大倾角仰(俯)采工作面支架失稳机理及控制技术.doc

大倾角仰（俯）采工作面支架失稳机理及控制技术
1 工程概况 E1108 工作面位于新集二矿-550m 开采水平东翼采区，井下标高-464.9~-607.0m,工作面走向长度944~935m,平均940m,倾斜长度拐点以里为110m,拐点以外127m.工作面开采煤层为11-2 煤，煤层为三层煤两层夹矸的结构，厚度2.2~3.6m,平均厚度2.83m.煤层直接
1 工程概况
　　E1108 工作面位于新集二矿-550m 开采水平东翼采区，井下标高-464.9~-607.0m,工作面走向长度944~935m,平均940m,倾斜长度拐点以里为110m,拐点以外127m.工作面开采煤层为11-2 煤，煤层为三层煤两层夹矸的结构，厚度2.2~3.6m,平均厚度2.83m.煤层直接顶为泥岩，老顶岩层由下向上依次为细砂岩、薄煤层、泥岩、砂质泥岩等，煤层直接底为泥岩，老底是细砂岩。煤层倾角10~45°，平均37°，属于大倾角工作面。煤层褶曲发育，在走向上缓波状起伏，沿煤层走向呈锅底状。工作面里段呈伪俯采、外段呈伪仰采开采，最大俯采角度达42°，最大仰采角度25°。工作面倾向角度和走向角度的增大对工作面安全回采及保证回采产量带来了较大影响。　
　　2 液压支架失稳机理分析
　　2.1 支架技术参数
　　E1108 工作面设计选用的支架为ZZ7600/18/38 型支撑掩护式支架。
　　2.2 工作面“支架--围岩”关系分析
　　煤层倾角是影响采场矿山压力的主要因素之一。大倾角工作面的顶板不仅受支承压力的作用而变形破坏，而且受倾斜方向重力分力的作用。因此，大倾角煤层的顶板不是沿法向移动，而是沿一条逐渐接近重力作用方向的曲线移动，顶板越不稳定，其移动曲线偏离法线越远。顶板移动的法线分量对支架产生垂直作用力，有利于支架的稳定。顶板移动的切向分量对支架产生侧向力，导致支架倾倒。顶板运动方向与煤层法向夹角的变化对支架抗倒能力的影响是显著的。顶板运动轨迹对支架的滑动稳定性影响也很大。如果顶板运动一开始就完全沿重力方向，对于倾角达到45°的煤层，支架的抗滑能力都很小[1-3].
　　大倾角开采过程中，沿煤层倾斜方向，顶板的破坏呈“马鞍型”分布，其中工作面上端的顶板破坏区高度和范围都大于下部。大倾角开采除了与一般工作面开采中遇到的难题外，还在以下两方面影响支架的稳定性：
　　（1）顶板在工作面倾向方向上各个位置受力的不同导致了顶板的破碎程度不同，支架上方顶板移动会影响相邻支架上方顶板的状态，进而影响相邻支架的受力状态与稳定性；
　　（2）在工作面向前推进过程中，由于工作面倾角大，支架降架前移时，会因失去支撑点而偏斜或倾倒[4-5]。
　　2.3 工作面液压支架力学分析
　　2.3.1 大倾角综采工作面倾向支架力学分析
　　（1）支架自由状态力学分析
　　大倾角工作面，由于支架的自重分量及施加于顶梁上的推力（重力分力）等作用，支架在工作过程中常会出现沿倾向（支架横向）下滑和倾倒现象。为推导方便，略去工作面输送机与采煤机及邻架对支架下滑的影响，单个支架自由状态在工作面的状态可简化为图1 所示的力学模型[1]。
