李文樹(shù)，房 局，曹樹(shù)剛，黃昌文，張曉波

(1.重慶能源投資集團(tuán)，重慶 401121；2.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；3.重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院，重慶 400044；4.重慶能源投資集團(tuán)科技有限責(zé)任公司，重慶 400061)

俯偽斜工作面支架穩(wěn)定性分析及控制技術(shù)

李文樹(shù)1，房 局2，3，曹樹(shù)剛2，3，黃昌文4，張曉波4

(1.重慶能源投資集團(tuán)，重慶 401121；2.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；3.重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院，重慶 400044；4.重慶能源投資集團(tuán)科技有限責(zé)任公司，重慶 400061)

本文針對(duì)重慶地區(qū)逢春煤礦S2611急傾斜薄煤層工作面開(kāi)采難題，建立了工作面支架下滑、傾倒的失穩(wěn)模型，分析了煤層傾角、支架自重、工作阻力等影響因素與支架下滑、傾倒安全系數(shù)之間的關(guān)系。以此提出了采用俯偽斜布置的走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤法，并研制了適用于這種開(kāi)采條件的ZJY2400/8.5/15.5型液壓支架，計(jì)算得到ZJY2400/8.5/15型液壓支架的下滑、傾倒安全系數(shù)均大于1。在此基礎(chǔ)上，提出了在支架頂梁上安裝防倒裝置，在支架底座上安裝防滑裝置，在支架頂梁和掩護(hù)梁上安裝活動(dòng)側(cè)護(hù)板，在支架底座上側(cè)安裝底調(diào)裝置及改變支架的移架方式等技術(shù)措施，可以防止工作面生產(chǎn)過(guò)程中支架下滑和傾倒，有利于提高工作面支架的整體穩(wěn)定性。

急傾斜薄煤層；俯偽斜；支架穩(wěn)定性；下滑、傾倒安全系數(shù)

急傾斜煤層是指賦存傾角大于45°的煤層，我國(guó)急傾斜煤層的儲(chǔ)量大約占煤炭總儲(chǔ)量的17%，其年產(chǎn)量?jī)H占全國(guó)煤炭總產(chǎn)量的3%[1-2]。近年來(lái)隨著礦井開(kāi)采強(qiáng)度的增加，部分地區(qū)優(yōu)質(zhì)煤炭資源迅速枯竭，為保證礦井的可持續(xù)發(fā)展，越來(lái)越多的礦區(qū)不得不考慮急傾斜薄煤層的開(kāi)采。特別是我國(guó)西部地區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后，煤炭資源的開(kāi)采一直是其經(jīng)濟(jì)來(lái)源的重要組成部分。然而，由于煤層傾角大，在回采過(guò)程中存在著支架下滑、傾倒等技術(shù)難題[3]，基于此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入的研究，并取得了一定的科研成果。如伍永平等[4]提出了支架下滑、傾倒穩(wěn)定性指數(shù)，并分析了自由、初撐、工作三種狀態(tài)下影響大傾角綜采支架穩(wěn)定性的因素；章之燕[5]分析了大傾角綜放開(kāi)采支架的受力狀態(tài)與圍巖的關(guān)系，提出了防止支架下滑、傾倒的技術(shù)措施；張東升等[6]分別從煤層傾向和走向方向?qū)ぷ髅嫣厥忾_(kāi)采時(shí)期支架穩(wěn)定性進(jìn)行了力學(xué)分析，提出了一系列防止支架下滑、傾倒的技術(shù)措施。曹樹(shù)剛等[7]根據(jù)四川省某煤礦急傾斜煤層綜合機(jī)械化開(kāi)采工作面試驗(yàn)條件，結(jié)合工作面支架的支護(hù)阻力觀測(cè)結(jié)果，探討了工作面液壓支架對(duì)煤層松軟、底板存在軟分層和工作面中部存在斜交斷層等復(fù)雜因素影響的適應(yīng)性。

