李朋迪，張　博，鄭　偉

(山西長(zhǎng)平煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006)

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大采高工作面支架穩(wěn)定性及控制技術(shù)

李朋迪，張博，鄭偉

(山西長(zhǎng)平煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006)

[摘要]為解決長(zhǎng)平礦大采高一次采全高工作面煤層軟、傾角大、頂?shù)装遒x存不穩(wěn)定、支架傾倒等難題，基于支架-圍巖關(guān)系理論，通過理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法分別從圍巖、設(shè)備穩(wěn)定性兩方面入手，采用超前移架、煤壁注漿、調(diào)斜、人工靠架、控制底板等具體措施，有效保證了工作面在推進(jìn)過程中支架的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜條件下緩斜煤層大采高工作面的安全高效回采。

[關(guān)鍵詞]大采高；支架；穩(wěn)定性；控制技術(shù)

Support Stability and Control Technology of Largemining Height Working Face

大采高工作面受采高增大的影響，圍巖穩(wěn)定性急劇下降。對(duì)于軟煤，工作面端面穩(wěn)定性控制問題更加突出，如長(zhǎng)平礦4314緩傾斜煤層大采高工作面由于煤層較軟，片幫嚴(yán)重，導(dǎo)致空頂距大幅度增加，進(jìn)而使頂板受力狀態(tài)進(jìn)一步惡化，頻繁發(fā)生端面冒落，降低支架接頂質(zhì)量，打破支架受力平衡，導(dǎo)致支架發(fā)生傾斜難以控制[1-4]，出現(xiàn)倒架、咬架等現(xiàn)象，移架困難從而嚴(yán)重影響生產(chǎn)。同時(shí)，由于煤巖層具有一定傾角，刮板輸送機(jī)與支架極易發(fā)生聯(lián)動(dòng)失穩(wěn)，造成刮板輸送機(jī)下滑與支架傾倒[5]，以及支架接頂質(zhì)量差，進(jìn)一步惡化了頂板控制情況。為此，必須從改善支架與圍巖關(guān)系的角度使支架與圍巖共同發(fā)揮積極作用，構(gòu)成穩(wěn)定系統(tǒng)[6]。本文將支架與圍巖穩(wěn)定性統(tǒng)一考慮，從改善圍巖穩(wěn)定性與設(shè)備穩(wěn)定性兩方面同時(shí)入手，解決了支架圍巖系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制問題。

1工作面概況

4314工作面走向長(zhǎng)1703.8m，工作面長(zhǎng)220.7m。開切眼至300m處呈機(jī)頭低機(jī)尾高現(xiàn)象，平均傾角10°，最大14°。煤體疏松，片幫嚴(yán)重；直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度1.3m，受構(gòu)造影響，直接頂賦存不穩(wěn)定，厚度變化大，節(jié)理裂隙發(fā)育；基本頂為中粒砂巖，平均厚度11.89m；直接底為泥巖，薄層狀含炭質(zhì)，平均厚度0.5m。上覆巖層有含水層，其中頂板砂巖含水層、上覆K8，K10砂巖含水層影響較大，工作面頂板有淋水。

工作面使用ZY12000/28/62大采高液壓支架，共布置130架支架(包括端頭架及過渡架)；采煤機(jī)選用SL500雙滾筒采煤機(jī)，刮板輸送機(jī)采用SZZ1000/2×855中雙鏈刮板輸送機(jī)。

2支架穩(wěn)定性理論分析

液壓支架在頂板載荷P(合力為P)、支架自重力G、相鄰支架作用力P上，P下，底板對(duì)支架支撐力r(合力為W1)，支架初撐力反作用力q(合力為W2)，頂?shù)装鍖?duì)支架摩擦力f1，f2作用下處于平衡狀態(tài)。支架受力模型如圖1所示[7-8]。

圖1　支架受力模型

支架防倒的力學(xué)模型為[6]：

Mkn=Gcsinα-W2μ2H+PsinαH+(P上-

P下)H-Pcosα(B/2)

式中，Mkn為防治支架傾倒的扭轉(zhuǎn)力矩；μ2為頂板與支架間的摩擦系數(shù)；H為支架高度；B為支架底座寬度；c為支架中心高度。

由上式可知，支架傾倒與支架自重、初撐力、底座寬度、相互作用力、工作面傾角、采高、頂板壓力等因素密切相關(guān)。受客觀條件限制，可通過改善支架初撐力、相互作用力及頂板壓力方面控制其穩(wěn)定性。