　　支架处于自由状态时，将支架与煤层底板当成刚体来分析：可知，当煤层倾角á 增大时，由于煤层采高为一定值，此时只有增大b（支架宽度）才能保证支架处于倾倒临界状态。由此可知，增大支架宽度有利于支架本身的稳定。支架下滑临界角主要取决于底板与支架之间的摩擦系数。
　　实际工作面开采中，煤层底板为岩石或煤其变形较大，不能当成刚体来研究。实际当中支架临界状态要求支架宽度b 更大一些，上式中得到的b 的下限比实际工作面开采的支架失稳下限小，即大倾角工作面支架的稳定则要求支架宽度更高。在现场支架选型中，液压支架宽度受到很多开采条件及支架技术条件的限制。如何增加支架宽度以保证支架的稳定性成为一个难题。
单个支架的稳定性受到了支架宽度的限制，单纯的增加支架宽度来保证支架本身的稳定性已不太可能。但工作面的支架实际是一个整体，各支架联系较为紧密，若将工作面支架底座连在一起则大幅增加了支架的稳定性。以两个支架为例，如将两个支架连在一起看做一个支架，煤层采高h 不变，而支架宽度则增大了一倍，其稳定性也得到了大幅提高。同时各个支架连在一起使整个工作面支架摩擦力受力较为均匀，不会出现局部抗滑性能不好的支架（与底板软硬，湿度程度有关）产生局部下滑，从而对其下方支架产生一个动载而影响整个工作面的支架的稳定。由以上分析可知，将工作面支架底座连在一起有利于支架的防滑防倒。
　　由开采条件：采高h 为2.8 m,支架宽度b 为1.5 m,,金属与煤层摩擦系数在0.35~0.4之间，计算中ì 较保守地取0.3.ì 取0.3 时支架在自由状态煤层临界倾倒角度为28.2°，临界滑移角为16.7°。
　　（2）支架工作状态力学分析
　　以上分析只考虑了支架在自由状态的稳定性，在工作面开采过程中，顶板的垮落对支架的压力也是影响工作面特别是大倾角工作面支架稳定性的重要因素。
　　2.3.2 大倾角综采工作面支架走向力学分析
　　支架工作面走向自由状态力学分析：煤层开采分仰采和俯采。
　　代入工作面开采条件（初撑力或工作阻力R12=5700、7600 kN）并令F=0,可见当煤壁对支架前探梁（护帮板）力很小或为零时，支架自由状态下临界倾倒俯角为43°。即工作面俯角小于43°时支架能自动平衡，工作面煤层的俯角角度小于此临界值，故支架在俯采自由状态时不会发生倾倒。
　　2.3.3 模型计算结果
　　由以上计算，总结E1108 工作面分别在最大倾角、最大仰角和俯角时，工作面支架保持平衡和稳定性的临界角度及其所需最小支护阻力。
3 液压支架稳定性控制技术
　　根据工作面安全生产的原则，结合新集二矿E1108 大倾角仰（俯）采工作面的实际情况，可确定E1108 工作面支架稳定性控制的措施如下：
　　（1）大倾角回采时，工作面伪斜布置，一方面可以减小伪斜工作面的倾角；另一方面可以增加运输机的稳定性，消除其下滑对支架稳定性的影响。
　　（2）大倾角回采时，从增大支架的失稳临界角的角度考虑，可以采取的措施有以下几个方面：
　　① 提高支护阻力。理论分析和实践经验表明，较大的支架工作阻力对保持支架稳定性是有益的，因此，要保证泵站有足够的压力，支架安装后，迅速施加较大的初撑力。大倾角回采时，支架的滑移主要是发生在卸载降架、移架的时候，此时抗滑力仅以依靠支架自重，移架时采用“带压移架”的方式，做到“少降快拉”.
