8.8m大采高工作面支架錯茬調整方法研究

王旭峰，姬 智，崔東亮，苗玉春，程海賓，白 云

(神東煤炭集團有限責任公司 上灣煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017209)

目前，針對8.8m特大采高工作面，劉國柱[1]深入的分析了8.8m大采高液壓支架的承載能力，為大采高液壓支架的制造奠定了基礎。楊俊哲[2-6]研究了8.8m采高工作面的盤區規劃與設計要點、全面的介紹了8.8m采高綜采工作面配套使用的關鍵技術與裝備。我國研究人員主要針對8.8m采高工作面的煤壁片幫機理及控制[7-10]、回撤時的頂板支護技術[11]和生產過程中的安全防護對策[12]等進行了廣泛的研究，助力8.8m采高工作面安全穩定運行。

綜合分析目前針對8.8m特大采高工作面的研究成果，涉及到特大采高工作面工程質量管控的研究較少，而實際上在生產過程中隨著工作面采高的增大、配套設備體重的增加，工作面工程質量不易管控，主要以上灣煤礦第二個一次性采全高8.8m特大采高工作面12402為工程背景，主要對工作面生產期間頻繁出現的支架錯茬問題進行論述，用于指導生產實踐，提高工作面的整體工程質量。

1 工程背景

上灣煤礦是神東煤炭集團主力樣板礦井之一，坐落于內蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗，年生產能力1600萬 t。12402工作面已穩步推進4000m，累計出煤量超1500萬t。12402工作面煤層賦存穩定，厚度在8.17～10.28m之間，屬特厚煤層，傾角1°～5°，近水平埋藏；采用長壁后退式綜合機械化采煤法回采，跨度約300m，推進長度約5300m，設計采高8.6m；采空區隨采隨垮；盤區內地質構造及水文條件均較簡單。

2 12402工作面開采配套設備

綜采工作面采高增大后，開采配套設備的體積和體重隨之增加。目前，12402工作面所有配套設備國產化率100%，其中，采煤機型號為MG1100/3030-GWD，重量230t，滾筒直徑4.3m，單刀進尺0.865m，在煤機頂蓋板升起后，煤機機面高度近5m；工作面共布置128臺兩柱支撐掩護式液壓支架，其中機頭設3臺端頭架3臺過渡架，機尾設2臺端頭架3臺過渡架，其余均為中部架，型號為ZY26000/40/88D，單臺重量100t，最大工作阻力26000kN，支護強度可達1.71～1.83MPa，最大支撐高度可至8.8m；刮板輸送機型號為SGZ1400/3×1600kW，其中部槽寬度為1.4m，支架側擋煤板高度為2.3m，三臺電機總功率4800kW，每小時輸送量可達6000t。

3 工作面支架錯茬調整

綜采工作面的工程質量是現場生產過程中必須時刻緊盯的一個環節，良好的工程質量對于設備的長期穩定運行、工作面的安全高效生產起著關鍵性作用。工程質量綜合考量內容為：兩端頭的出口大小、頭尾底板的過渡、頂底板的平整度、采高、支架的齊直度、支架的錯茬倒架程度、支架的接頂效果、支架前梁梁端距的大小等。上述控制兩端頭出口的大小是為了保證有足夠的安全出口，確保逃生通道暢通；對于頭尾底板的過渡，則涉及到頭尾能否“割透”的問題，在正常情況下從兩順槽至工作面內一段范圍的底板應過渡平緩，避免出現大的坑包，尤其應避免過渡范圍內出現坑，導致前滾筒臥不到巷道底板，頭尾割不透，進而又導致過渡處刮板輸送機“起翹”，影響設備正常運行；頂底板的平整度對于充分發揮支架的支撐能力至關重要，要求頂板和底板要割平，底板不出現過多的坑包，不大提大臥，頂板要杜絕高低不平，否則將導致工作面支架齊直度差、支架倒架錯茬多、前梁“栽頭”不接頂、護頂效果差、頂板漏冒、梁端距大的問題。至于采高，則要在設計采高范圍內，保證足夠的采高，少留或不留頂底煤，降低損失率，保證工作面的產能，減少遺煤進入采空區。另外，諸如在生產過程中端部斜切進刀時，要保證斜切段足夠平緩，有利于保護采煤機行走箱，類似的能通過精心操作設備而保護到設備的操作也可以劃入到工程質量的考核中。