3圍巖穩(wěn)定性控制

傾斜條件下煤壁與直接頂穩(wěn)定性對(duì)支架穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，可通過控制煤壁及直接頂穩(wěn)定性改善支架受力狀態(tài)。4314工作面直接頂力學(xué)性能差，賦存不穩(wěn)定，同時(shí)由于采高大煤層較軟，煤壁易發(fā)生呈斜面狀片幫，造成空頂距增大，如圖2(a)所示。直接頂隨片幫發(fā)生端面冒落，端面距進(jìn)一步增大，出現(xiàn)高冒區(qū)，致使支架無法接頂穩(wěn)定性變差，且出矸量大對(duì)運(yùn)輸設(shè)備造成較大損耗影響正常生產(chǎn)。對(duì)此，采用超前移架與注漿相結(jié)合的方式可以縮小端面距，改善頂板受力狀態(tài)，防止端面冒落，如圖2(b)所示。

圖2　工作面煤壁注漿加固前后煤壁及頂板

3.1頂板穩(wěn)定性控制

(1)超前移架由于煤質(zhì)較軟，在本循環(huán)割煤移架后，煤壁就已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重片幫、空頂距大。因此，為增加支架對(duì)頂板的控制，減小空頂距，在下一循環(huán)開始前即可超前移架及時(shí)護(hù)幫護(hù)頂，減小空頂距。由于移架過程中漏矸嚴(yán)重，因此當(dāng)機(jī)組在頂板破碎段割煤時(shí)，應(yīng)將機(jī)組設(shè)置在移架區(qū)域的上方(即刮板輸送機(jī)運(yùn)行的反方向)，防止矸石難以通過機(jī)組下方通道造成淤塞，避免發(fā)生壓死刮板輸送機(jī)的事故。

(2)注漿加固煤壁直接頂發(fā)生端面冒落的主要原因是煤壁片幫嚴(yán)重導(dǎo)致空頂距增大，頂板受力狀態(tài)惡化。注漿改善煤壁強(qiáng)度是防止端面冒頂?shù)闹匾侄?。注漿一方面使直接頂處在有煤壁支撐的狀態(tài)，同時(shí)配合超前移架，最大限度減小空頂距，改善直接頂受力狀態(tài)，避免端面冒落；另一方面由于直接頂力學(xué)性質(zhì)較差，難以作為完整頂板留住導(dǎo)致支架接頂質(zhì)量差，將注漿孔位置上移至靠近頂板的位置，可以間接形成一個(gè)由馬麗散加固較為完整的煤頂，如圖2(b)所示，將支架及時(shí)移到煤頂下方使支架順利接頂，改善支架受力狀態(tài)。

3.2底板穩(wěn)定性控制

不論是煤底還是泥質(zhì)底板，水都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生軟化作用。大采高液壓支架重心高而穩(wěn)定性差，極易受底板傾角及強(qiáng)度影響。遇水軟化后的底板易導(dǎo)致支架在運(yùn)動(dòng)過程中重心偏移，引發(fā)傾倒，因此，避免底板軟化對(duì)控制支架穩(wěn)定性至關(guān)重要。

工作面采用自然排水與人工排水相結(jié)合的方式，通過控制底板坡度、低洼區(qū)加強(qiáng)抽水等手段減少水對(duì)底板軟化的影響。

4設(shè)備穩(wěn)定性控制

緩傾斜條件下極易發(fā)生刮板輸送機(jī)下滑及支架傾倒。在不對(duì)大采高液壓支架與刮板輸送機(jī)進(jìn)行改造的前提下，采用偽斜開采與人工靠架相結(jié)合的方式，在厚5.9m最大傾角達(dá)14°的工作面成功實(shí)現(xiàn)大采高一次采全高回采作業(yè)。

4.1偽斜開采改善設(shè)備穩(wěn)定性

偽斜開采主要包括防止刮板輸送機(jī)下滑、單向推移刮板輸送機(jī)、支架調(diào)向。

(1)預(yù)防工作面刮板輸送機(jī)下滑由于工作面機(jī)頭機(jī)尾落差大，回采過程中刮板輸送機(jī)下滑，首先造成機(jī)頭安全出口不暢通行人進(jìn)料困難；其次導(dǎo)致輸送機(jī)機(jī)頭卡住巷幫致使刮板輸送機(jī)推移困難影響生產(chǎn)；第三是刮板輸送機(jī)下滑帶動(dòng)支架下滑，使支架穩(wěn)定狀況進(jìn)一步惡化。將其調(diào)整成偽斜，確保刮板輸送機(jī)具有較好的穩(wěn)定性，為改善支架穩(wěn)定性提供保障。