　　② 要保证较大的支架与顶底板间的摩擦系数。煤层底板浮煤清理不彻底、顶板破碎、底板积水等，都会降低支架与顶底板间的摩擦系数，因此，应提高煤机截割质量，确保顶、底板平整，移架前必须清理干净架前浮煤，确保支架底座与底板严密接触；顶板破碎时要做好超前支护，仰采时注意排水。
　　③ 严格控制采高，适当提高推进速度。控制采高可降低支架重心，有效保持支架的稳定性；适当提高推进速度，及时支护，既可以有效控制冒顶和控顶距的增加，又可以减轻支架的压力。
　　④ 留设防滑平台。在下端头一定距内割煤时适当留底煤，是下端头工作面坡度变小，成为防滑平台。平台既可以阻止运输机下滑，又能保证运输机机头与转载机的合理搭接高度。
　　⑤ 用好侧护板，减小相邻支架间距。使用相邻支架侧护板来限位，移架时本架下侧护打开，上方支架下侧护收回，及时调整支架间距和方向，防止架间漏矸和支架歪斜。
　　⑥ 加强顶板管理，每台支架拉移到位后，支架顶梁与顶板要接实严密，出现漏顶或顶板不平时，要将顶板接实，使支架充分接顶，支架受力均匀，避免发生空顶、漏顶、冒顶现象。
　　⑦ 采取单向割煤方式，即采煤机自上而下割煤，自下而上清理浮煤、推移运输机。移架方式以分段自上向下移架为主的，下端头按照2#1#3#的顺序移架。移架时将本架侧护梁打开，下方支架侧护梁打开，利用侧护梁进行辅助调节移架，及时调整支架状态。
　　（3）工作面下端头支架加装端头防滑装置：端头架三架采用软连接设防倒防滑设施，1#架底座下侧安装油缸，采用锚链经1#架底座后托与3#架底座连接，移架前将油缸活塞杆伸出松开链条，移架后收紧活塞杆重新拉紧链条，防止1#架后尾下滑；采用将锚链连接到1#、3#架顶梁和1#、3#架底座前端，锚链中间加装油缸，通过移架时伸出油缸活塞杆、移架后收紧活塞杆防止1#架顶梁下滑。
　　（4）调底座千斤顶、顶梁和掩护梁侧推千斤顶活塞腔加单向锁。顶梁与掩护梁侧推千斤顶分动。
　　（5）局部煤壁片帮、顶板漏冒及时处理，以防止因片冒区扩大引起支架失稳而造成倒架事故。
　　（6）工作面顶板破碎、大倾角的情况下，必要时可使用单体辅助移架，移架单体须支设牢靠，升压时要实行远控操作。
　　（7）加强工程质量管理，顶底板要割平，煤壁、运输机、支架要成直线，严禁出现局部滞后现象，确保支架的稳定性。顶底板不平、起伏较大地点，适量挑顶或刹底回采，将工作面顺平，保证工作面平直，避免工作面出现过大度数。
　　（8）发现支架有倒架、咬架现象，须立即进行处理：
　　① 用单体支柱斜撑处理倒架、咬架：移架前在支架顶梁下沿沿支架倾倒的相反方向支设一根或多根单体支柱，调架单体要支设牢靠，升压时须实行远控操作。
　　② 用千斤顶拉正处理倒架、咬架：在支架倾倒方向的上方稳定支架架怀内设置千斤顶，移架时配合大链拉支架尾梁。
　　（9）当工作面超前片冒，采取拉移超前架等措施仍然难以控制时，须采取超前开帮架棚、接顶、打贴帮柱，然后再按照以上措施进行调架。
　　（10）加强支架维修，使支架处于最好的支护状态，确保工作面的支护强度，以改善煤壁和顶板受力情况。
　　（11）大角度俯采时，为防止液压支架向煤壁侧倾倒，采取以下措施：
　　① 采取随坡减压小步距移架，改正常情况下的一次移架到位为分二次拉移到位，同时微量降架，在释放支架大部支撑力的同时，保留支架必须的基本支撑力，使顶梁始终贴实顶板。
　　② 移架时要严格控制降架高度，并收起支架的平衡千斤顶，拱起顶梁的尾部，使之带压擦顶移架。
　　4 结论
　　工作面设备的稳定性是大倾角煤层开采的一个基本问题，而液压支架的稳定性控制是工作面设备控制中的最难问题。在大倾角仰（俯）采状态下，由于支架重力的法向及切向分量随倾角增加而变化，使得切向分力增大而法向分力减小，因此，工作面支护系统所受的工作载荷变小，而引起支护系统失稳的外载增大，工作面支架滑、倒、及架间挤、咬现象加剧。本文通过对大倾角仰（俯）采状态下的液压支架进行力学分析，得出支架在大倾角、仰采、俯采时的失稳临界角及临界支护阻力，据此提出支架的稳定性控制措施。