劉奮宇

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦綜采準(zhǔn)備隊(duì)， 山西 古交 030200）

引言

當(dāng)前，我國(guó)煤礦生產(chǎn)已經(jīng)達(dá)到自動(dòng)化、機(jī)械化生產(chǎn)水平，各類綜采設(shè)備的穩(wěn)定性和性能直接決定工作面生產(chǎn)效率和安全性。尤其是對(duì)于急傾斜工作面，工作面傾角較大容易導(dǎo)致液壓支架、采煤機(jī)以及導(dǎo)向系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備的穩(wěn)定性受到威脅。因此，分析綜采工作面采煤機(jī)、導(dǎo)向系統(tǒng)以及液壓支架等綜采設(shè)備的穩(wěn)定性，并針對(duì)性地提出綜采設(shè)備防倒防滑的措施，對(duì)于保證綜采工作面安全、穩(wěn)定、高效生產(chǎn)具有重要意義[1]。

本文重點(diǎn)對(duì)急傾斜工作面涉及到的綜采設(shè)備的防滑防倒技術(shù)進(jìn)行研究。

1 11073 工作面工程概述

本文以保興煤礦的11073 運(yùn)輸巷掘進(jìn)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(jīng)探測(cè)，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(chǎn)，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?shù)装宓刭|(zhì)條件如表1 所示。

表1 11073 工作面頂?shù)装宓刭|(zhì)條件

2 綜采工作面設(shè)備穩(wěn)定性分析

2.1 采煤機(jī)穩(wěn)定性分析

針對(duì)急傾斜薄煤層的綜采工作面，保證綜采設(shè)備在大傾角的工作面安全、穩(wěn)定工作尤為重要，尤其是要保證采煤機(jī)、液壓支架在煤層傾斜方式不會(huì)出現(xiàn)下滑和傾倒的現(xiàn)象。本節(jié)重點(diǎn)針對(duì)采煤機(jī)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

從理論上講，判斷采煤機(jī)穩(wěn)定的理論公式如式（1）所示：

式中：F1為采煤機(jī)前滾筒的截割阻力；F2采煤機(jī)后滾筒的截割阻力；fs為采煤機(jī)行走時(shí)的摩擦力；W 為采煤機(jī)的自重，取180 kN；φ 為采煤機(jī)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(jī)的最大牽引力；Kj為采煤機(jī)前后截割滾筒的截割阻力比，針對(duì)薄煤層取0.2；μ1為采煤機(jī)與導(dǎo)向之間的摩擦系數(shù)，取0.2。

根據(jù)采煤機(jī)上行和下行兩種工況，分別計(jì)算得出：當(dāng)采煤機(jī)下行截割煤時(shí)要求牽引力大于206.58～213.44 kN，即不會(huì)出現(xiàn)下滑的現(xiàn)象；當(dāng)采煤機(jī)上行截割煤時(shí)要求牽引力大于193.36～199.79 kN，即不會(huì)出現(xiàn)下滑的現(xiàn)象。

在實(shí)際生產(chǎn)中，隨著工作面傾斜角度的增加，對(duì)應(yīng)的采煤機(jī)穩(wěn)定性問題越發(fā)突出。為進(jìn)一步提升設(shè)備的穩(wěn)定性，除了采用常規(guī)的牽引力和制動(dòng)力外，還增設(shè)了安全絞車。針對(duì)急傾斜薄煤層工作面的生產(chǎn)，采用無鏈牽引的騎溜運(yùn)行方式提升設(shè)備的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤壁前底板的高效控制[2]。

2.2 液壓支架穩(wěn)定性分析

液壓支架作為綜采工作面的主要支護(hù)設(shè)備，也是導(dǎo)向系統(tǒng)和采煤機(jī)穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)。對(duì)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(wěn)定性。經(jīng)實(shí)踐表明，導(dǎo)致液壓支架失穩(wěn)的主要原因?yàn)橐簤褐Ъ苎刂ぷ髅嫦陆担簤褐Ъ苎刂ぷ髅鎯A倒[3]。本節(jié)將從液壓支架的自由狀態(tài)、初撐狀態(tài)以及工作狀態(tài)對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2.2.1 液壓支架自由狀態(tài)的穩(wěn)定性分析