支架錯茬是指在生產過程中出現的支架不正，支架左右歪斜，支架中心線向機頭方向或機尾方向撇、旋轉的現象，如圖1所示。連續兩架發生輕微錯茬，往機尾方向撇，每架的兩個立柱液壓鎖前后錯位。8.8m采高工作面自投產以來，工作面支架錯茬頻繁，常有前后錯位嚴重的情況發生，加之支架體重大，錯茬的支架，尤其是個別錯茬嚴重的支架往往較難在一刀煤期間完成擰正調整。

圖1 支架錯茬

3.1 支架錯茬的原因及結果分析

支架錯茬的本質原因應是有一個力矩M作用在支架上，使其發生一定程度旋轉而錯茬。結合現場，工作面支架錯茬與刮板輸送機的竄動存在關系，刮板輸送機竄動帶動支架向竄動的方向撇，產生一個力矩導致支架不正；還有，與底板的起伏不平及移架過程中支架受額外力等均存在密切聯系。

工作面若出現大范圍支架錯茬會影響支架整體的齊直度。其次，錯茬的支架擠左右鄰架的側護板，導致移架速度慢，同時也可能導致錯茬的支架再倒架，惡化支架的狀態。另外，錯茬的支架會影響到刮板輸送機的來回竄動，尤其是在工作面需要通過加甩刀(此處的加甩刀是指在工作面機頭段或機尾段多割一刀或少割一刀，通過增加或減少局部推進度的方式來調整上下端頭出口大小的方法)來調整兩端頭出口時，刮板輸送機竄動帶動支架推拉桿向竄動的方向撇，此時支架若向與竄動方向相反的方向撇，則影響到了刮板輸送機的竄動，同時也會導致支架推拉桿額外受力，易損壞推拉部件。

3.2 支架錯茬動態調整法

支架錯茬調整歸根結底應從施加一個與力矩M方向相反的力矩M′出發，使錯茬的支架產生一個旋轉的效果而完成擰正調整。這其中首先應找到支架的重心位置，然后再通過找到一個外力F，使其能以重心點為矩心生成力矩M′，從而使錯茬的支架發生旋轉。

3.2.1 確定支架重心位置

在現場生產過程中，常有支架“前重后輕”的說法，這種說法是根據支架主要結構件的重量而得出的一種判斷。ZY26000/40/88D型中部支架頂梁、兩根立柱及底座的重量占總重量約70%，掩護梁及四連桿重量相對較輕，由于支架為非連續、形狀不很規則的結構組合體，其重心準確位置實際不容易確定。

對于液壓支架這樣不連續的結構組合體，多采用對稱性法、懸掛法及稱重法。液壓支架雖為結構組合體，但其實際為對稱物體，利用對稱性法可以首先知道，支架的重心位于支架的對稱面內，即支架中心線所在面。而懸掛法和稱重法則是通過物理實驗的方法確定物體的重心，對于重量大、體積大的ZY26000/40/88D型支架，可操作性低，同樣不適用。目前，得益于計算機技術的進步及三維數值模擬軟件的發展，確定液壓支架的重心廣泛借助三維數值模擬軟件，先通過建立比例為1∶1的支架數值模型，然后再從數值模型中快速導出支架的重心坐標。利用已建立的數值模型，讀取支架從高度(支架底座底面至支架頂梁上表面)4000mm至8800mm，每升高100mm時支架的重心位置。各高度下支架的重心位置坐標見表1(篇幅所限，僅列出每升高500mm時支架的重心位置)。

表1 支架重心坐標位置

圖2 支架重心變化

將獲取的重心坐標數據繪制，如圖2所示。分析表1，在支架高度為4000mm時，重心坐標為(1120，1988，2338)；當支架高度為8800mm時，重心坐標(1120，1779，4744)；支架從高度4000mm升至8800mm，重心上升2406mm，重心前移209mm。不同支架高度下重心變化曲線在xz面上的投影表示重心z坐標與支架高度基本呈線性相關，z坐標隨支架高度增加而快速升高；重心變化曲線在xy面上的投影表示重心y坐標在支架升高過程中發生前移，在支架高度小于6000mm時，重心y坐標前移速度慢，變化幅度小，當支架高度超過6000mm時，重心y坐標前移速度相對較快；重心變化曲線在yz面上的投影表示重心y坐標與z坐標同時變化的趨勢，其實質為支架升高過程中支架對稱面上重心點的變化軌跡曲線。

