孙运江，侯铁军，赵云峰，谢生荣，李世俊，王金光

(1. 中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083；2. 新疆百花村股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830002；3. 新疆大黄山豫新煤业有限责任公司，新疆 阜康831509)

我国西部倾斜厚煤层储量约占煤炭总储量的30%左右[1]。为合理有序开发和保护煤炭资源、提高煤炭采出率，一些煤矿不得不面对倾斜厚煤层的开采问题。由于倾斜厚煤层倾角和厚度均较大，如果选用大采高综采，大采高支架重心偏高，在回采过程中存在着支架倾倒、下滑等技术难题[2]，而综放采煤工艺既能实现倾斜厚煤层高产高效开采，又能降低支架重心高度，提高支架稳定性。国内诸多学者对此进行了深入研究，取得了一定的科研成果。章之燕[3]基于倾斜工作面综放液压支架稳定性动态分析，提出了防倒、防滑控制措施；袁永等[4]对倾斜厚煤层综放面支架下滑、倾倒、扭转3种主要失稳方式的机理进行了研究，并认为支架失稳的根本原因是工作面煤层倾角大于支架失稳临界角；张东升等[5]分别从工作面倾向和走向方向对特殊开采时期支架防倒、防滑稳定性进行了力学分析，并提出了系统的防倒、防滑技术措施。

本文以新疆大黄山矿858工作面为工程背景，主要从支架防倒、防滑稳定性方面，分析了其选用综放开采相对于大采高综采的优越性，并对影响支架稳定性的关键综放工艺进行分析研究，确定了合理的机采高度、放煤方式以及放煤步距。通过现场实践，858工作面在保证支架稳定性的基础上，实现了倾斜厚煤层高产高效开采，为以后类似条件工作面的开采提供了与现实依据。

1 858工作面概况

新疆兵团农六师大黄山煤矿位于乌鲁木齐以东120km，可采煤层有5层，自上而下分别为：五尺槽、四尺槽、米尺槽、中大槽、八尺槽，现主采八尺槽煤层，其埋藏稳定，结构简单，硬度较软，f=1.35～1.4，节理发育，倾角为25°，平均厚度4.5m，且自西向东明显变厚。1103采区858工作面布置在八尺槽煤层内，其走向长度1425m，倾斜长度57m，储量4.75Mt，顶板多为细砂岩、中粗砂岩，中等坚硬偏上，底板为粉砂岩、细砂岩、粗砂岩，工作面标高为+858～+889m。由于858工作面上部为中大槽煤层的采空区，因此，在回采过程中主要预防中大槽采空区顶板裂隙水。此外，该煤层极易自燃，自燃发火期一般为3～6个月，煤尘具有爆炸危险性，矿井属高瓦斯矿井。

2 858倾斜厚煤层工作面开采技术难点

大黄山矿858工作面煤层倾角和厚度均较大，长度较短，其主要开采技术难点有以下几方面。

1)由于煤层倾角和厚度均较大，如果选用大采高综采工艺，支架重心偏高，其自身重量及顶板压力沿倾向分量较大，容易出现支架倾倒、下滑现象，“支架—围岩”系统稳定性差，严重制约着矿井安全高效生产。

2)由于八尺槽煤层顶板中等坚硬偏上，采空区顶板不易垮落，综放开采会因顶煤不能完全破碎而影响顶煤放出率，故需对关键放煤工艺参数进行深入分析研究，以提高顶煤放出率。

3)对于倾角较大煤层开采，由于移架方式、采煤机进刀方式、推移刮板输送机顺序等因素的影响，工作面刮板输送机可能会出现上下窜动的问题，故需采取有效方法控制其工作稳定。

3 858工作面采煤工艺选择与支架选型

3.1 858工作面采煤工艺选择

858工作面如果选用大采高综采，由于其采高较综放开采大，支架重心较高，再加之由于煤层倾角较大，支架自身重量及顶板压力沿倾向分量较大，支架易发生倾倒、下滑。考虑到支架抗倒、抗滑稳定性，故858工作面最终选择综放采煤工艺。

3.2 858工作面支架选型

1103采区858工作面长度为57m，平均采高4.5m，设计生产能力为0.36Mt/a，通过对国内综放支架以及高产高效开采方法进行深入研究[7-9]，并根据大黄山煤矿具体地质生产条件，确定液压支架额定工作阻力为5200kN，支撑高度为1.7～3.2m。858工作面最终选用ZFS5200/17/32型低位放顶煤液压支架，其主要技术参数如表1所示。

