带压移架及第1 架液压支架的稳定性；最后按照移动第2 架的方式移动第3 架液压支架。在整个移架过程中，要对机头第1 架液压支架的状态进行实时监控，了解工作面液压支架的移动状态。

3.5 现场试验

对5-101 工作面液压支架采取上述防倾倒措施后，现场监测液压支架工作状况。工作面每6 架布置1 个监测点用于监测液压支架工作阻力，共布置11个测点，为分析方便，将1 - 4 号测点划为下部测站，5 -8 号测定划为中部测站，9-11 号测点为上部测站，现场监测曲线如图5 所示。

如图5 所示，监测系统共监测到17 次周期来压，工作面支架大部分来压。总体上看工作面两端来压次数较中部少，来压次数最多的部位为12、18 号附近，即工作面变坡点附近，此2 处来压强度最大，60 、66 号架附近来压强度最小；来压步距平均为12.4 m，由于6、60、66 号架周期来压规律性不强，剔除后平均周期来压步距为12 m，且工作面液压支架整体稳定性良好，并未出现倾倒显现。

图5 工作面液压支架工作阻力监测曲线

由以上分析可以看出，5-101 工作面周期来压有以下4 点规律：

1）工作面不同区段来压频次、强度不均衡，中部来压强度、频次大于工作面两端。

2）从时间上看12、18 号来压发生较其他支架早、可作为工作面来压判断的基准。

3）目前数据分析整个工作面来压步距为12.4 m，以目前的推进速度1.8 m/d，平均7 d 发生1 次周期来压，来压在整个工作面持续时间约2 d。

4 结 论

本文以霍州煤电集团汾源煤业5-101 工作面为工程背景，通过理论分析及现场监测，得到以下结论：

1）工作面液压支架倾倒临界角大小与工作阻力R12 成正比，与走向角度β 及顶板岩层的侧向压力F 成反比，因此，周期来压期间液压支架极易失稳倾倒。

2）通过铺设技术网的方式增大液压支架与顶板岩层间的摩擦系数，同时在液压支架上安装防滑千斤顶和防倾倒装置，保证液压支架整体稳定性，并结合调整液压支架移架方式的综合方案，保证大倾角工作面液压支架的稳定性，同时做好液压支架的实时监控，尤其是周期来压期间，应重点监控液压支架的实时状态。

3）现场试验结果表明，液压支架整体稳定性良好，周期来压期间，呈现中部强度大，频次高的特点，周期来压步距平均为12.4 m。