甄亞東，李小國(guó)，姚 堯

（中煤北京煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司，北京 102400）

根據(jù)我國(guó)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT 555—1996《大傾角液壓支架技術(shù)條件》中對(duì)大傾角液壓支架的概念規(guī)定：大傾角液壓支架一般是指支架最大支撐高度小于等于3.2 m，使用傾角在35°～55°；或最大支撐高度在3.2 m以上4.5 m 以下，使用傾角20°～40°的液壓支架。

在全國(guó)范圍內(nèi)，煤層傾角超過35°的煤炭?jī)?chǔ)量約占總數(shù)的17%，主要集中在我國(guó)的西部地區(qū)。在寧夏、甘肅、新疆、云南、貴州和四川等西部礦區(qū)，大傾角煤層占比超過50%，已成為當(dāng)?shù)氐V井的主采煤層。

國(guó)外對(duì)于大傾角煤層開采的研究主要是在20 世紀(jì)50—90 年代。德國(guó)、法國(guó)等國(guó)家對(duì)大傾角煤層的開采方法和設(shè)備進(jìn)行了研究試驗(yàn)，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果。前蘇聯(lián)研制了可用于45°大傾角的液壓支架；德國(guó)威斯特豪爾特煤礦將緩傾斜液壓支架改造后應(yīng)用于大傾角煤層。進(jìn)入21 世紀(jì)以來，受各種政策制約，西方壓縮了煤礦產(chǎn)能，后期在大傾角開采上的研究發(fā)展相對(duì)緩慢。

國(guó)內(nèi)大傾角綜采工作面發(fā)展自20 世紀(jì)80 年代，開始是非機(jī)械化開采，轉(zhuǎn)步轉(zhuǎn)向綜合機(jī)械化開采。綜采的核心設(shè)備有采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)和液壓支架，俗稱“三機(jī)”。大傾角工作面與普通工作面差異較大，初始階段采用普通工作面三機(jī)設(shè)備應(yīng)用于大傾角工作面，出現(xiàn)支架傾倒、采煤機(jī)和刮板運(yùn)輸機(jī)下滑等問題，極大影響煤礦產(chǎn)出和生產(chǎn)效率。

因此，綜采面三機(jī)設(shè)備選型合適與否是大傾角工作面能否高產(chǎn)、高效開采的關(guān)鍵。

1 大傾角工作面特點(diǎn)

區(qū)別于普通近水平綜采工作面，大傾角工作面具有如下特點(diǎn)。

1）工作面機(jī)頭、尾落差會(huì)隨工作面傾角增大而增大，機(jī)尾方向的煤或矸石滑落時(shí)，會(huì)對(duì)機(jī)頭方向的人或設(shè)備產(chǎn)生沖擊，造成人員傷亡或經(jīng)濟(jì)損失。

2）工作面傾角大，支架重心超出支架底座邊緣，容易發(fā)生倒架事故；工作面傾角超過刮板機(jī)和底板的摩擦角，容易出現(xiàn)刮板機(jī)下滑。

3）采煤機(jī)的上行爬坡能力不足，下行時(shí)容易出現(xiàn)失速下滑。采煤機(jī)和刮板運(yùn)輸機(jī)嚙合的銷排磨損量大，容易出現(xiàn)銷排損壞。

4）工作面傾角大，機(jī)尾老塘處的頂板斷裂后隨重力作用向機(jī)頭處滾落，在機(jī)頭老塘處形成堆積。因此，工作面頂板活動(dòng)不均衡，工作面機(jī)尾處的頂板活動(dòng)相對(duì)強(qiáng)烈。

2 大傾角液壓支架選型

2.1 液壓支架初撐力和工作阻力

建立大傾角液壓支架受力模型如圖1 所示，其中σ 為工作面傾角；q 為頂板巖石壓力；G 為支架重力；p為支架支撐力；F1和F2為上下2 側(cè)支架頂梁的反作用力；f1和f2為頂板和底板對(duì)支架的靜摩擦力；u1和u2為頂板和底板對(duì)支架的摩擦系數(shù)。

