大倾角综放工作面支架稳定性控制研究

邢鹏亮

（晋能控股煤业集团北辛窑煤业有限公司，山西 忻州 036700）

引言

由于大倾角综放工作面支架的受力情况与近水平工作面正常开采时期存在很大差异，控制好支架稳定性是大倾角工作面回采中的关键技术。大倾角工作面在大倾角条件下支架会受到顶板较大的侧向应力作用，从而大大降低支架稳定性。在生产实践中，通过采用各种防倒滑措施，有效地防止移架过程中发生倾倒，大幅度提高工作面支架的整体稳定性，并对支架底座柱窝进行了优化设计，保证了大倾角工作面液压支架的支护安全，实现了大倾角工作面的安全高效开采。

1 8102工作面概况

北辛窑矿8102综放工作面位于一采区，标高1 003.5～1 100.5 m，2102运输顺槽走向长度854 m，5102回风顺槽走向长度548 m，倾向长度165 m，工作面长161.6 m，煤层平均倾角20°，面积57 869 m2，西邻+1040回风巷[1-2]。8102工作面两条顺槽呈近东西方向布置，切眼呈近南北方向布置，北部与8103工作面之间仅留设8 m煤柱。8102工作面老顶或直接顶为中粗砂岩，厚度为1.1~4.5 m。

2 采煤方法及回采设备

8102综放工作面采用单一走向长壁后退式综合机械化放顶煤开采方法，采空区顶板全部跨落法开采。采用SL500AC型采煤机落煤、装煤，SGZ1000/2100型前部刮板输送机和SGZ1250/2100型后部刮板输送机运煤，ZFQ13000/25/38型低位放顶煤支架支护顶煤、顶板，采煤机截深为0.8 m，采高为3.3 m，放煤高度2.62 m，采放比约为1∶0.8，按两采一放的正规循环作业，放煤步距为1.6 m。

3 支架稳定性分析

3.1 支架倾倒分析

大倾角综放工作面支架在工作时，在自重G、支护初撑力N1、底板反作用力N2、顶板受压合力N、相邻支架之间的挤靠力F1、F2的一同作用下达到了平衡[3-4]，如图1所示。如果支架的平衡被破坏，那么支架所受合力作用点偏出底座，此时支架会失稳。支架失稳倾覆的瞬间，底板反力N2作用于0处，根据力矩极限平衡条件可得：Gb=（F1-F2）H+（Hsinα-cosα）N，支架临界倾倒角α的计算公式：b=cosα-Hgsinα，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，取0.11 m；H为支架高度，取2.8 m；B为支架底座的宽度，取1.75 m；Hg为重心高度，取1.5 m。由公式可知，b与Hg成反比，b与B成正比，b与成反比。根据倒角公式，代入数值可得8102大倾角工作面支架极限倒角大约为26.6°，考虑存在一定的安全系数后，认为支架倾角在27°以上时工作面支架易出现倾倒现象。

图1 支架工作时受力分析图

3.2 支架下滑分析

支架在拉移过程中是否会发生下滑，主要由支架的下滑力与支架摩擦力的大小来判断。若支架的下滑力大于支架本身所受的摩擦力，支架便会发生下滑现象，相反则不会。支架发生下滑示意图，如图2所示，假定支架自身受到的力为T，支架自身的滑动摩擦系数为μ，于是得到支架不下滑的条件是：Tsinα

图2 支架下滑极限示意图（单位：mm）

3.3 支架下滑、倾倒影响因素分析

1）工作阻力与初撑力。当支架接顶不充分或不接顶时，支架无初撑力、阻力，处于平衡自然状态，当支架倒角大于临界值后，支架便会发生下滑。

2）煤层倾角。煤层倾角是影响支架下滑、倾倒的一个非常重要因素，煤层倾角越大，支架就越容易发生下滑、倾倒。

3）支架支护高度与宽度。在大倾角综放工作面中，支架的高度大，宽度就小，支架发生倾倒的概率就越大，相反发生倾倒的概率就越小。

4）支架的重量。支架的自身重量越大，支架自身的重心就越高，就越容易下滑及倾倒。

4 支架下滑、倾倒控制技术

4.1 调整歪斜支架

发现歪斜的支架，要立即进行调整，达到支架保持与工作面输送机持续垂直状态。

4.2 将头部过渡支架牵引一体

应用圆环连接斜拉千斤顶装置，使得排头过渡支架形成相互牵引一个结构，将每一架支架的一端分别连接在其上方支架的底座上，另一端连接在下方支架的顶梁上，形成一个牵引整体。

4.3 改变支架拉移顺序

保证溜头侧第一架支架与底板接触要平整，减缓支架的滑移量，移动支架的时侯务必首先要调整好支架的方向与角度，将防滑千斤顶收缩到位，再移动支架升紧，把它作为基准支架，依次由下向上拉移支架。在移动机头支架时，首先移动2号支架，再移动1号支架，之后移动3号、4号支架，剩下的支架移架都是按照每5～10组一段支架进行上行移架，所有段支架移架顺序与拉移机头支架的顺序一致[5]。

4.4 减少调采频次

一定要尽量减少工作面的调采频次。尤为反复进行调采，这样做的后果是工作面支架挤咬、倾倒的次数增加。

4.5 重视支架支护状态

工作面在割煤生产的过程中，要非常重视支架的调整支护状态，待到发现支架存在有倾倒迹象时，再进行调架已经来不及了。

4.6 加强工作面顶板管理

遇工作面顶板破碎时，工作面顶板应进行铺金属护顶，情况特殊时还应进行超前的人工支护措施等，避免支架发生挤咬、倾倒。

4.7 对支架柱窝进行优化设计

将原有液压支架柱窝的铁板垫块尺寸及固定铁板销轴进行优化设计，原有的垫块厚度为3 cm，如图3所示，无法满足支柱固定铁板的稳固性，改进是将柱窝固定铁板的垫块加厚到5 cm，原来固定铁板的销轴改为用螺栓代替，如图4、图5所示。有效防止了立柱底部因拉架抬起，提高了快速移架，保证了支护安全。

图3 固定液压支架立柱底座铁板的垫块

图4 原固定液压支架立柱底座铁板的销轴

图5 改进后固定液压支架立柱底座铁板的螺栓

5 结语

大倾角煤层开采，根据北辛窑矿8102工作面实际情况，采取有效的措施，及时控制住了支架倾倒下滑，提高了开采时支架的稳定性，防止了架间相互挤、咬现象发生，确保了安全生产。加快了工作面推采速度，增加原煤产量，创造客观的经济效益，同时提高了工作效率，增加了安全系数，保证了综放工作面的安全生产。