大倾角工作面破碎顶板支架稳定性控制技术

高艳明

(霍州煤电集团有限责任公司 庞庞塔煤矿，山西 临县 033200)

1 工程概况

霍州煤电集团庞庞塔矿9-301工作面主采9#煤层，位于9#煤三采区，埋深约为370 m.9#煤层厚度9～13.55 m，平均为11.8 m，煤层倾角4°～24°，平均14°，属于大倾角煤层。工作面采用综采放顶煤的采煤工艺，采煤高度为3.2 m，放煤高度为8.6 m，采放比为1∶2.69. 9-301工作面共揭露9条断层，断层处由于煤层的节理裂隙较为发育，致使顶板破碎，9-301工作面为大倾角综放工作面，在回采过程中极易出现支架倾斜倒架事故，故为确保支架的稳定性，使工作面安全通过顶板破碎区域，需采取有效的控制技术。

2 大倾角综放面支架稳定性分析及控制技术

2.1 液压支架稳定性分析

针对大倾角综放工作面，液压支架的控制问题为一个最基本和最重要的问题[1-2]，大倾角综放工作面支架失稳的主要表现形式为两种：支架沿工作面下滑与支架倾斜倒架。

1) 支架倒架稳定性分析。

由于大倾角综放工作面矿压显现较为剧烈，顶煤的冒落易致使支架上部失去约束而发生倾倒[3-4]. 现主要分析顶板冒空条件下和移架过程中支架倾倒的控制条件。

a) 顶板(煤)冒空时支架倾倒的控制条件。

顶板冒空时支架受到的作用力主要包括：自身重力和底板对支架的作用力，受力模型见图1.

G—支架的重力 H—支架的实际支承高度 W1—底板对支架底座的正压力 α—煤层倾角 B—支架的底座宽度 μ1—支架底座与底板间的摩擦系数 Hg—支架的重心高度图1 顶板冒空时支架倾倒的力学模型图

考虑到液压支架相对于底座下侧边缘O3点处于向下倾倒时W1的力臂趋于0，能够得出支架倒架时的方程为：

(1)

据此能够得出支架在自重条件下出现翻倒时，煤层倾角的表达式：

(2)

根据式(1)、式(2)可知，当顶板冒空时，支架出现翻倒时临界的煤层倾角为αm1=arctanB/2Hg.

b) 移架过程中支架倒倾的控制条件。

此处主要对顶板在未出现冒空时支架的受力状态进行分析，支架移架过程中走向剖面的受力图见图2.

F1—移架过程中单根前柱立柱的残余支撑力 T1—支架的拉架力 θ1—前立柱与底板法线之间的夹角 F2—移架过程中单根后立柱的残余支撑力 W1—底板对支架底座的正应力 W2—顶煤对顶梁的正压力 W3—顶煤对掩护梁的正压力 f1W1—底板作用于沿走向方向的实际水平力 f2W2—顶煤作用于顶梁沿走向水平力f3W3—顶煤作用于掩护梁沿倾向实际水平力图2 移架过程中支架走向剖面受力图

对于作用于支架掩护梁上的作用力W3表达式为：

W3=γBhmcosα

(3)

式中：

γ—上覆岩层的重量；

m—掩护梁在走向水平的投影长度；

h—放煤高度；

B—支架宽度。

分别取顶梁、顶梁与掩护体为隔离体，以O1、O2为支点取距，由∑Mo1=0∑Mo2=0，再联立式(3)能够得出：

(4)

式中，L1、L2、L3、L4分别为前柱支撑力F1对O1的力臂、后柱支撑力F2对O1的力臂、后柱支撑力F2对O2的力臂、前柱支撑力F1对O2的力臂；l2、l3、l4、l5、l6分别为W2对O1的力臂、W3对O2的力臂、O1对O2的水平距离、f2W2对O2的力臂和f3W3对O2的力臂，其余符号含义同上。将支架在擦顶前移时需承受的最小顶板荷载用Qm表示，则保障支架擦顶前移的最低要求可表达为：W2=Qm；当假设综放支架前后柱支撑力分别相等并满足一定比例时，结合式(4)可得出支架擦顶前移时立柱残余支承强度为：

Fm1=

(5)

式中，lg1为G1对O1点的力臂；lg2为G2对O2点的力臂，其余符号含义同上。

2) 支架下滑稳定性分析。

在大倾角的条件下，支架本身存在着倾斜向下的下滑分力，对单个液压支架来说若未采取相应措施，支架会沿着煤层的倾向出现下滑现象，致使挤架或咬架事故的出现[5].

a) 顶板(煤)冒空时支架下滑的控制条件。

支架不发生下滑现象，底板与支架底座之间的摩擦力需大于支架自重分力的下滑力，即为：

μ1W1≥Gsinα

(6)

再根据支架保持平衡时，有W1=Gcosα，联立式(6)有：

α≥arctanμ1

(7)

说明在顶板冒空的条件下，支架在自身重力的作用下发生下滑的临界煤层倾角为αm2=arctanμ1.

b) 移架过程中支架下滑的控制条件。

支架在移架过程中发生下滑位移的原理与顶板漏空条件下综放液压支架下滑的原理相似，具体支架移架过程中的受力见图3.

