汾源煤業大傾角工作面支架防傾倒技術研究

薛力瑞

（霍州煤電集團汾源煤業有限公司，山西 靜樂 035107）

1 工程概況

霍州煤電集團汾源煤業位于忻州市靜樂縣，井田可采煤層為2、3 號-1、5 號煤層，其中5 號煤層平均厚度10.29 m，傾角32°～45°，平均為39°，為大傾角厚煤層，地質構造類型屬簡單，為穩定可采煤層，設計采用綜采放頂煤回采5 號煤層。

5 號煤層直接頂巖層為5.5～12.1 m 厚的泥質灰巖和泥巖互層，老頂巖層為3.5～9.2 m 的中粒砂巖。直接底巖層為1.5～3.5 m 厚的泥巖，老底巖層為2.8～6.8 m 厚的砂巖。5 號煤層頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板情況

2 沿煤層傾向工作面液壓支架穩定性分析

在回采5 號煤層期間，由于煤層傾角較大，工作面液壓支架會受到頂板巖層的側向壓力，尤其當局部頂板巖層較為破碎，頂板局部冒落時，工作面液壓支架受到的側向擠壓作用尤為明顯，會嚴重影響液壓支架的穩定性[1，2]。沿煤層傾向，工作面液壓支架受力如圖1 所示。

圖1 沿工作面傾向液壓支架受力

根據工作面液壓支架受力分析可得：

由上式可得：

式中：α為液壓支架傾倒臨界角，°；H為液壓支架的高度，m；B為液壓支架的寬度，m；M為液壓支架與頂板巖層間的摩擦系數，μ=0.4；G為液壓支架自重，kN；F為頂板巖層側向壓力，kN；B為走向角度，°；R12為液壓支架工作阻力，kN。

由上式可知，煤層傾向方向，液壓支架自重G、寬度B、高度h、工作阻力R12等因素都會影響液壓支架傾倒臨界角α，排除液壓支架本身的固定參數，其傾倒臨界角大小與工作阻力R12成正比，與走向角度β及頂板巖層的側向壓力F成反比。因此，增大液壓支架工作阻力，減小頂板巖層側向壓力及走向角度更有利于工作面液壓支架的穩定。工作面回采過程中，由于周期來壓期間，礦壓明顯增大，頂板巖層側向壓力也隨之增大，因此周期來壓期間液壓支架極易失穩傾倒。

3 工作面液壓支架防傾倒措施及現場試驗

3.1 增大工作面頂板的摩擦系數

上述研究成果表明頂板巖層破碎和冒空程度對工作面支架與頂板間摩擦系數影響很大；因此，提出在頂板巖層破碎帶位置鋪設5.0 m×1.0 m 的金屬網，在應力集中的局部區域可鋪設雙層金屬網，不僅可以增大液壓支架與頂板巖層間的摩擦系數，還可防止冒頂，現場鋪設金屬網如圖2 所示。

圖2 現場鋪設金屬網

3.2 工作面“三機”聯合控制

對于大傾角工作面，做好輸送機防滑非常重要，一旦輸送機發生下滑，會增大液壓支架所受下滑力，極易導致工作面“三機”失穩事故[3,4]；因此，一定要做好“三機”防滑措施。為提高“三機”穩定性，如圖3所示，每隔10 架液壓支架就安裝一組防滑千斤頂，用于防止輸送機下滑。

圖3 設置防滑千斤頂

3.3 液壓支架防傾倒

為防止工作面液壓支架傾倒，除了保證支架初撐力及帶壓移架外，還可在液壓支架頂梁處安裝防倒裝置。防倒裝置如圖4 所示，可有效提高工作面液壓支架的穩定性，防止液壓支架出現傾倒現象。

圖4 液壓支架防倒裝置

3.4 調整液壓支架移架方式

針對大傾角工作面液壓支架的受力特點，對傳統移架方式進行調整，采取由機尾向機頭單向移架的方式進行移架，這樣液壓支架側護板可對偏移的液壓支架進行及時修正。機頭位置前3 架液壓支架對工作面液壓支架整體穩定性影響非常大，因此，在移架過程中要設計專門的移架方案：首先移動第2架液壓支架，在移架過程中借助防倒裝置保持支架的穩定，并且還應保持支架頂梁與頂板巖層接觸良好；然后移動第1 架液壓支架，在移架時，借助防滑千斤頂和防倒裝置保證帶壓移架及第1 架液壓支架的穩定性；最后按照移動第2 架的方式移動第3 架液壓支架。在整個移架過程中，要對機頭第1 架液壓支架的狀態進行實時監控，了解工作面液壓支架的移動狀態。

3.5 現場試驗

對5-101 工作面液壓支架采取上述防傾倒措施后，現場監測液壓支架工作狀況。工作面每6 架布置1 個監測點用于監測液壓支架工作阻力，共布置11個測點，為分析方便，將1 - 4 號測點劃為下部測站，5 -8 號測定劃為中部測站，9-11 號測點為上部測站，現場監測曲線如圖5 所示。

如圖5 所示，監測系統共監測到17 次周期來壓，工作面支架大部分來壓。總體上看工作面兩端來壓次數較中部少，來壓次數最多的部位為12、18 號附近，即工作面變坡點附近，此2 處來壓強度最大，60 、66 號架附近來壓強度最小；來壓步距平均為12.4 m，由于6、60、66 號架周期來壓規律性不強，剔除后平均周期來壓步距為12 m，且工作面液壓支架整體穩定性良好，并未出現傾倒顯現。

圖5 工作面液壓支架工作阻力監測曲線

由以上分析可以看出，5-101 工作面周期來壓有以下4 點規律：

1）工作面不同區段來壓頻次、強度不均衡，中部來壓強度、頻次大于工作面兩端。

2）從時間上看12、18 號來壓發生較其他支架早、可作為工作面來壓判斷的基準。

3）目前數據分析整個工作面來壓步距為12.4 m，以目前的推進速度1.8 m/d，平均7 d 發生1 次周期來壓，來壓在整個工作面持續時間約2 d。

4 結 論

本文以霍州煤電集團汾源煤業5-101 工作面為工程背景，通過理論分析及現場監測，得到以下結論：

1）工作面液壓支架傾倒臨界角大小與工作阻力R12 成正比，與走向角度β 及頂板巖層的側向壓力F 成反比，因此，周期來壓期間液壓支架極易失穩傾倒。

2）通過鋪設技術網的方式增大液壓支架與頂板巖層間的摩擦系數，同時在液壓支架上安裝防滑千斤頂和防傾倒裝置，保證液壓支架整體穩定性，并結合調整液壓支架移架方式的綜合方案，保證大傾角工作面液壓支架的穩定性，同時做好液壓支架的實時監控，尤其是周期來壓期間，應重點監控液壓支架的實時狀態。

3）現場試驗結果表明，液壓支架整體穩定性良好，周期來壓期間，呈現中部強度大，頻次高的特點，周期來壓步距平均為12.4 m。