喬偉杰

(大同煤礦集團(tuán)安全監(jiān)管五人小組管理部，山西 大同 037000)

0 引言

北辛窯井田共有3個(gè)可采煤層(2號(hào)、5號(hào)、6號(hào))，井田北部煤層傾角較大，約為22°，南部相對(duì)較小，上層煤(2號(hào)煤)平均厚度5.63 m。為實(shí)現(xiàn)早期試投產(chǎn)的目的，首采工作面布置在井田北部的2號(hào)煤層11采區(qū)，8103首采工作面沿煤層傾斜方向布置，采用走向長(zhǎng)壁后退式放頂煤開(kāi)采工藝。由于煤層傾角大，可能出現(xiàn)工作面前后刮板輸送機(jī)、液壓支架出現(xiàn)“上竄下滑”的現(xiàn)象[1-4]。為避免這一現(xiàn)象，北辛窯煤業(yè)對(duì)“上竄下滑”的機(jī)理進(jìn)行了分析，并對(duì)控制方法進(jìn)行了實(shí)踐。

1 工作面概況

8103工作面位于2號(hào)煤層一采區(qū)，標(biāo)高918～1 063 m；2103巷走向長(zhǎng)度2 063.2 m，5103巷走向長(zhǎng)度1 865 m；傾向長(zhǎng)度165 m，工作面長(zhǎng)181.2 m；平均傾角22°，面積308 700 m2；工作面為首采面，西鄰+1040回風(fēng)巷，工作面2條順槽呈近東西方向布置，切眼呈近南北方向布置。工作面總體基本呈南西高北東低，煤層傾角19°～25°，一般為22°～23°，距2103皮帶順槽北幫0～90 m發(fā)育一條正斷層(DF9)。兩順槽在掘進(jìn)過(guò)程中共揭露8條斷層，揭露斷層位置全部位于停采線以外，對(duì)煤層回采影響較小。

2 “上竄下滑”機(jī)理分析

2.1 受力分析

當(dāng)工作面布置成偽斜工作面時(shí)，支架給刮板輸送機(jī)的推力由F推1變化為F推2，沿坐標(biāo)系進(jìn)行受力分解，刮板輸送機(jī)向前運(yùn)動(dòng)的力為F推4，如圖1所示。刮板輸送機(jī)又增加一個(gè)向溜尾的推力F推3，垂直布置工作面時(shí)抵消下滑的力只有摩擦力f，現(xiàn)在抵消刮板輸送機(jī)下滑的力又增加了一個(gè)F推3，因此要控制刮板輸送機(jī)下滑，只需控制F推3的大小即可。而F推3的大小受hg長(zhǎng)度(頭巷超前推采距離)影響，當(dāng)hg太大時(shí)，f與F推3的合力太大，則刮板輸送機(jī)上竄[5-8]；當(dāng)hg太小時(shí)，f與F推3的合力不足以抵消Gx，則刮板輸送機(jī)下滑。

圖1 刮板輸送機(jī)受力分析

2.2 超前推采距離計(jì)算與改進(jìn)

推采距離的計(jì)算：頭巷超前推采距離的計(jì)算可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(1)，圖2為工作面頭巷超前推采距離L與調(diào)斜角θ之間的關(guān)系示意圖。

圖2 工作面頭巷超前推采距離L與調(diào)斜角θ之間的關(guān)系

L=L1tan(α/2)

(1)

式中，L—經(jīng)驗(yàn)超前推采距離；L1—工作面傾向長(zhǎng)度；α—工作面真傾角。依據(jù)式(1)，工作面調(diào)斜角θ為其真傾角α的一半，計(jì)算得出超前推采距離L為32 m。但試產(chǎn)初期，維持設(shè)計(jì)的距離進(jìn)行平穩(wěn)推進(jìn)后，發(fā)現(xiàn)工作面前溜向尾方向上竄，致使前溜頭縮短，與轉(zhuǎn)載機(jī)不能有效搭接。同時(shí)前溜尾與5103回風(fēng)順槽外煤幫頂死，造成安全出口不暢通，于是采取調(diào)尾工作。在調(diào)尾的過(guò)程中，保證頭巷超前推采5 m距離時(shí)，又出現(xiàn)前溜下滑現(xiàn)象，造成了前溜頭變長(zhǎng)，導(dǎo)致前溜頭頂住轉(zhuǎn)載機(jī)的下幫側(cè)。