從理論上分析，液壓支架在自由狀態(tài)部發(fā)生失穩(wěn)的情況可總結(jié)如下：煤層傾角為導(dǎo)致液壓支架失穩(wěn)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(duì)應(yīng)液壓支架的傾倒安全系數(shù)越??；且當(dāng)工作面煤層傾角大于52°時(shí)液壓支架在自由狀態(tài)的安全系數(shù)小于1。同時(shí)，液壓支架的高寬比也是影響其傾倒安全系數(shù)的因素之一，當(dāng)液壓支架高寬比大于1.43 時(shí)，液壓支架在自由狀態(tài)的安全系數(shù)大于1。

圖1 煤層傾角與液壓支架傾倒安全系數(shù)的曲線

圖2 寬高比與液壓支架傾倒安全系數(shù)的曲線

總之，當(dāng)工作面煤層傾角過大時(shí)，液壓支架在自由狀態(tài)的防滑和傾倒系數(shù)會(huì)小于1，在實(shí)際應(yīng)用中必須保證液壓支架對(duì)上部液壓支架具有足夠的支撐力，從而增加液壓支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，最終解決液壓支架在自由狀態(tài)下失穩(wěn)的問題[4]。同時(shí)，在設(shè)計(jì)液壓支架時(shí)盡可能保證其高寬比大于1.43，提高其穩(wěn)定性。

2.2.2 液壓支架初撐狀態(tài)的穩(wěn)定性分析

對(duì)于液壓支架的初撐狀態(tài)下，影響其傾倒安全系數(shù)的因素包括有工作面煤層的傾角、支護(hù)重量、有效支護(hù)力以及支護(hù)的高寬比。從理論上講，當(dāng)工作面煤層傾角越大、液壓支架支護(hù)重量越大時(shí)，對(duì)應(yīng)的液壓支架抗滑安全系數(shù)越小，越容易發(fā)生下滑事故。

對(duì)寬高比而言，寬高比與液壓支架的傾倒安全系數(shù)成正比；也就是說，對(duì)于本工程的急傾斜工作面而言，隨著煤層厚度的增加，對(duì)應(yīng)液壓支架的安全傾倒系數(shù)越小，越容易發(fā)生傾倒事故。

因此，液壓支架在初撐狀態(tài)下，此時(shí)工作面頂板對(duì)液壓支架的載荷較小，其重心處于設(shè)備的重心位置，對(duì)應(yīng)的安全傾倒系數(shù)較大，即在初撐狀態(tài)下液壓支架的穩(wěn)定性較好。對(duì)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(wěn)定性就可保證工作面液壓支架整體的穩(wěn)定性。

2.2.3 液壓支架工作狀態(tài)穩(wěn)定性分析

當(dāng)液壓支架在工作狀態(tài)下時(shí)，影響液壓支架穩(wěn)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(shù)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(shù)成正比。

圖3 煤層傾角與液壓支架傾倒安全系數(shù)的曲線

圖4 頂板壓力與液壓支架傾倒安全系數(shù)的曲線

圖5 寬高比與液壓支架傾倒安全系數(shù)的曲線

綜合分析當(dāng)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(duì)液壓支架載荷小于2 120 kN 時(shí)，對(duì)應(yīng)的液壓支架的傾倒安全系數(shù)大于1。

3 結(jié)論

1）在急傾斜綜采工作面，采煤機(jī)在割煤狀態(tài)下穩(wěn)定性大于其在切煤狀態(tài)下的穩(wěn)定性。同時(shí)，當(dāng)采煤機(jī)在爬底運(yùn)行時(shí)，整機(jī)的穩(wěn)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(yùn)行方式保證采煤機(jī)的穩(wěn)定性。

2）通過對(duì)液壓支架在自由狀態(tài)、初撐狀態(tài)以及工作狀態(tài)三種情況下的穩(wěn)定性進(jìn)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(duì)液壓支架在不同工作狀態(tài)下的影響機(jī)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(tài)下的穩(wěn)定性。