1 S2611工作面概況

逢春煤礦位于松藻礦區(qū)南東部。井田南北走向長(zhǎng)3.7 km，東西寬0.8～2.0 km，水平面積約18.0 km2。S2611工作面位于+230 m水平南一采區(qū)，其走向長(zhǎng)度381.49 m，傾斜長(zhǎng)度84.36 m，回采面積32 182 m2，回采儲(chǔ)量59 384 t。工作面標(biāo)高為+393.38～+465.46 m，開(kāi)采平均厚度0.93 m、傾角為55°的M6-3#煤層。老頂為厚度3.38 m的砂質(zhì)泥巖，直接頂為厚度1.03 m的M6-2煤層、泥巖，直接底為厚度1.56 m的砂質(zhì)泥巖，老底為厚度1.53 m的泥灰?guī)r。

急傾斜薄煤層采用綜合機(jī)械化開(kāi)采時(shí)，由于工作面頂板承受平行層面的分力大于垂直層面的分力，導(dǎo)致設(shè)備穩(wěn)定性差，容易傾倒。此外，受重力影響，液壓支架、刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)等設(shè)備自重的下向分力較大，使設(shè)備容易下滑。尤其是液壓支架對(duì)整個(gè)工作面配套設(shè)備起到“錨固”作用，是工作面設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的核心。因此，需要對(duì)工作面液壓支架穩(wěn)定性進(jìn)行分析并制定合理的防滑防倒技術(shù)措施。

2 S2611工作面支架穩(wěn)定性分析

2.1 急傾斜工作面支架受力分析

單個(gè)液壓支架在工作狀態(tài)下，除了受支架自重G和頂板壓力P外，還受到底板對(duì)支架的支持力N，底板對(duì)支架底座的摩擦力f1，頂板對(duì)支架頂梁的摩擦力f2。其中，急傾斜煤層的頂板是沿一條接近重力方向的曲線運(yùn)動(dòng)[8]，本文將其作用方向近似為重力方向。設(shè)支架的高度為h，寬度為b，支架重心到支架底座的距離為c。在對(duì)工作面單個(gè)液壓支架進(jìn)行受力分析時(shí)，為了推導(dǎo)方便，忽略工作面輸送機(jī)、采煤機(jī)對(duì)支架的下拉力，以及鄰近支架之間的擠靠力影響和垮落矸石對(duì)支架尾部和尾部護(hù)板的壓力作用。支架的受力情況如圖1所示。

圖1 工作狀態(tài)下支架失穩(wěn)模型

2.2 支架下滑失穩(wěn)力學(xué)分析

支架不發(fā)生下滑的條件，見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：Fkh為支架下滑的阻力；Fh為支架下滑力；θ為煤層傾角。

(2)

其中

(3)

式中：Pz為支架的工作阻力；μ為支架與頂?shù)装逯g的摩擦系數(shù)，工作面液壓支架與煤層頂?shù)装逯g的摩擦系數(shù)多在0.15～0.45之間[9]。因?yàn)榧眱A斜煤層的頂?shù)装鍘r層一般為泥巖、頁(yè)巖或者砂質(zhì)泥巖等中等穩(wěn)定、不穩(wěn)定巖層，巖層表面比較粗糙，且開(kāi)采薄煤層時(shí)又常常需要切割部分底板巖層，故摩擦系數(shù)可取0.4。

聯(lián)立式(2)和式(3)，得式(4)。

(4)

為研究式(4)中各參數(shù)對(duì)支架下滑安全系數(shù)的影響，對(duì)式(4)中各參數(shù)分別賦值，形成各參數(shù)與k的關(guān)系曲線，如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：煤層傾角對(duì)支架的下滑安全系數(shù)影響顯著，近似呈雙曲線的函數(shù)關(guān)系，且下滑安全系數(shù)隨著煤層傾角的增大而減??；支架的下滑安全系數(shù)與支架自重呈反比關(guān)系，與工作阻力呈正比關(guān)系，且改變工作阻力的大小對(duì)支架下滑穩(wěn)定性影響顯著；工作狀態(tài)下支架下滑安全系數(shù)與頂板壓力近似呈雙曲線函數(shù)關(guān)系，且隨著頂板壓力的增加而減小，說(shuō)明支架上部載荷顯著影響支架的下滑穩(wěn)定性。對(duì)于特定的地質(zhì)條件，煤層傾角是客觀存在的。因此，通過(guò)適當(dāng)減輕支架的重量和增加支架的工作阻力，能有效地保證急傾斜煤層工作面支架的穩(wěn)定。

圖2 下滑安全系數(shù)與影響因素關(guān)系曲線

2.3 支架傾倒失穩(wěn)力學(xué)分析

支架不發(fā)生傾倒的條件，見(jiàn)式(5)。

=cGsinθ+hPsinθ

(5)