圖1 大傾角液壓支架受力模型

根據(jù)以上大傾角液壓支架受力模型，建立垂直工作面底板方向的支架受力的平衡公式，液壓支架的初撐力

式中：在大傾角工作面，液壓支架僅承受頂板巖石壓力的分力，因此，相對(duì)于近水平工作面，大傾角液壓支架工作阻力可適當(dāng)減小。

根據(jù)大傾角液壓支架受力模型，建立平行工作面頂板方向支架受力的平衡公式為

將式（1）代入式（2），得出

由式（3）可知，頂板對(duì)支架頂梁的靜摩擦力f1和支架支撐力p 成正比。因此，在工作阻力確定的情況下，可以通過提高泵壓，將液壓支架初撐力適當(dāng)提高，可以預(yù)防大傾角液壓支架出現(xiàn)倒架事故。

煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT 555—1996《大傾角液壓支架技術(shù)條件》中規(guī)定，支架初撐力和額定工作阻力之比，不小于83%，也是出于預(yù)防倒架的目的。

2.2 液壓支架重量

根據(jù)大傾角液壓支架受力模型，建立平行工作面底板方向的支架受力的平衡公式

由式（1）—式（4）可得

由式（5）可知，大傾角工作面傾角σ 和支架重力G成反比。因此，為保證大傾角工作面液壓支架的穩(wěn)定性，可以通過提高高強(qiáng)鋼板比例，盡可能地將支架重量降低。

由以上分析可得：大傾角工作面液壓支架工作阻力相對(duì)近水平工作面可適當(dāng)減小，盡量選用重量較輕的兩柱掩護(hù)式液壓支架。工作面機(jī)尾上部頂板活動(dòng)強(qiáng)烈，可在大傾角工作面機(jī)尾布置工作阻力稍大的液壓支架，利于工作面整體的穩(wěn)定。

2.3 液壓支架防倒

大傾角工作面機(jī)頭位置低，機(jī)尾位置高。所以，控制工作面機(jī)頭處支架防倒是關(guān)鍵。對(duì)此有3 點(diǎn)措施。

一是采用留底煤的方式（圖2），工作面逐步過渡，減緩機(jī)頭處工作面傾角，防止機(jī)頭處支架傾倒。此時(shí)需注意留底煤后機(jī)頭采高降低，采煤機(jī)在此處過機(jī)空間的檢查。

圖2 大傾角工作面機(jī)頭布置方式

二是機(jī)頭處頂梁和頂梁之間設(shè)置防倒裝置，如圖3所示。防倒裝置將相鄰支架頂梁錨固在一起，一般是位于機(jī)頭處的3～5 臺(tái)支架，保證機(jī)頭處支架組的整體穩(wěn)定。

圖3 頂梁設(shè)置防倒油缸

三是支架頂梁和掩護(hù)梁側(cè)護(hù)板采用雙側(cè)可同時(shí)活動(dòng)的型式，并且頂梁和掩護(hù)梁側(cè)護(hù)板分開動(dòng)作，增加側(cè)推油缸缸徑，提高側(cè)推裝置調(diào)整支架姿態(tài)的能力。此時(shí)，需在側(cè)護(hù)板內(nèi)側(cè)增加筋板，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，避免側(cè)護(hù)板結(jié)構(gòu)受力變形損壞。

2.4 液壓支架防滑

為防止液壓支架底座沿工作面下滑，主要有2 點(diǎn)措施。一是在采煤工藝上，由機(jī)頭向機(jī)尾順序移架或交錯(cuò)移架，保證機(jī)頭處支架穩(wěn)定后再逐步推進(jìn)向機(jī)尾移架；二是在支架底座上設(shè)置底調(diào)橫梁，在支架底座下滑后便于調(diào)整支架底座位置。此時(shí)，需注意底調(diào)橫梁位置盡量靠后，高度盡量高，在液壓控制系統(tǒng)中需拉支架和收底調(diào)聯(lián)動(dòng)，避免底調(diào)梁在移架過程中損壞。

另外，液壓支架還擔(dān)負(fù)有工作面運(yùn)輸機(jī)防滑的任務(wù)，運(yùn)輸機(jī)靠推移桿和支架相連防滑。對(duì)此，要求液壓支架推移桿的強(qiáng)度高，推移桿和底座大腳之間的單側(cè)間隙要小。

2.5 安全防護(hù)