改進(jìn)計(jì)算：經(jīng)過(guò)反復(fù)摸索，通過(guò)對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行試驗(yàn)性總結(jié)，得出試驗(yàn)超前推采距離公式

L=L1tan(1/8～1/6)α

(2)

工作面調(diào)斜角θ為真傾角的1/8～1/6之間，即工作面調(diào)斜角為3°～4°。工作面頭巷超前推采(偽斜量)8～10 m的距離能在一定程度上使刮板輸送機(jī)在傾斜面上的受力達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)，從而有效控制刮板輸送機(jī)的“上竄下滑”，保證安全生產(chǎn)。

3 控制技術(shù)及實(shí)踐效果

3.1 防止“上竄下滑”的措施

正常情況下采取的措施：①頭巷超前推采距離(偽斜量)的有效把握。將工作面布置成偽斜工作面進(jìn)行回采，因5103回風(fēng)順槽標(biāo)高大于2103皮帶順槽標(biāo)高60～80 m，所以正常情況下，保證工作面調(diào)斜成與尾巷垂線成3°～4°(調(diào)斜角)，頭巷超前推采距離(偽斜量)為8～10 m；②割煤方式。采用從上端頭(尾端頭)單向割煤的方式即上端頭斜切進(jìn)刀，下行實(shí)刀割煤，上行空刀清浮煤，往返一次進(jìn)一刀；③移架方式。采煤機(jī)下行割煤，采用帶壓擦頂分組移架的作業(yè)方式從尾向頭移架，每次分組3～5架，組間按照間隔順序移架(如1#、2#、3#為一組先移2#架，再移1#架、3#架)，組內(nèi)原則上從下往上(從頭向尾)移架；④推(拉)溜的方式。采煤機(jī)上行(從頭向尾)空刀清浮煤時(shí)，采用從頭向尾的方式進(jìn)行推前溜來(lái)控制刮板輸送機(jī)的下滑，采煤機(jī)割完一刀煤后或割完2刀煤放完頂煤后，開(kāi)始從頭向尾依次拉后溜；⑤根據(jù)工作面頭巷超前推采距離(偽斜量)及時(shí)調(diào)整支架角度，保證支架與刮板輸送機(jī)垂直。在回采期間，由于支架受自重下滑和頂板破碎等因素影響，支架可能出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象，若朝機(jī)頭傾斜時(shí)，會(huì)導(dǎo)致前溜下滑、后溜上竄，若朝機(jī)尾傾斜時(shí)，會(huì)導(dǎo)致前溜上竄、后溜下滑，所以當(dāng)支架與刮板輸送機(jī)不垂直時(shí)必須及時(shí)靠架，調(diào)整支架角度，靠架時(shí)必須通過(guò)支架側(cè)護(hù)板、底調(diào)油缸來(lái)調(diào)整支架方位；⑥正常情況下，前后溜與轉(zhuǎn)載機(jī)搭接要在合理范圍內(nèi)，一般溜頭鏈輪外沿伸出轉(zhuǎn)載機(jī)靠?jī)?nèi)煤幫中部單邊槽200 mm運(yùn)煤較適宜，在轉(zhuǎn)載機(jī)靠外煤幫中部單邊槽側(cè)用單體頂住轉(zhuǎn)載機(jī)底座，保證下端頭安全出口人行道寬度，溜頭滑移200 mm視為刮板輸送機(jī)“上竄下滑”，每班跟班上崗干部必須對(duì)前后部刮板輸送機(jī)“上竄下滑”情況進(jìn)行觀測(cè)并記錄，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行分析，控制頭巷超前推采距離(偽斜量)；⑦保證工作面工程質(zhì)量達(dá)標(biāo)，確保工作面的“三直一平，兩暢通”，工作面刮板輸送機(jī)的平整度，支架的直線度是控制刮板輸送機(jī)“上竄下滑”的基礎(chǔ)保證；⑧當(dāng)割煤到工作面下端頭20 m范圍內(nèi)，放緩工作面傾斜角度，在1#過(guò)渡支架與端頭支架間安設(shè)一臺(tái)特殊小支架(0#支架，如圖3所示)來(lái)加強(qiáng)下端頭倒三角區(qū)域排頭支架管理及頂板支護(hù)的穩(wěn)定性。