式中：Mkq為支架的傾倒阻力矩；Mq為支架的傾倒力矩。

(6)

聯(lián)立式(6)和式(3)，得式(7)。

(7)

在急傾斜薄煤層開(kāi)采中，由于煤層比較薄，可以近似地認(rèn)為支架的重心與支架的幾何中心重合，故取c=h/2。在此設(shè)支架的寬高比為η，則式(7)就可以轉(zhuǎn)化為式(8)。

(8)

為研究式(8)中各參數(shù)對(duì)支架傾倒安全系數(shù)的影響，對(duì)式(8)中各參數(shù)分別賦值，形成各參數(shù)與λ的關(guān)系曲線，如圖3所示。可以發(fā)現(xiàn)：煤層傾角影響支架的傾倒安全系數(shù)，近似呈雙曲線的函數(shù)關(guān)系，且傾倒安全系數(shù)隨著煤層傾角的增大而減??；支架的傾倒安全系數(shù)與支架自重呈反比關(guān)系，與支架的工作阻力、支架的寬高比呈正比關(guān)系，改變工作阻力的大小、支架寬高比對(duì)支架傾倒穩(wěn)定性影響顯著；工作狀態(tài)下支架傾倒安全系數(shù)與頂板壓力近似呈雙曲線關(guān)系，且隨著頂板壓力的增加而減小，說(shuō)明支架上部載荷顯著影響支架的傾倒穩(wěn)定性。因此，通過(guò)適當(dāng)減輕支架的重量和增加支架的工作阻力，能有效地增加急傾斜煤層工作面支架防止傾倒的能力。同時(shí)，在支架設(shè)計(jì)或者選型時(shí)，支架的寬高比也要作為一個(gè)重要的因素來(lái)考慮。

3 S2611工作面采煤方法選擇和支架選型

3.1 S2611工作面采煤方法選擇

急傾斜工作面沿煤層真傾角方向布置時(shí)，由于煤層傾角過(guò)大，在工作面推移輸送機(jī)和移架(尤其是輸送機(jī))過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生下竄，給工作面回采帶來(lái)困難。為此，急傾斜長(zhǎng)壁工作面可以呈仰偽斜或俯偽斜布置。此時(shí)的最主要問(wèn)題是工作面采出的煤炭沿煤層底板向下自溜容易在整個(gè)采場(chǎng)空間內(nèi)形成飛矸，對(duì)工作面設(shè)備和人員造成較大安全威脅。而采用俯偽斜布置方式，一方面工作面煤炭會(huì)沿煤壁自溜，可減小對(duì)工作面設(shè)備的損壞和人員的傷害；另一方面，還可以充分利用相鄰支架的空間錯(cuò)距關(guān)系，使工作面移架推溜過(guò)程中產(chǎn)生的上竄量和因煤層傾角影響產(chǎn)生的下竄量相互抵消，有利于解決急傾斜工作面移架推溜過(guò)程中設(shè)備下滑難題。所以，最終確定適用于逢春煤礦S2611工作面的采煤方法為急傾斜薄煤層俯偽斜綜合機(jī)械化采煤方法，即沿煤層走向在采場(chǎng)的上部、下部分別布置上順槽和下順槽，沿俯偽斜方向布置切割巷貫通上下順槽形成工作面，沿走向推進(jìn)，后退式開(kāi)采，工作面巷道布置方式如圖4所示。

圖3 傾倒安全系數(shù)與影響因素關(guān)系曲線

3.2 S2611工作面支架選型

S2611工作面俯偽斜角度為51.57°，層面角73°，平均開(kāi)采高度為1.1 m。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外急傾斜薄煤層綜采液壓支架及高產(chǎn)高效開(kāi)采方法的深入研究，并根據(jù)逢春煤礦具體地質(zhì)生產(chǎn)條件，確定液壓支架額定工作阻力為2 400 kN，支撐高度為0.85～1.55 m。為此，松藻煤電有限公司、山東礦機(jī)集團(tuán)股份有限公司等單位合作研制了型號(hào)為ZJY2400/8.5/15.5的新型液壓支架，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖4 S2611工作面布置方式示意圖