采用單向推移刮板輸送機(jī)的方式調(diào)整偽斜，合理控制機(jī)頭超前機(jī)尾15～20m。與此同時(shí)，機(jī)組單向割煤，由機(jī)頭向機(jī)尾依次單向推移刮板輸送機(jī)，逐漸調(diào)整支架框架向機(jī)尾方向偏移，利用支架推移框架將刮板輸送機(jī)頂向機(jī)尾，使刮板輸送機(jī)在推移過程中保持向上的趨勢(shì)。

(2)支架調(diào)向由于工作面傾角大，支架具有下滑趨勢(shì)。支架下滑方向與偽斜開采的方向相反，不利于調(diào)整偽斜。對(duì)此，需對(duì)支架進(jìn)行調(diào)向，一方面改善支架傾斜狀況，另一方面為偽斜開采提供保證。

支架調(diào)向主要采取以下方式：

利用采煤機(jī)靠架調(diào)向當(dāng)支架降下不受頂板載荷時(shí)，使用采煤機(jī)滾筒沿支架下滑相反方向頂推支架護(hù)幫板的方式促使支架調(diào)向，頂推過程中需同時(shí)將上側(cè)支架側(cè)護(hù)板收回為支架移動(dòng)提供空間。同時(shí)，采煤機(jī)靠架可調(diào)整支架架間距，保證支架有足夠的側(cè)護(hù)空間，為使用支架側(cè)護(hù)板靠架創(chuàng)造條件。

單體柱調(diào)整支架底座即在支架移動(dòng)過程中利用單體柱頂住待調(diào)整的支架底座，施加與下滑方向相反的力，促使支架底座與推移框架有向上的趨勢(shì)，避免支架與刮板輸送機(jī)下滑。

4.2人工靠架改善支架傾斜角度

回采過程中僅僅依靠偽斜開采并不能完全改善支架傾倒?fàn)顩r。由于底板具有傾角，支架重心發(fā)生偏移，支架具有傾倒的趨勢(shì)。在移動(dòng)過程中若不加以限制支架將進(jìn)一步傾斜，必須在移動(dòng)過程中采取措施使支架傾斜處于可控狀態(tài)。

(1)利用支架側(cè)護(hù)板靠架在移架過程中，利用支架側(cè)護(hù)板為支架提供與支架傾斜方向相反的約束力，使支架傾斜狀況得以改善或保持。

利用側(cè)護(hù)板靠架，根據(jù)頂板是否破碎分為2種方式：

頂板破碎時(shí)為避免破壞頂板，靠架只能單架操作。即靠架時(shí)只降1架，相鄰支架兩人配合操作，可采用2種方式操作。第1種方式，待本架降架拉出后，機(jī)尾側(cè)鄰架收回側(cè)護(hù)板的同時(shí)本架打出側(cè)護(hù)板并升架，通過側(cè)護(hù)板適當(dāng)調(diào)節(jié)支架頂梁帶動(dòng)整個(gè)支架，從而減小支架傾斜；第2種方式，本架降架同時(shí)打出側(cè)護(hù)，拉出的同時(shí)將相鄰機(jī)尾支架的側(cè)護(hù)板收回，打出本架側(cè)護(hù)升緊支架。

頂板完整時(shí)假設(shè)從機(jī)尾向機(jī)頭方向依次為C，B，A三架。C架已拉出，B架A架待拉出，從機(jī)尾向機(jī)頭方向拉架次序依次為C，B，A。利用側(cè)護(hù)板靠架時(shí)，其操作流程為：C架拉出后未升起→打出B架側(cè)護(hù)板、收回C架側(cè)護(hù)板同時(shí)降B架→打著B架側(cè)護(hù)板將B架拉出(不升架)→升緊C架→打出A架側(cè)護(hù)板、收回B架側(cè)護(hù)板同時(shí)降A(chǔ)架→打著A架側(cè)護(hù)板將A架拉出→將B架升緊。利用側(cè)護(hù)板從機(jī)尾向機(jī)頭方向依次靠架可取得良好效果。此方法的優(yōu)點(diǎn)在于在拉架時(shí)機(jī)尾側(cè)鄰架不需反復(fù)升降，將對(duì)頂板的破壞作用降到最低。兩架均處在降架狀態(tài)，側(cè)護(hù)板收回更徹底，側(cè)護(hù)板對(duì)支架的扶正作用更為明顯，因此在頂板完整時(shí)采用該方法既能減少對(duì)頂板的損傷又可對(duì)支架起到更好的扶正效果。

