急傾斜煤層綜采面三機設備穩定性及開切眼布置分析

許永杰

摘 要：本文分析了三機設備的受力狀態，指出了開切眼傾角是影響三機設備穩定性的最大因素，得出了臨界狀態下開切眼傾角的最大值，提出了開切眼“急傾斜-圓弧過渡-緩傾斜”的布置方式，建立了圓弧過渡段模型，給出了圓弧過渡段角度和半徑的計算方法。研究表明，本文提出的開切眼布置方式將上部的急傾斜工作面逐步過渡為下部的緩傾斜工作面，可以從根本上改善設備受力狀態，有效遏制三機設備在開切眼時發生下滑、傾倒等情況。

關鍵詞：急傾斜煤層;綜合機械化;三機設備;穩定性;開切眼

中圖分類號：TD823.97文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）14-0058-03

Abstract： This paper analyzes the stress state of the three-machine equipment， points out that the inclination angle of the open-off cut is the biggest factor affecting the stability of the three-machine equipment， and obtains the maximum value of the open-off cut in the critical state， and puts forward the arrangement method of "severe tilt-arc transition-slow tilt" of the open-off cut， establishes the arc transition section model， and gives the calculation method for the angle and radius of the arc transition section. Research has shown that the open-off cut arrangement proposed in this paper gradually transitions the steeply inclined working face from the upper part to the gently inclined working face at the lower part， which can fundamentally improve the stress state of the equipment and effectively prevent the three-machine equipment from sliding down and overturning during the open-off cut.

Keywords： steeply inclined coal seam;comprehensive mechanization;three-machine equipment;stability;open-off cut

急傾斜煤層是指傾角45°以上的煤層。開采急傾斜煤層的礦井井型規模普遍較小，以中小型礦井為主，其開采機械化程度普遍較低[1]。急傾斜煤層綜合機械化開采在大型礦井中正逐步推廣，目前還存在一定的技術難題，集中體現在三機（采煤機、刮板輸送機和自移式液壓支架）設備的穩定性上[2]。眾多學者從三機設備的防倒防滑入手進行了研究，提出了設備的防倒防滑措施[3-4]。本文轉變研究視角，從開切眼巷道布置入手對其進行分析。

1 三機設備穩定性分析和開切眼傾角

急傾斜綜采工作面采煤機通過導向靴、滑靴等騎行在刮板輸送機上，刮板輸送機通過移溜千斤頂推桿與液壓支架底座連接。三機設備均處于一斜面受力狀態，則影響設備穩定性的最大因素為開切眼傾角[θ]的大小，其次為三機設備自身的防倒防滑裝置及設備運行管理措施;要想研究設備的穩定性，首先要計算出設備穩定性處于臨界狀態時的開切眼傾角[θ]。采煤機和刮板輸送機設備受力可以簡化，如圖1所示。設備處于斜面受力狀態，其臨界狀態為設備所受的沿斜面向上的摩擦力逐漸變小，慢慢等于設備所受重力沿斜面向下的分力。

將摩擦系數[f]代入式（1）可以得出，圖1（a）臨界狀態下，開切眼傾角[θ]最大介于19°～22°;將摩擦系數[f]、支架工作阻力F與重力G代入式（2）、式（3）、式（4），得出圖1（b）臨界狀態下開切眼傾角[θ]最大介于20°～23°。綜上，急傾斜煤層開切眼布置的最大傾角不宜大于23°，大于23°時，三機設備將處于不穩定狀態，需要采取相應防倒防滑措施，以確保安全。

2 煤層傾角和開切眼傾角的關系

開切眼布置分為沿煤層傾向布置和偽傾斜布置兩種形式，詳情如圖2所示。根據三角函數關系，由圖2可得：

通過式（5）、式（6）和式（7）可以得出，開切眼傾角[θ=arcsin（sinαcosβ）]，因此人們可以反算出確保開切眼傾角[θ]不大于23°時煤層傾角[α]對應的最小偽傾斜角度[β]，詳情如表1所示。

從表1得出，當煤層傾角小于23°時，開切眼無須進行偽傾斜布置，三機設備處于穩定狀態;當煤層傾角大于23°時，開切眼需要采用偽傾斜布置，盡量減小巷道傾角，以滿足三機設備穩定性的需要。

3 開切眼布置

為了滿足急傾斜煤層綜合機械化開采的要求，本文結合烏茲別克斯坦共和國沙爾貢煤礦項目，提出開切眼采用“急傾斜-圓弧過渡-緩傾斜”的布置方式。

3.1 圓弧過渡段模型的建立

開切眼“急傾斜-圓弧過渡-緩傾斜”布置方式詳情如圖3所示。圓弧過渡段將上部的急傾斜工作面逐步過渡為下部的緩傾斜工作面，實質上為一豎曲線（立面圓弧曲線）。嚴格地講，豎曲線其實為刮板輸送機槽頂邊多段等長弦（弦長為一節刮板輸送機槽長度）串聯而成，詳情如圖4所示。

3.2 沙爾貢煤礦煤層賦存條件

沙爾貢煤礦開采單一急傾斜厚煤層，煤層厚度介于3.85～13.68 m，平均厚度為7.57 m，傾角介于45°～50°。煤層頂板為砂巖，煤層底板為石灰巖和粉砂巖，屬中硬～堅硬巖類。

3.3 圓弧過渡段角度和最小半徑的確定

沙爾貢煤礦采用綜合機械化放頂煤采煤法，前、后刮板輸送機型號為SGZ764/200，單節中部槽尺寸為1 500 mm（長）×722 mm（寬）×275 mm（高），節點連接最大允許夾角為3°。為更好地滿足三機設備穩定性的需要，開切眼傾角確定為22°，則圓弧過渡段最大角度為28°，對應的刮板輸送機節數為10節。將以上數據代入式（9）、式（10）和式（11），計算結果詳情如表2所示。

根據計算結果，沙爾貢煤礦煤層傾角45°～50°對應的圓弧過渡段角度為23°～28°，圓弧過渡段最小半徑為30.7～37.4 m，為了便于施工和回采，圓弧過渡段半徑統一取37.5 m。

4 結論

本研究對開切眼偽傾斜布置進行了分析計算，推導了開切眼傾角、煤層傾角和偽傾斜角度的相互關系，分析了偽傾斜角度過大的弊端。其間結合具體項目提出了開切眼“急傾斜-圓弧過渡-緩傾斜”的布置方式，建立了圓弧過渡段模型，給出了圓弧過渡段角度和半徑的計算方法。工作面開切眼采用“急傾斜-圓弧過渡-緩傾斜”的布置方式，將上部的急傾斜工作面逐步過渡為下部的緩傾斜工作面，從根本上改善了設備的受力狀態，有效地遏制了三機設備在開切眼時發生下滑、傾倒等情況，提高了支護系統的穩定性。

參考文獻：

[1]住房和城鄉建設部，國家質量監督檢驗檢疫總局.煤炭工業礦井設計規范：GB 50215—2015[S].北京：中國建筑工業出版社，2015.

[2]鄭維強.急-傾斜煤層綜放液壓支架穩定性分析與防倒防滑裝置研究[D].西安：西安科技大學，2006：12-13.

[3]周春志.急傾斜和大角度俯采放頂煤工作面設備選型及優化設計[J].煤礦機械，2017（3）：132-134.

[4]章之燕.大傾角綜放液壓支架穩定性動態分析和防倒防滑措施[J].煤炭學報，2007（7）：705-709.