主要技術(shù)參數(shù)數(shù)值高度850～1550mm適應(yīng)采高1100～1300mm支架寬度1420～1680mm支架中心距1560mm支護(hù)強(qiáng)度0.38～0.43MPa前端比壓0.46～0.56MPa初撐力1978kN(31.5MPa)額定工作阻力2400kN(38.2MPa)推移步距610mm泵站壓力31.5MPa重 量9.2t

將ZJY2400/8.5/15.5型液壓支架的初撐力、額定工作阻力、支架自重等技術(shù)參數(shù)代入式(1)～(8)進(jìn)行支架穩(wěn)定性分析，計(jì)算得出支架的防滑安全系數(shù)k=1.23～1.488>1，防倒安全系數(shù)λ=1.093～1.227>1。因此，在正常的工況下，支架不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，說(shuō)明ZJY2400/8.5/15.5型液壓支架對(duì)急傾斜薄煤層俯偽斜工作面有很好的適用性。

4 急傾斜薄煤層俯偽斜工作面支架防滑、防倒控制技術(shù)

結(jié)合上述理論分析來(lái)看，逢春煤礦研制的ZJY2400/8.5/15.5型液壓支架能很好地適用于急傾斜薄煤層俯偽斜綜采工作面的安全生產(chǎn)。但是，在實(shí)際工程應(yīng)用中還存在其它不安全因素，如冒頂、底板破壞滑移、底板滲水等情況都會(huì)影響支架的穩(wěn)定性。所以，還必須采取如下的防倒防滑技術(shù)措施。

1)工作面支架要安裝防倒防滑裝置。支架頂梁設(shè)防倒裝置，采用平拉式結(jié)構(gòu)，防倒千斤頂兩端通過(guò)連接頭與相鄰兩支架的頂梁相連，通過(guò)防倒千斤頂?shù)睦?lái)實(shí)現(xiàn)防倒和調(diào)架；支架底座設(shè)前防滑、后防滑裝置，分別安設(shè)于相鄰兩支架底座的前部和后部，防滑千斤頂兩端分別連接于兩支架底座套筒內(nèi)的轉(zhuǎn)軸上，利用千斤頂?shù)耐评瓉?lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)架，防止底座下滑。

2)在工作面支架頂梁和掩護(hù)梁上安裝互不搭接的活動(dòng)側(cè)護(hù)板，由側(cè)推千斤頂分別控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)頂梁和掩護(hù)梁側(cè)護(hù)板的單獨(dú)動(dòng)作和同時(shí)動(dòng)作；同時(shí)，在支架底座上側(cè)安裝底調(diào)裝置，由前、后調(diào)架千斤頂分別控制，可根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)支架的前調(diào)、后調(diào)和整體調(diào)整等多種功能性動(dòng)作。支架頂梁、掩護(hù)梁上活動(dòng)側(cè)護(hù)板與底座上的底調(diào)裝置配合使用，能顯著提高對(duì)支架前調(diào)、后調(diào)及整體調(diào)架的能力。

3)由于工作面采用俯偽斜走向長(zhǎng)壁布置，煤層傾角大，因此，支架在移架過(guò)程中必須保證下部支架對(duì)所移支架有足夠的支撐力，避免被移支架下滑或傾倒；同時(shí)，由于相鄰支架間尾部有一定錯(cuò)距，支架后方采空區(qū)有矸石堆積，采取由下往上的移架方式，可避免采空區(qū)矸石竄入支架內(nèi)部。其中，為了保證第一架支架不下滑，先拉第二架或第三架支架，再拉第一架支架，再依次由下往上順序拉架。

逢春煤礦S2611急傾斜綜采工作面于2015年11月開(kāi)始試采，2016年1月正式回采。ZJY2400/8.5/15.5型急傾斜液壓支架的使用，有效地起到了對(duì)工作面頂?shù)装宓姆雷o(hù)作用，工作面回采期間無(wú)頂?shù)装迨鹿拾l(fā)生。防倒、防滑技術(shù)的使用成功的解決了工作面設(shè)備傾倒和下滑問(wèn)題，回采期間無(wú)安全事故發(fā)生。截至2016年12月底，工作面共推進(jìn)280 m，平均月產(chǎn)量8 000 t，最高日進(jìn)度2.4 m，最高旬進(jìn)度19 m，最高月進(jìn)度55 m，回采工效由原來(lái)的2.2 t/工提高到8 t/工。回采期間，工作面主要設(shè)備性能、參數(shù)均達(dá)到技術(shù)要求，成功實(shí)現(xiàn)了急傾斜薄煤層俯偽斜綜合機(jī)械化開(kāi)采。