图3 移架过程中支架倾向受力剖面图

根据图3中沿着垂直于底板法向方向上的平衡条件W1=W2+Gsinα，并用μ2表示支架顶梁与顶板间的摩擦系数时，可知保证支架不发生下滑的W2表达式为：

(8)

结合W2的表达式可知：

(9)

当式(9)等号成立时，即可得出防止支架下滑的立柱残余支撑力的最小值Fm2.

为从根本上防止支架发生倾倒，取支架为隔离体，力臂仍取B/2，由∑Mo2=0有：

(10)

联立式(4)和式(10)能够得出支架不出现向下翻倒立柱残余支撑力最小值为：

(11)

由于Fm为带压移架过程中防止支架发生倾倒的立柱残余支撑力的最小值，为保证支架不会出现倒倾现象，则实际支撑力F需满足：F>Fm，其中Fm为3个立柱残余支撑力的最大值，即为：

Fm=max{Fm1,Fm2,Fm3}

(12)

2.2 9-301综放工作面支架控制参数确定

9-301综放面使用ZF12000/22/35放顶煤液压支架，支架宽度B=1.5，高度H=2.4 m，重心高度Hg=1.35 m,为保证支架的稳定性，需计算出工作面下滑倾倒的临界角αm，可得出αm=min{αm1,αm2}=15.6°，即为保证支架不发生下滑倒架事故需保证工作面倾角小于15.6°，但由于工作面最大倾角为36°，故在开采时需采取防倒防滑措施。

以煤层最大倾角36°，确定支架带压移架时的最小残余支撑力Fm，根据式(12)有：

Fm=max{Fm1,Fm2,Fm3}=43 845.57 kN

(13)

由于F1=F，F2=λF，取安全系数为1.3，得出支架整架的最小残余支撑力为：

F整m=2(F1+F2)·1.3=223 kN

(14)

故得出在进行带压移架时ZF12000/22/35型支架整架残余支撑力应大于223 kN. 综合上述分析，为保证回采过程中支架的稳定，应使支架的残余支撑力达到要求，但控制支架的残余支承力较难操作和掌握，因此，改造液压支架防止支架倒架下滑，具体如下：

1) 在支架后柱后部底座的平台处，将底座左右两侧的方板割开，并在内部安装套筒焊接牢固，在套筒上安装能够进行左右旋转的耳轴，将相邻支架通过d100 m的千斤顶固定到耳轴上，并将千斤顶的管路接好，通过控制千斤顶的伸缩，实现支架角度的调整。

2) 在工作面中部支架的底座前部与后部分别安设耳轴，以增设油缸拉运输送机，减少运输机的下滑，同时每隔3～5个支架，加设一组防滑油缸，确保支架不会在运输机的带动下出现下滑。

3) 工作面支架每隔5～10架设压杆油缸。将油缸的上端安装到支架顶梁上，其下端对着支架的推移连杆。在进行机割或推移运输机的操作时，通过将压杆油缸伸长压在支架推移连杆上，保证推移连杆与底板紧贴，不出现上翘现象。

3 大倾角综放面支架稳定性控制技术实践

3.1 矿压观测分析

在9-301工作面回采期间，通过对液压支架的工作阻力进行监测，得出工作面液压支架的工作阻力、顶板的来压步距，并观察支架立柱的倾角。具体测站布置位置见图4.

图4 测站布置位置示意图

根据液压支架工作阻力的监测数据能够得出直接顶的初次垮落步距约为12.8 m，基本顶的初次来压步距为32.8 m，周期来压步距约为21 m. 具体测站监测分析得到的支架立柱液压数据见表1.

表1 支架立柱液压数据统计表

根据表1中数据可知，工作面回采期间各测站的液压支架的工作阻力均为正常状态，另外通过观测支架立柱的倾角，得出回采期间支架立柱倾角向上偏离0°～8°. 综合上述数据可知，回采过程中支架得到了有效的管理，基本以稳定状态工作，支架的俯仰角、综放面的空顶范围及支架低头或抬头现象均得到了合理控制。

3.2 支架稳定性控制效果分析

对9-301工作面实施了支架防倒防滑措施，据矿压观测数据可知，支架立柱倾向的平均偏离角度在合理范围内，支架的工作阻力均为正常状态，在整个回采过程中支架及运输机等设备未出现倾倒和下滑现象，实现了9-301工作面在大倾角条件的综放开采，保障了回采工作安全高效进行。

4 结 论

1) 通过建立综放工作面液压支架的力学模型，对大倾角支架出现倾倒与下滑现象的临界极限条件进行了分析计算，得出顶板冒空时支架不发生倾倒与下滑现象时煤层的临界倾角αm1、αm2，以及支架在进行擦顶移动时保证支架不出现下滑、倾倒时立柱最小初撑力Fm1、Fm2.

2) 根据力学模型分析得出，进行带压移架作用时保持支架稳定的最小残余支撑力的表达式，从而计算出保证9-301综放工作面ZF12000/22/35型液压支架需要的最小残余支撑力为233 kN，并提出了保证支架稳定的防倒防滑措施。

3) 根据矿压观测数据可知，工作面进行回采工作时液压支架均处于正常工作状态，支架立柱倾斜向上的偏离角度为0°～8°也在合理范围内，对大倾角综放面实施支架的防倒防滑措施防止了支架出现下滑与倒架事故，实现了工作面的安全高效回采。