結合現場，12402工作面平均采高按8500mm算，在移架時降柱200mm，此時支架高度為8300mm，則其重心坐標為(1120，1812，4511)。

3.2.2 確定外力F

確定外力F相對較易，可以考慮將底調千斤頂作為一個外力F施加在錯茬的支架上。在實際現場應用中，底調千斤頂主要被用來調整架縫寬度及支架倒架嚴重時，與側護板配合使用將倒架扶正。ZY26000/40/88D型支架底調千斤頂缸徑230mm，活塞桿直徑140mm，行程370mm，在35MPa的額定供液壓力下，推力為989kN，可推物體質量大于100t。支架在設計時，僅設計單獨一個底調千斤頂并安裝在支架底座的左側，即機頭側。

底調千斤頂中心y坐標為2400mm，支架在降柱準備移架時的高度為8300mm，此時的重心y坐標為1812mm(按1800mm計算)，兩點間存在一定距離，可以形成有效力臂d，生成力矩M′。但是，在現場操作過程中發現，僅在支架靜態時進行調整，由于阻力大錯茬調整效果甚微，而在支架移架的動態過程中進行調整，則調整效果顯著。

3.2.3 動態調整現場操作方法

錯茬的支架動態調整需要2個支架工(假設為甲和乙)在跟機移架時配合進行操作，如圖3(a)—(d)所示。

圖3 錯茬支架動態調整法

在圖3(a)中，煤機往機頭方向割煤，錯茬的2#架向機尾方向撇。此時，需要其中一個支架工甲在1#架進行鄰架電控操作準備將2#架跟機移出，另一個支架工乙在3#架準備進行錯茬調整。從圖中看出，可以通過將3#架的底調千斤頂伸出或將2#架的底調千斤頂伸出兩種方式調整2#架，兩種方式下底調千斤頂提供的力均與2#架重心存在一定距離，能形成力臂。但是，比較而言，在2#架移動過程中，3#架底調千斤頂作用在2#架上的力與2#架重心間的力臂會越來越短，在2#架移出約500mm后，力位于重心點之后，起不到調整擰正效果的同時會加重2#架向機尾方向撇的程度。因此，針對圖3(a)所示情況，主要采用上述第二種方式調整2#架，在2#架移出約500mm時，甲暫時停止移架，乙迅速走到2#架，利用控制閥將2#架本架的底調千斤頂伸出進行調整。目前在現場操作過程中，為避免出現調整過度(2#架擰正后又向機頭方向撇、架縫過寬漏矸石)的情況，通常在2#架即將移到位時，才將底調千斤頂伸出頂至1#架，生成力F，大小約989kN，同時力臂d為600mm，可形成力矩M′(大小按公式(4)進行計算)，大小約593kN·m。在力矩M′的作用下，可實現對2#架的擰正調整。

|M′|=Fd

(4)

式中，|M′|為力矩M′的模；F為外力F的數值；d為力臂的長度值。

在圖3(b)中，煤機往機頭方向割煤，錯茬的2#架向機頭方向撇。從圖中可以看出，2#架只能通過3#架進行調整。同樣，支架工甲在1#架進行操作將2#架移出，在移出約500mm時，力F開始位于重心點之后，此時，3#架的乙將3#架底調千斤頂伸出并頂至2#架開始進行調整。理論上，2#架移出越多，力臂d越長，力矩M′的值越大，調整效果更好，因此，在現場操作過程中，同樣是在2#架即將移到位時，才將3#架底調千斤頂伸出并頂至2#架進行調整。在2#架移出約500mm時，力臂d約為220mm，力矩M′的值約為218kN·m。

在圖3(c)中，煤機往機尾方向割煤，錯茬的2#架向機尾方向撇。與圖3(a)不同的是，支架工甲在3#架進行操作準備將2#架移出，在2#架移出約500mm時，在1#架的乙迅速走到2#架開始將底調千斤頂伸出。同樣，在2#架即將移到位時，才將底調千斤頂伸出頂至1#架，生成M′，大小同樣約為593kN·m。

在圖3(d)中，煤機往機尾方向割煤，錯茬的2#架向機頭方向撇。該種情況下，僅需要支架工甲一人在3#架進行操作即可完成對2#架的調整。甲在2#架移出約500mm時，開始手動操作3#架底調千斤頂控制閥將其底調千斤頂伸出。同樣，在2#架即將移到位時，力臂d最長，此時將3#架底調千斤頂伸出并頂至2#架進行調整效果最好。在2#架移出約500mm時，力臂d約為1080mm，力矩M′的值約為1068kN·m。