5 結(jié) 論

通過(guò)上述對(duì)支架穩(wěn)定性因素以及穩(wěn)定性控制技術(shù)的研究，得到如下主要結(jié)論。

1)通過(guò)對(duì)急傾斜工作面液壓支架穩(wěn)定性分析得知，支架下滑、傾倒安全系數(shù)與煤層傾角呈雙曲線的函數(shù)關(guān)系，且隨著煤層傾角的增大而減??；支架下滑、傾倒安全系數(shù)與支架自重呈反比關(guān)系，與支架工作阻力呈正比關(guān)系；支架下滑、傾倒安全系數(shù)與支架所支撐的上覆巖重呈雙曲線函數(shù)關(guān)系，隨著上覆巖重的增加而顯著減??；支架的傾倒安全系數(shù)與支架的寬高比呈正比關(guān)系，所以在傾斜薄煤層工作面支架的選型時(shí)，寬高比也要作為一個(gè)重要因素來(lái)考慮。另外，通過(guò)計(jì)算得出，在正常的工作情況下ZJY2400/8.5/15.5型液壓支架的下滑、傾倒安全系數(shù)大于1，說(shuō)明新研制的支架對(duì)急傾斜薄煤層俯偽斜工作面生產(chǎn)條件有很好的適應(yīng)性。

2)通過(guò)在支架頂梁上安裝防倒裝置、支架底座上安裝防滑裝置、支架頂梁和掩護(hù)梁上安裝活動(dòng)側(cè)護(hù)板、支架底座上側(cè)安裝底調(diào)裝置及改變工作面支架移架方式等技術(shù)措施，也可以有效地防止急傾斜薄煤層俯偽斜工作面生產(chǎn)過(guò)程中支架下滑和傾倒，大幅提高了工作面支架的整體穩(wěn)定性。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐，S2611工作面在保證工作面支架穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了急傾斜薄煤層安全、穩(wěn)定、高效的生產(chǎn)，為以后類(lèi)似條件下工作面的開(kāi)采提供了理論和現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

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Stability analysis of powered support and its control technology in pitching oblique working face

LI Wenshu1，F(xiàn)ANG Ju2，3，CAO Shugang2，3，HUANG Changwen4，ZHANG Xiaobo4

(1.Chongqing Energy Investment Group，Chingqing 401121，China；2.State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control，Chongqing University，Chongqing 400044，China；3.College of Resource and Environmental Science，Chongqing University，Chongqing 400044，China；4.Chongqing Energy Investment Group Science & Technology Co.，Ltd.，Chongqing 400061，China )

Aiming at the mining problems of S2611 steep seam working face in Fengchun coal mine in Chongqing，the relationship between the factors such as coal seam inclination，support weight，working resistance and the support slipping，dumping safety coefficient is analyzed by establishing working face support instability model.The oblique arrangement of mechanized longwall mining method is put forward，and the ZJY2400/8.5/15 type hydraulic support which is suitable for the mining conditions is developed.And calculate the ZJY2400/8.5/15.5 type hydraulic support slipping，dumping safety coefficient is more than 1.On this basis，it is proposed to install antiskid device on the set collar，install tilting prevention device on support base，install side protecting plate on support set collar and caving shield，install the bottom adjustment device upside the support base，change the support frame transfer method and other technical measures to prevent the support from slipping and dumping for improving the overall stability of the working face supports.

steeply inclined thin coal seam；pitching oblique；support stability；slipping and dumping safety coefficient

2016-12-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：51474039；51404046)；重慶市前沿與應(yīng)用基礎(chǔ)研究一般項(xiàng)目資助(編號(hào)：cstc2015jcyjA90019)；教育部留學(xué)回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目資助

房局(1988-)，男，漢族，河南夏邑人，碩士研究生，重慶大學(xué)礦業(yè)工程專(zhuān)業(yè)，主要從事礦山壓力與巖層控制方面的研究工作，E-mail：ju.fang@cqu.edu.cn。

TD355.45

A

1004-4051(2017)05-0132-05