龐龐塔礦大傾角松軟厚煤層綜采工作面支架穩定性控制技術

趙 冬

（霍州煤電呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 呂梁033200）

0 引 言

大傾角松軟厚煤層在我國各大礦區廣泛分布，實現對大傾角松軟厚煤層的安全開采是確保我國煤炭資源長久供應的有效手段[1-3]。但是，由于煤層傾角較大，綜采工作面液壓支架極易發生傾倒和下滑風險，嚴重制約了工作面設備和人員生命安全[4-5]。對此，本文以龐龐塔礦9-801 大傾角松軟厚煤層綜放工作面為研究背景，通過對大傾角煤層工作面綜放開采的影響因素和支架穩定性進行分析，對液壓支架的極限傾倒角和下滑極限傾角進行判定，并提出了相應的工作面布置方式和支架防倒防滑措施，確保了工作面安全高效生產，為類似工程條件的工作面提供了借鑒。

1 工程概況

龐龐塔礦隸屬于霍州煤電集團，現主采9#煤。9#煤賦存于太原組中下部，煤層厚度為10.8 ～12.4m，平均厚度11.8m；煤層傾角為4°～34°，平均傾角19°；普氏系數f 為1.16，為大傾角松軟特厚煤層。煤層結構復雜，一般含夾矸1～4 層，夾矸厚度0.10～0.38m，夾矸多為炭質泥巖。9#煤直接頂為均厚6.7m 的泥質灰巖，偽頂為均厚0.5m 的炭質泥巖，直接底為均厚1.9m 的泥巖，老底為均厚2.0m的細粒砂巖。9-801 工作面采用綜采放頂煤一次采全厚走向長壁采煤法開采，機采高度為3.2m，放頂煤厚度為8.6m，單向割煤，一采一放，采用單輪順序放煤方式，割煤步距和放煤步距均為0.8m。該礦開采實踐表明，大傾角松軟厚煤層開采過程中存在支架下滑與傾倒等問題，嚴重制約了工作面安全高效生產。

2 大傾角松軟厚煤層綜放開采影響因素及措施

2.1 支架對松軟煤層適應性

松軟煤層在進行綜放開采時，工作面極易發生冒頂、片幫事故，頂板控制較為困難[2]。較軟煤層塑性較強，在綜放開采期間上覆巖層壓力經煤層傳遞作用于工作面支架[5]。常導致2 種情況出現：一是煤層自身承載了一部分上覆巖層壓力，從而減小了支架所需承載的壓力，但支架對頂板的反作用力也相對減小，進而造成切頂效果較差，容易出現大面積空頂；二是煤層在上覆巖層壓力作用下破碎程度增加，較易因支架空頂而引發事故風險。

龐龐塔礦9-801 工作面煤層屬松軟煤層（f=1.16），在進行綜放開采時，可采取以下措施提高支架對煤層的適應性：①提高工作面支架初撐力，同時利用整體頂梁以增加支架頂梁前端的支撐能力；②在支架伸縮梁上加護幫結構，以有效支護割煤后的頂板和煤壁；③增強支架結構的密封性，為防止放頂期間漏煤和支架空頂現象，借助整體頂梁長側護板對頂煤全封閉。

2.2 工作面布置方式

煤層厚度不大、傾角相對較小時，工作面布置方式通常如圖1a 所示。這種工作面布置方式與水平布置類似，由于工作面水平端無穩定支撐而生產管理復雜。煤層傾角較大時，工作面的布置方式直接影響到支架防倒防滑效果。因此，大傾角厚煤層工作面應采用圖1b 所示的布置方式，該方式在下端頭應有一定的彎曲，并逐步遞減傾角，增大了下端頭支架的穩定性，同時在支架下端頭形成一小傾角或近水平的穩定支撐，采用先下后上的順序推移工作面支架，極大降低了支架傾倒和下滑風險。此外，該布置方式簡化輸送機與裝載機間的搭接配合的同時，極大提高了支架的穩定性和安全性。

