急傾斜綜采設備穩定性及防倒防滑技術研究

劉奮宇

（山西焦煤集團有限責任公司屯蘭礦綜采準備隊， 山西 古交 030200）

引言

當前，我國煤礦生產已經達到自動化、機械化生產水平，各類綜采設備的穩定性和性能直接決定工作面生產效率和安全性。尤其是對于急傾斜工作面，工作面傾角較大容易導致液壓支架、采煤機以及導向系統等關鍵設備的穩定性受到威脅。因此，分析綜采工作面采煤機、導向系統以及液壓支架等綜采設備的穩定性，并針對性地提出綜采設備防倒防滑的措施，對于保證綜采工作面安全、穩定、高效生產具有重要意義[1]。

本文重點對急傾斜工作面涉及到的綜采設備的防滑防倒技術進行研究。

1 11073 工作面工程概述

本文以保興煤礦的11073 運輸巷掘進工作面為例開展研究，該工作面煤層的平均厚度為2.2 m，煤層厚度范圍為0.94～3.53 m；工作面煤層的平均傾角為42°，煤層傾角范圍為40°～45°。經探測，工作面煤層的瓦斯涌出量為3.24 m3/t。為保證煤礦安全生產，該工作面開采前采取瓦斯抽放的操作，以降低工作面瓦斯的涌出量。11073 工作面的頂底板地質條件如表1 所示。

表1 11073 工作面頂底板地質條件

2 綜采工作面設備穩定性分析

2.1 采煤機穩定性分析

針對急傾斜薄煤層的綜采工作面，保證綜采設備在大傾角的工作面安全、穩定工作尤為重要，尤其是要保證采煤機、液壓支架在煤層傾斜方式不會出現下滑和傾倒的現象。本節重點針對采煤機的穩定性進行分析。

從理論上講，判斷采煤機穩定的理論公式如式（1）所示：

式中：F1為采煤機前滾筒的截割阻力；F2采煤機后滾筒的截割阻力；fs為采煤機行走時的摩擦力；W 為采煤機的自重，取180 kN；φ 為采煤機的偽傾角，取52°。

其 中：F1+F2=（0.47～0.59）Fmax/ [3.5（1+Kj）]，fs=μ1Wcosφ。

式中：Fmax為采煤機的最大牽引力；Kj為采煤機前后截割滾筒的截割阻力比，針對薄煤層取0.2；μ1為采煤機與導向之間的摩擦系數，取0.2。

根據采煤機上行和下行兩種工況，分別計算得出：當采煤機下行截割煤時要求牽引力大于206.58～213.44 kN，即不會出現下滑的現象；當采煤機上行截割煤時要求牽引力大于193.36～199.79 kN，即不會出現下滑的現象。

在實際生產中，隨著工作面傾斜角度的增加，對應的采煤機穩定性問題越發突出。為進一步提升設備的穩定性，除了采用常規的牽引力和制動力外，還增設了安全絞車。針對急傾斜薄煤層工作面的生產，采用無鏈牽引的騎溜運行方式提升設備的穩定性，實現對煤壁前底板的高效控制[2]。

2.2 液壓支架穩定性分析

液壓支架作為綜采工作面的主要支護設備，也是導向系統和采煤機穩定工作的基礎。對于急傾斜工作面而言，除了保證其具有足夠的工作阻力和支撐力外，還要求其具有良好的穩定性。經實踐表明，導致液壓支架失穩的主要原因為液壓支架沿著工作面下降，液壓支架沿著工作面傾倒[3]。本節將從液壓支架的自由狀態、初撐狀態以及工作狀態對其穩定性進行分析。

2.2.1 液壓支架自由狀態的穩定性分析

從理論上分析，液壓支架在自由狀態部發生失穩的情況可總結如下：煤層傾角為導致液壓支架失穩的主要因素。如圖1、圖2 所示，隨著工作面煤層傾角的增大，對應液壓支架的傾倒安全系數越??；且當工作面煤層傾角大于52°時液壓支架在自由狀態的安全系數小于1。同時，液壓支架的高寬比也是影響其傾倒安全系數的因素之一，當液壓支架高寬比大于1.43 時，液壓支架在自由狀態的安全系數大于1。

圖1 煤層傾角與液壓支架傾倒安全系數的曲線

圖2 寬高比與液壓支架傾倒安全系數的曲線

總之，當工作面煤層傾角過大時，液壓支架在自由狀態的防滑和傾倒系數會小于1，在實際應用中必須保證液壓支架對上部液壓支架具有足夠的支撐力，從而增加液壓支架結構穩定性，最終解決液壓支架在自由狀態下失穩的問題[4]。同時，在設計液壓支架時盡可能保證其高寬比大于1.43，提高其穩定性。

2.2.2 液壓支架初撐狀態的穩定性分析

對于液壓支架的初撐狀態下，影響其傾倒安全系數的因素包括有工作面煤層的傾角、支護重量、有效支護力以及支護的高寬比。從理論上講，當工作面煤層傾角越大、液壓支架支護重量越大時，對應的液壓支架抗滑安全系數越小，越容易發生下滑事故。

對寬高比而言，寬高比與液壓支架的傾倒安全系數成正比；也就是說，對于本工程的急傾斜工作面而言，隨著煤層厚度的增加，對應液壓支架的安全傾倒系數越小，越容易發生傾倒事故。

因此，液壓支架在初撐狀態下，此時工作面頂板對液壓支架的載荷較小，其重心處于設備的重心位置，對應的安全傾倒系數較大，即在初撐狀態下液壓支架的穩定性較好。對于急傾斜工作面而言，只要保證排頭液壓支架和下端液壓支架的穩定性就可保證工作面液壓支架整體的穩定性。

2.2.3 液壓支架工作狀態穩定性分析

當液壓支架在工作狀態下時，影響液壓支架穩定性的因素包括有煤層傾角、液壓支架工作阻力、液壓支架自重、液壓支架寬高比以及頂板壓力[5]。如圖3、圖4、下頁圖5 所示，工作面煤層傾角、頂板壓力、液壓支架自重與液壓支架傾倒安全系數成反比；液壓支架工作阻力、寬高比與液壓支架傾倒安全系數成正比。

圖3 煤層傾角與液壓支架傾倒安全系數的曲線

圖4 頂板壓力與液壓支架傾倒安全系數的曲線

圖5 寬高比與液壓支架傾倒安全系數的曲線

綜合分析當工作面煤層傾角小于65°，液壓支架工作阻力大于2 000 kN，液壓支架自重大于50 kN，寬高比大于0.66，頂板對液壓支架載荷小于2 120 kN 時，對應的液壓支架的傾倒安全系數大于1。

3 結論

1）在急傾斜綜采工作面，采煤機在割煤狀態下穩定性大于其在切煤狀態下的穩定性。同時，當采煤機在爬底運行時，整機的穩定性依靠其牽引力完成。因此，在急傾斜煤層開采下建議采用無鏈牽引的騎溜運行方式保證采煤機的穩定性。

2）通過對液壓支架在自由狀態、初撐狀態以及工作狀態三種情況下的穩定性進行分析，綜合分析了煤層傾角、液壓支架自重、頂板壓力、液壓支架寬高比以及工作阻力對液壓支架在不同工作狀態下的影響機理得出：可通過提升液壓支架的工作阻力、降低其自重、增加其寬高比提升液壓支架在不同狀態下的穩定性。