(2)單體柱調(diào)架、靠架在降架、拉架、升架過程中，利用單體柱對(duì)傾斜支架的頂梁和尾梁施加與支架傾倒方向相反的作用力，改善支架在運(yùn)動(dòng)過程中的受力狀態(tài)，減小傾斜角度，避免支架受重心偏移影響進(jìn)一步傾斜。

(3)墊方木減小支架傾斜拉架前在支架傾斜側(cè)底座下墊方木，拉架過程中將支架底座吊起，支架拉至方木上方，人為改善支架下方底板傾角及摩擦系數(shù)，通過方木將低側(cè)的底座墊起避免其進(jìn)一步下陷與傾斜。

(4)清理煤矸在靠架前需將支架底座前方與下方及相鄰支架底座架間的煤矸清理干凈，一方面保證支架較高處底座下方?jīng)]有因煤矸將其墊高造成支架進(jìn)一步傾倒；另一方面清理架間煤矸為支架靠架及調(diào)向提供空間。

5現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

4314大采高工作面于2014年10月25日開始回采，受頂?shù)装逵绊?，工作面支架?～100號(hào)范圍內(nèi)先后出現(xiàn)支架傾倒現(xiàn)象，支架傾角最大達(dá)到20°?；夭蛇^程中，一方面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)頂板情況，及時(shí)維護(hù)頂幫控制圍巖穩(wěn)定性；另一方面在作業(yè)循環(huán)中采取扶架等措施，堅(jiān)持邊回采邊扶架、保證支架在回采過程中傾斜狀況不惡化的原則，取得了大采高一次采全高重型液壓支架在傾角達(dá)20°的條件下仍能保持月推進(jìn)150m的好成績(jī)。截至2014年12月24日，4314工作面共計(jì)推進(jìn)300m，順利走出構(gòu)造異常區(qū)?；夭蛇^程中隨工作面推進(jìn)支架傾角變化情況如圖3所示。

圖3　工作面部分支架傾角變化規(guī)律

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐得出，協(xié)調(diào)靠架與推進(jìn)度的關(guān)系，扶架的同時(shí)保證推進(jìn)度對(duì)回采的順利進(jìn)行至關(guān)重要。支架由于重心偏移，移動(dòng)過程中具有傾倒趨勢(shì)，因此必須在其移動(dòng)過程中進(jìn)行扶架。然而，扶架耗時(shí)較長(zhǎng)，影響正?；夭桑绕涫枪ぷ髅嫱２蛇M(jìn)

行扶架將更大程度受到頂板來壓的影響，不利于支架的扶正。受煤層賦存條件影響，工作面底板具有一定傾角，支架不可能完全扶正，因此只需將支架扶正到一定角度保證正常推進(jìn)即可。在保證每個(gè)循環(huán)支架傾倒?fàn)顩r不進(jìn)一步惡化的前提下正常推進(jìn)，最大程度減弱頂板來壓的影響，是控制支架穩(wěn)定性保證生產(chǎn)順利進(jìn)行的重要手段。

6結(jié)論

通過理論分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，提出一套符合長(zhǎng)平礦緩傾斜煤層大采高支架穩(wěn)定控制技術(shù)，得出以下結(jié)論：

(1)通過采用超前拉架、注漿加固煤壁及排水防止底板軟化等手段有效控制了圍巖穩(wěn)定性，改善了支架等設(shè)備的受力狀態(tài)。

(2)采用工作面調(diào)斜與人工靠架相結(jié)合的方式有效改善了支架傾倒?fàn)顩r，避免了支架在回采過程中倒架現(xiàn)象的發(fā)生。

(3)以支架移動(dòng)過程中不進(jìn)一步傾斜為靠架的基本原則，確保設(shè)備穩(wěn)定性在可控狀態(tài)下，為回采工作提供有力保障。

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[責(zé)任編輯：鄒正立]

[中圖分類號(hào)]TD823

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1006-6225(2016)01-0040-03

[作者簡(jiǎn)介]李朋迪(1983-)，男，山東昌邑人，工程師，主要從事大采高工作面技術(shù)管理工作。

[收稿日期]2015-07-07

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.01.010

[引用格式]李朋迪，張博，鄭偉.大采高工作面支架穩(wěn)定性及控制技術(shù)[J].煤礦開采，2016，21(1)：40-42，6.