大傾角采煤工作面液壓支架控制頂板及工作面防倒防滑的技術(shù)研究

彭世剛

重慶天府礦業(yè)有限責(zé)任公司三匯二礦，中國·重慶 400700

1 引言

大傾角煤層的形成是地殼不均衡沉降和沖蝕的作用，以及后期構(gòu)造運動數(shù)度褶皺和斷裂運動的結(jié)果，因而大傾角煤層賦存和開采條件要比緩斜煤層復(fù)雜。

三匯二礦21201 工作面煤層平均傾角為36o，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，構(gòu)造帶多，煤厚變化頻繁，瓦斯涌出量大屬突出煤層，因而生產(chǎn)能力受到限制。

維護(hù)大傾角工作面液壓支架的穩(wěn)定是一個基本問題，研究工作面設(shè)備滑、倒的原因，做到工作面設(shè)備的穩(wěn)定，對于保證工人的安全和提高工作面的生產(chǎn)能力都至關(guān)重要。

2 圍巖應(yīng)力大小和分布情況

2.1 回采工作面周圍支承壓力的分布

煤層開采過程中破壞了原巖應(yīng)力的平衡狀態(tài)，引起應(yīng)力重新分布。采動影響是維護(hù)巷道的主要因素。煤層開采以后，采空區(qū)上部巖層重量將向采空區(qū)周圍新的支承點轉(zhuǎn)移，從而在采空區(qū)四周形成支撐壓力帶。工作面前方形成超前支承壓力，它隨著工作面推進(jìn)而向前移動，稱為移動性支承壓力。

2.2 采動引起底板巖層的應(yīng)力分布

煤層開采引起回采空間周圍巖層應(yīng)力重新分布，不僅在回采空間周圍煤體（柱）上造成應(yīng)力集中，還會向底板深部傳遞，在底板巖層一定范圍內(nèi)應(yīng)力重新分布，成為影響底板巷道布置和維護(hù)的重要因素。底板巖層內(nèi)任一點的應(yīng)力，主要取決于上部煤體的載荷與煤柱（體）的垂直距離及該點與煤柱（體）邊緣或中心線的水平距離。它們具有以下規(guī)律：

①一側(cè)采空煤體及兩側(cè)采空，寬度較大的煤柱，作用于煤層上的支承壓力的影響深度約為超前支承壓力影響范圍的1.5～2 倍；兩側(cè)采空，寬度較小的煤柱，作用于煤柱上的支承壓力的影響深度為前支承壓力影響范圍的3～4 倍[1]。

②兩側(cè)采空，寬度較小的煤柱，底板巖層內(nèi)同一水平面垂直應(yīng)力以煤柱中心線處最大。一側(cè)采空煤體，底板巖層內(nèi)同一水平面上垂直應(yīng)力最大值在煤體下方，距采空區(qū)邊緣數(shù)米處。兩側(cè)已采，寬度較大的煤柱下，底板巖層內(nèi)同一水平面上以煤柱中心線最小，靠近煤壁邊緣出現(xiàn)峰值。

3 選擇合理的液壓支架控制頂板

支撐掩護(hù)式支架具有支撐式支架工作空間寬裕、通風(fēng)斷面大、行人方便和掩護(hù)式支架在破碎頂板條件下受力狀態(tài)較好、擋矸性能好等優(yōu)點。而且頂梁較一般支架長，從而增加了支撐能力，加大了掩護(hù)梁坡度，同時改善了支架底座與底板的受力情況，因此應(yīng)選擇支撐掩護(hù)式液壓支架[2]。

3.1 液壓支架

①液壓支架高度選擇。

液壓支架的高度必須適應(yīng)工作面推進(jìn)方向煤層厚度的變化。其關(guān)系：

Hmax=Mmax-S1Hmin=Mmin-S2-a

其中，Hmax、Hmin為支架的最大和最小高度；

Mmax、為煤層的最大和最小厚度；

S1為支架在最大采高時，前柱處的頂板下沉量；

S2為支架在最小采高時，后柱處的頂板下沉量；

a為支柱的卸載高度，一般取50mm。

②初撐力是液壓支架的一個重要參數(shù)。提高支架的初撐力可以減少直接頂?shù)碾x層，增加頂板的穩(wěn)定性；提高支架對機(jī)道頂板的支撐能力，減少工作面頂板破碎度及煤壁上幫；壓實頂梁上和底座下的浮矸，提高支撐系統(tǒng)剛度；充分利用支架額定支撐能力，減少頂、底板相對移近量；提高初撐力要求使用高壓乳化液泵、高壓軟管及與其相適應(yīng)的液壓系統(tǒng)和閥件。

③確定合理的工作阻力。

確定支架合理工作阻力的方法主要有4 種：載荷估算法、實測統(tǒng)計法、臨界阻力法以及理論分析法。合理的工作阻力對于維護(hù)支架的受力平衡防止支架滑倒及煤壁片幫都有很重要的作用，在實際工作中應(yīng)認(rèn)真觀察和分析。

3.2 移架方式對頂板管理的影響

選擇移架方式不僅要考慮移架速度，還要考慮對頂板管理的影響。一般來說，單架依次順序移架雖然速度慢，但卸載面積小，頂板下沉量小，適用于穩(wěn)定性差的頂板。移架方式可考慮以下幾種方式：