綜合比較上述常見的4種情況在現場應用中的效果，(d)種情況調整效果最好，(a)和(c)次之，(b)最差，所以，也可以得出轉動支架的理想力矩|Mi|至少應大于218kN·m。(d)種情況利用一刀煤即可完成調整；(a)和(c)在支架錯茬歪斜程度輕微時，在一刀煤期間也可完成調整；(b)利用一刀煤很難完成調整，所以在該種情況下，若支架錯茬歪斜程度不嚴重，為提高跟機移架速度，可以先不進行調整，待下一刀往機尾割煤時再進行調整。

3.3 甩掉掩護梁上一個側推千斤頂[14]

ZY26000/40/88D型液壓支架設計有4組(頂梁2組、掩護梁2組)共8個側推千斤頂[14]，對稱布置于支架頂梁和掩護梁的兩側。側推千斤頂缸徑100mm，活塞桿直徑70mm，行程190mm，在35 MPa的額定供液壓力下，推力為274kN，每側4個(圖4中F1—F4)同時伸出，可推物體質量大于100t。這里所述的甩掉掩護梁上一個側推千斤頂，實際上甩的為圖4中的F3。

圖4 支架俯視

在12401工作面生產期間曾出現過工作面支架整體總是向機尾方向錯茬歪斜的不利情況，且部分被調整過來后隨著推進仍然會繼續向尾錯茬，阻礙刮板輸送機向機頭方向竄動，影響調整兩端頭出口的大小。因此，判斷支架在移架過程中受到額外力F并能生成有效力矩Mc始終作用在支架上，使支架總是向機尾方向錯茬歪斜。

12401和12402工作面煤層底板整體呈機頭高、機尾低的趨勢，因此，在現場生產過程中頻繁出現支架向機尾方向傾倒的情況。在支架不受卡阻的情況下，移動的支架所受額外力應是扶倒架時頂梁和掩護梁上右側4個側推千斤頂提供的橫向力F1～F4。由圖4可知，2#架向機尾方向傾倒，煤機無論是向機頭或機尾割煤，2#架在移動過程中均需要將本架右側的4個側推千斤頂伸出并頂至3#架，形成F1～F4后將2#架扶正。2#架在降柱后的高度仍按8300mm算，此時的重心y坐標為1800mm，d1為2010mm，d2為470mm，d3為1290mm，d4為2500mm，由此可求得M1的值約為551kN·m，M2的值約為129kN·m，M3的值約為353kN·m，M4的值為685kN·m，|M3|與|M4|之和要比|M1|與|M2|之和大358kN·m。所以，在扶2#架的過程中會始終有一個順時針方向的等效力矩Mc(值為358kN·m)作用在2#架上，且其值大于218kN·m，造成2#架逐漸向機尾方向錯茬歪斜。

在不斷扶倒架的過程中會造成倒的支架不斷向尾錯茬歪斜，使得錯茬的支架調整效果一直不佳，直至整個工作面支架整體總是向尾錯茬歪斜。所以，為解決這一問題，甩掉了掩護梁右側上方的側推千斤頂，即F3，將力矩Mc的值減少到約5kN·m，遠小于218kN·m，不會造成支架發生旋轉。在甩掉以后，現場調整效果較好并一直沿用至12402工作面。

4 結 論

1)支架錯茬是綜采工作面工程質量考核重要的一部分，應當給予充分重視，在支架剛開始錯茬時就應當及時進行調整。

2)支架錯茬動態調整法的關鍵是準確找到支架的重心點，然后利用底調千斤頂進行調整，調整時要注意方式與方法，避免出現頂反或頂過度的情況。

3)支架檢修工要保證底調千斤頂液壓系統完好、控制閥動作靈敏，確保設備能正常使用。

4)支架錯茬動態調整法需要2個支架工互相配合進行操作，在調整的過程中支架工要注意架間縫隙掉矸(實際已在支架掩護梁上加設導矸槽，可有效防止矸石掉入架內)，要做好自身防護，同時在支架移動過程中要控制好側護板的收回量。另外，在正常跟機移架過程中支架工要及時調整架縫，保證架縫寬度合理，為調整支架錯茬提供安全可靠的環境。

5)運用動態法調整支架錯茬可以發現：當煤機往機頭割煤時，調整向機尾方向錯茬歪斜的支架效果好；當煤機往機尾割煤時，調整向機頭方向錯茬歪斜的支架效果好。

6)甩掉支架掩護梁右側上方的側推千斤頂是從支架在移動過程中可能受額外力，從而導致支架錯茬的角度進行考慮，其本身也是對支架錯茬的原因分析。通過甩掉這一側推千斤頂，同樣能有效調整支架錯茬。