在大傾角工作面上部頂板的飛矸或漏煤，容易造成工作面下方人員傷亡和設(shè)備損壞，因此，需在支架上設(shè)置特殊機(jī)構(gòu)，加強(qiáng)工作面的安全防護(hù)。對(duì)此，主要有3 點(diǎn)措施。一是手動(dòng)支架采用鄰架操作方式，人員站在高處操作，避免被頂梁上部矸石砸傷；二是工作面運(yùn)輸機(jī)電纜槽和支架頂梁間設(shè)置柔性鋼絲護(hù)網(wǎng)，避免機(jī)道內(nèi)的矸石飛竄到人行通道傷人；三是在支架頂梁前部設(shè)置機(jī)道擋矸板，避免機(jī)道高處的大塊矸石或煤塊滾落到機(jī)道低處損傷人員或設(shè)備。

2.6 人性化措施

大傾角工作面人員行走多有不便，對(duì)此，主要有2點(diǎn)措施。一是在立柱前、后的底座行人踏板處采用臺(tái)階型踏板，便于人員行走，臺(tái)階角度需適應(yīng)工作面傾角；二是在立柱前、后的行人手臂高度處，設(shè)置固定扶手，便于人員穩(wěn)定行走。

3 大傾角采煤機(jī)選型

大傾角工作面采煤機(jī)選型，主要有3 個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

一是大傾角工作面采煤機(jī)爬坡時(shí)，刮板運(yùn)輸機(jī)和采煤機(jī)嚙合的銷排受力大，需采用鍛造工藝，增加銷排強(qiáng)度。

二是在傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)上增加機(jī)械制動(dòng)裝置，提高采煤機(jī)下滑時(shí)制動(dòng)的可靠性。

三是選用四象限采煤機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)在四象限范圍運(yùn)行，有效緩解采煤機(jī)下滑和速度失控。并且，四象限采煤機(jī)的變頻調(diào)速器帶有能量回收單元，當(dāng)采煤機(jī)下滑時(shí)，能夠?qū)⑾禄闹亓?shì)能回收到電網(wǎng)中，既控制了速度，又節(jié)省了能源。

4 大傾角刮板運(yùn)輸機(jī)選型

大傾角刮板運(yùn)輸機(jī)選型，主要有3 個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

一是將工作面采用偽斜方式布置。此時(shí)，需注意偽斜角度調(diào)整，角度過大，容易導(dǎo)致刮板運(yùn)輸機(jī)上竄，角度過小，不能有效阻止運(yùn)輸機(jī)下滑。因此，在工作面開采過程中，根據(jù)工作面角度需調(diào)整合適的偽斜角度。

二是可在工作面布置時(shí)將工作面刮板運(yùn)輸機(jī)頭、尾設(shè)計(jì)成微彎，既刮板機(jī)頭超上彎曲，刮板機(jī)尾朝下彎曲，增加運(yùn)輸機(jī)和底板的摩擦力，阻止運(yùn)輸機(jī)下滑。

三是在刮板機(jī)下部焊接防滑條，增加摩擦力，阻止刮板運(yùn)輸機(jī)下滑。

5 結(jié)論

中煤北京煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司，自20 世紀(jì)70年代開始生產(chǎn)液壓支架，在大采高、大傾角開采領(lǐng)域積累了豐富的解決方案，在工作面防倒防滑、安全防護(hù)等方面都有相關(guān)專利支撐。其中，北煤機(jī)公司研發(fā)生產(chǎn)的部分大傾角液壓支架產(chǎn)品應(yīng)用情況見表1。

表1 大傾角支架產(chǎn)品應(yīng)用案例

其中，寧煤棗泉煤礦的ZF8600/18/35 型放頂煤液壓支架項(xiàng)目曾獲得煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)和煤炭工業(yè)專利獎(jiǎng)；為寶豐馬蓮臺(tái)煤礦研發(fā)的大傾角綜采工作面導(dǎo)向桿式端頭和超前支架，能在40°以上大傾角巷道較好地使用，已申報(bào)相關(guān)專利。

大傾角工作面開采，與普通工作面開采區(qū)別較大。但是，針對(duì)大傾角工作面的特點(diǎn)，采取一些專門措施，也可以達(dá)到高產(chǎn)高效開采的目的。推廣應(yīng)用大傾角開采的成熟技術(shù)，對(duì)于提高資源回收率，提高經(jīng)濟(jì)效益，具有十分重要的意義。