①在某些特定條件下，盡管設(shè)備和頂板條件相同。依次順序移架需要經(jīng)過較長時間支架才能達(dá)到額定工作阻力，而分組間隔交錯式移架則能較快地達(dá)到額定工作阻力，礦壓顯現(xiàn)比較緩和[3]。

②采用分段依次順序式移架時，由于段與段之間的接合部位在時間上與空間上交叉，導(dǎo)致頂板下沉量疊加，容易造成頂板破碎，煤壁片幫和倒架。

③依次順序移架。在采煤機(jī)工作范圍的移架，雖可防止偽頂垮落，但割煤和移架同時進(jìn)行，懸頂面積劇增，下沉速度快，有可能出現(xiàn)頂板失控事故。

4 大傾角煤層工作面機(jī)械設(shè)備滑、倒原因分析

綜采工作面設(shè)備主要有采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和支架，當(dāng)設(shè)備所受的摩擦力大于滑力時設(shè)備就不會下滑。對于刮板輸送機(jī)不下滑的條件是：。其中，G為設(shè)備機(jī)械重量；α為煤層傾角；f為摩擦因數(shù)；即α≤arctgf。

查有關(guān)資料,金屬與煤巖的摩擦因數(shù)一般在0.35～0.4,如果不考慮其他因素,可以計算出輸送機(jī)不下滑的煤層傾角應(yīng)小于19～22°,當(dāng)煤層傾角大于19～22°時,刮板運輸機(jī)將產(chǎn)生下滑[4]。

同理，對于液壓支架，當(dāng)支架與頂板接觸不嚴(yán)密時，支架不下滑的條件與刮板輸送機(jī)相同；當(dāng)支架與頂板接觸嚴(yán)密時，其下滑力由自重和頂板在支架上的力組成(G+Q)sinα。支架摩擦力有兩部分組成，分別是頂板對支架和底板對支架底座的摩擦力，即f×(G+2Qcosα)，則。其中，G為支架重量；Q為頂板壓力；α為煤層傾角；f為摩擦因數(shù)。

5 大傾角煤層工作面防倒、防滑的技術(shù)措施

5.1 工作面液壓支架的防倒措施

①排頭支架的防倒：在支架前梁設(shè)計防倒裝置，3 架1 組，連成一體，形成組架，用大鏈和千斤頂連接。

②工作面中部液壓支架設(shè)置斜拉裝置防倒。工作面中部隔幾架使用防倒千斤頂與大鏈?zhǔn)蛊滠涍B接，解決中部支架倒架問題。

③減少支架頂梁間隙，促使支架側(cè)護(hù)板千斤頂、側(cè)推彈簧使支架頂梁相互靠近，始終保持足夠扶正力，防止倒架。

④采用單體液壓支柱輔助支撐防倒。把單體支柱下部支在下架的底座上，采用注液槍注液，使上端支在向下傾倒支架頂梁預(yù)留的柱窩上，阻止液壓支架在移動過程的倒架。

5.2 工作面刮板輸送機(jī)的防滑措施

①在刮板輸送機(jī)的傾斜方向間隔適當(dāng)?shù)木嚯x放置1 根單體支柱，其一端支撐在輸送機(jī)的推移板下側(cè)，另一端支在下部支架的底座上。

②機(jī)頭限位支柱。第一，用2 根單體支柱直接頂住刮板輸送機(jī)。單體前端加板木打在機(jī)頭大殼上，后端打在正對機(jī)頭的巷道下幫實體煤上，直接控制輸送機(jī)的下滑。第二在過渡槽緊靠機(jī)頭的銷軌上打1 根倒頭戧柱。由于過渡槽與機(jī)頭之間為固定連接，這樣就直接控制了機(jī)頭。

5.3 工作面回采過程中的管理措施

①下端頭的排頭支架作為其他支架的錨固和導(dǎo)向支點，必須保證處于良好的受力狀態(tài)，防止因冒頂使排頭支架喪失錨固和導(dǎo)向作用。先移第二架，然后移第一架，最后移第三架，并且移架時注意要少降快拉，采用帶壓移架，防止排頭支架向下滑移。

②要隨時間調(diào)整圍巖運動帶來的支架偏離正確位置的移動量，保持支架正確的空間位置和良好的支護(hù)狀態(tài)。

③支架推桿同輸送機(jī)槽幫在傾斜方向的夾角取87o為宜，這樣既對支架的工作狀態(tài)無太大影響，又能較好地阻止輸送機(jī)下滑，同時做好工作面防滾矸措施。

6 結(jié)語

綜上所述，實現(xiàn)大傾角工作面機(jī)械化開采，必須采取一系列措施，才可以保證大傾角工作面配套設(shè)備的穩(wěn)定，實現(xiàn)安全高效回采。

①大傾角煤層受采動影響后圍巖應(yīng)力大小改變，分布范圍移動，選擇合理的液壓支架控制頂板。

②大傾角采煤工作面工藝情況復(fù)雜，各種因素都可能影響支架的穩(wěn)定性，所以要及時掌握支架的平衡狀態(tài)。因此，在工作面的開采過程中，應(yīng)做好工作面管理與護(hù)頂工作，保持支架接頂有力，從而保證支架的穩(wěn)定性。