圖1 工作面彎曲布置

工作面在采用彎曲布置的同時，還應確保工作面不垂直于運輸巷和回風巷，而是應與垂直方向存在一個角度，采用偽斜布置方式，從而降低工作面傾角，確保綜合機械化采煤能夠在傾斜及急傾斜煤層中發揮其最大效益。根據9-801 工作面實際情況，設計9-801 工作面偽斜布置參數，9-8011 巷超前9-8012 巷10～15m，偽斜角度為3°～4°，具體布置如圖2 所示。圖2 中1 為工作面偽斜；γ為工作面偽斜角，°；L和L偽分別為沿煤層傾向布置的真斜工作面長度和沿偽斜布置的工作面長度，m；α和α偽分別為真斜工作面傾角，°；H為工作面回風巷與運輸巷高差，m。

圖2 工作面偽斜布置

3 大傾角工作面支架穩定性分析及控制措施

3.1 支架穩定性分析

如圖3 所示，大傾角工作面支架正常工作時處于受力平衡狀態，即支架自重G、初撐力N1、底板反力N2、頂板壓力的合力N、上下鄰支架間擠靠力F1和F2的合力為零[6]。一旦這種受力平衡被打破，上述力的合力大于零且其作用點偏離支架底座，進而導致支架失穩。

圖3 支架不同狀態時受力分析

由力矩極限平衡條件知：

式中：b為支架自重作用方向與支架底座下邊緣的水平距離，mm；H2支架高度，mm；B為支架底座寬度，mm；Hg為支架重心高度，mm。

由式2 可知，支架適應傾角和壓力的性能與其重心和底座寬度正相關。此外，支架自穩力臂與底座寬度正相關，與重心高度負相關，如圖1 所示。由于9-801 工作面傾角較大（平均19°），采空區矸石受重力作用沿底板向工作面下部采空區堆積、壓密，導致工作面上部的支架因空頂而增大傾倒風險。

3.2 支架穩定性控制措施

支架倒架一般是因其上方冒空導致頂板局部完整性喪失，上部煤層存在向下移動的空間，在煤層垮落分力的作用下支架發生倒架風險。因此，支架傾倒多發生在支架與上部煤層脫離時[7-8]。

3.2.1 支架防倒措施

由圖3 可知，支架重心鉛垂線處于其底座范圍內，不會發生倒架現象，否則支架將會發生傾倒。假設Hg=1 500mm，B=1 750mm，由式2 可得到大傾角綜放支架的極限傾倒角為32.6°，考慮存在一定的安全系數，認為支架傾角大于31°時工作面支架容易發生傾倒。9-801 工作面煤層傾角為4°～34°，其局部區域煤層傾角大于33°，已大于支架的極限傾倒角，故在開采時在工作面采用偽斜布置方式。此外，還應采取措施對支架進行防倒防滑，具體有：①支架側護板加千斤頂和側推彈簧以減小支架頂梁間間隙，使之相互靠緊而無傾倒空間；②在相鄰支架頂梁間安裝調架千斤（如圖4 所示），可在支架傾倒時以相鄰支架為支點對其位置進行調整。

圖4 頂梁防倒裝置

3.2.2 支架防滑措施

支架下滑力和摩擦力的相對大小決定了支架

前移時是否發生下滑。當下滑力＞摩擦力時，支架下滑，否則不下滑。

圖5 支架下滑受力示意圖

在過程中會，取決于支架的。當支架大于；如圖5 所示，令支架受力為T，滑動摩擦系數為μ，則支架不發生下滑的條件為：

取支架滑動摩擦系數μ 為0.3，可解得支架下滑極限傾角為20.1°。故當工作面傾角大于19°時，就需對支架采取防滑措施。9-801 工作面煤層傾角為19°，因此在工作面采取偽斜布置的同時，還應對支架采取以下防滑措施：①在相鄰支架底座之間安裝防滑千斤頂（如圖6 所示），以相鄰支架為支點來調整支架位置；②運輸機與支架之間安裝防運輸機下滑裝置（如圖7 所示），利用防滑千斤頂控制運輸機上移。

圖6 支架間防滑裝置

圖7 運輸機與支架間防滑裝置

4 結 語

基于對大傾角煤層工作面支架穩定性的理論分析，結合龐龐塔礦9-801 工作面實際情況，得到當煤層傾角大于31°時，支架傾角大于其極限傾倒角，支架易發生傾倒；當煤層傾角大于19°時，支架傾角大于其下滑極限傾角，支架易發生下滑。結合該礦實際生產條件，提出了工作面彎曲布置、偽斜布置和支架防倒防滑措施。