圖3 0#特殊小支架實(shí)物圖

上竄期間采取的措施：①刮板輸送機(jī)上竄時(shí)，以機(jī)頭為調(diào)斜中心進(jìn)行調(diào)刀，一般機(jī)頭、機(jī)尾按1∶2或1∶3比例進(jìn)行調(diào)小(大)刀，調(diào)小刀即頭刀割煤時(shí)割1次機(jī)尾不割機(jī)頭，第2刀割一次通刀，調(diào)大刀即頭刀割1次機(jī)尾不割機(jī)頭，第2刀割1次機(jī)尾不割機(jī)頭，第3刀割一次通刀，調(diào)大刀時(shí)第1刀，第2刀割機(jī)尾距離按奇數(shù)架或偶數(shù)架排列進(jìn)行割機(jī)尾(比如頭刀割機(jī)尾30架，第2刀割機(jī)尾50架進(jìn)行調(diào)刀)；②刮板輸送機(jī)上竄時(shí)，工作面支架與刮板輸送機(jī)一般不垂直，在拉架期間要充分利用支架的防倒、防滑裝置進(jìn)行靠架[9-12]；③刮板輸送機(jī)上竄時(shí)從機(jī)尾向機(jī)頭推溜，調(diào)刀時(shí)支架必須垂直刮板輸送機(jī)進(jìn)行推溜。

下滑期間采取的措施：①刮板輸送機(jī)下滑時(shí)，以機(jī)尾為調(diào)斜中心進(jìn)行調(diào)刀，一般機(jī)頭、機(jī)尾按2∶1或3∶1比例進(jìn)行調(diào)小(大)刀；②在拉架期間要充分利用支架的防倒、防滑裝置進(jìn)行靠架，必要時(shí)利用單體支柱配合進(jìn)行靠架；③刮板輸送機(jī)下滑期間進(jìn)刀方式調(diào)整為從機(jī)頭進(jìn)刀，從機(jī)尾向機(jī)頭返空刀清浮煤，調(diào)刀時(shí)支架必須垂直刮板輸送機(jī)進(jìn)行推溜。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

設(shè)備連接頭的改進(jìn)：試采期間，由于煤層傾角大，刮板輸送機(jī)下滑較難控制，支架刮板輸送機(jī)間的連接鉤頭與推移框架存在一定角度，推溜過(guò)程中易造成連接頭損壞破斷，如圖4(a)所示，連接頭的損壞更難以控制刮板輸送機(jī)的下滑。起初選用鑄鐵材質(zhì)的連接頭，強(qiáng)度和柔韌性不能達(dá)到生產(chǎn)實(shí)際需要，經(jīng)驗(yàn)證，選用鑄鋼焊接材質(zhì)能提高連接鉤頭的強(qiáng)度和柔韌性，如圖4(b)所示。

圖4 連接頭實(shí)物圖

經(jīng)濟(jì)效益及經(jīng)驗(yàn)：在回采過(guò)程中產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，通過(guò)1月～2月兩個(gè)月的時(shí)間進(jìn)行了對(duì)工作面設(shè)備、安全設(shè)施的完善及試生產(chǎn)工作，3月份正式開(kāi)始出煤，完成原煤產(chǎn)量6.1萬(wàn)t的好成績(jī)，5月份原煤產(chǎn)量達(dá)13.7萬(wàn)t，實(shí)現(xiàn)歷史最高水平。為開(kāi)采相似緩傾斜煤層工作面控制刮板輸送機(jī)“上竄下滑”提供了非常寶貴的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也為同煤集團(tuán)其他類(lèi)似大傾角工作面提供了參考。

4 結(jié)論

(1)將大傾角綜放工作面布置成偽傾斜工作面進(jìn)行回采，控制頭巷超前推采距離(偽斜量)在8～10 m范圍內(nèi)能基本上使溜槽受力平衡，保證液壓支架和刮板輸送機(jī)下滑速度和向上推進(jìn)達(dá)到基本平衡的狀態(tài)。

(2)工作面下端頭排頭支架的穩(wěn)定性是防止中部支架下滑的關(guān)鍵，因此工作面下端頭20 m范圍內(nèi)，放緩了工作面傾斜的角度，在1#支架與端頭支架間安設(shè)了一臺(tái)特殊小支架(0#支架)來(lái)加強(qiáng)頭部倒三角區(qū)域頂板支護(hù)的穩(wěn)定性。

(3)頭巷超前推采距離(偽斜量)與煤層傾角、生產(chǎn)工藝和設(shè)備、支架與刮板輸送機(jī)間的連接鉤頭完好情況等都有關(guān)系，需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行參數(shù)的計(jì)算和選取。