表1 ZFS5200/17/32型液压支架主要技术参数

4 858工作面支架防倒、防滑稳定性分析

针对大黄山矿858工作面存在的开采技术难点，为实现其安全高效开采，下面从防倒、防滑方面对858工作面最终选用的ZFS5200/17/32型低位放顶煤液压支架稳定性进行分析。

4.1 倾斜工作面支架防倒、防滑力学分析

由于倾斜厚煤层工作面煤层倾角α较大，支架所受顶板压力Q及自身重量G的切向分力较大，再加之相邻支架之间F1、F2的相互挤压作用，在回采过程中容易出现倾倒、下滑等现象，严重影响了工作面支架稳定性。受力分析如图1所示。

图1倾斜工作面支架受力分析

4.2 倾斜工作面支架防倒稳定性分析

倾斜工作面支架抗倒稳定性与支架重心在底座的投影位置直接相关，当其重心投影位于底座之外时，支架将会发生倾倒。根据图1(a)中的几何关系可求得支架重心投影与底座下边缘的水平距离。

(1)

式中，d为支架重心投影与底座下边缘的水平距离，b为支架宽度，c为重心高度，α为煤层倾角。

当d=0时，支架处于抗倒极限平衡状态，如图1(b)所示，由此可得支架倾倒临界角。

(2)

结合式(1)、式(2)可以明显看出，支架抗倒稳定性主要取决于支架底座宽度b、重心高度c以及煤层倾角α。支架底座宽度b越大，重心高度c越小，其倾倒临界角∂L就越大，说明支架的抗倒稳定性越好。因此，降低机采高度m和增加支架宽度b均有利于防止支架发生倾倒。当煤层倾角α大于倾倒临界角∂L时，支架需要采取防倒措施。858工作面所选用的ZFS5200/17/32型支架机采高度为3.2m时，其重心高度c=1.45m，支架宽度b=1.5m，将上述参数代入式(2)求得支架倾倒临界角∂L=27°，由于858工作面倾角平均25°，故支架正常情况下不会发生倾倒，但由于煤层倾角局部变化，故需要采取一定防倒、防滑措施。

4.3 工作面支架防滑稳定性分析

倾斜工作面支架抗滑稳定性与所受顶板压力Q及自身重量G的切向分力大小直接相关，当其与顶底板的滑动摩擦力f1、f2的合力相等时，达到临界下滑状态。根据图1(a)倾斜工作面支架受力分析可列以下平衡方程。

Qcosα+Gcosα+q-p=0

(3)

Qsinα+Gsinα+F2-F1-f1-f2=0

(4)

(5)

f1=μQcosα+q

(6)

f2=μp

(7)

联立式(1)、式(3)、式(4)、式(5)、式(6)、式(7)得式(8)。

(8)

式中，F为支架的抗滑力，F=f1+f2；G为支架自重；μ为支架与顶底板间动摩擦因数；α为煤层倾角；q为支架初撑力；λ为重心高度c与采高m的比值，即λ=c/m，随采高m的增大而增大。

通过式(8)中可以得知，支架的抗滑力F随支架自重G、顶底板动摩擦因数μ以及支架初撑力q的增大而增大，随煤层倾角α和采高m的增大而减小。因此，858工作面可以通过清理底板浮煤提高底板动摩擦因数μ，增加支架初撑力q以及降低机采高度m可提高支架抗滑力，防止其下滑。

5 858工作面关键综放工艺参数的确定

综放工艺对858工作面支架稳定性的影响主要体现在机采高度、放煤方式以及放煤步距上。如果机采高度太大，虽然提高了顶煤放出率，但降低了支架稳定性。由于858工作面采用超前预爆破技术使顶煤破碎，如果放煤步距太小，支架上部顶煤易被放空而造成工作面支架整体失稳。放煤方式如果采用多轮间隔放煤，由于倾斜工作面顶煤会因其重量的倾向分力较大而沿倾向下滑，上部相邻支架顶煤可能会被放空而造成局部支架失稳。因此，合理的机采高度、放煤方式以及放煤步距既能有效保障工作面支架的稳定性，又能显著提高顶煤放出率和煤质，从而实现矿井安全、高产、高效开采。

5.1 858综放工作面机采高度的确定

机采高度决定放煤口的高度，从而影响顶煤放出率，通过采用PFC2D3.10离散元程序对858工作面不同机采高度与顶煤放出率的关系进行模拟研究，发现当机采高度小于3m时，放煤口因高度较低而常出现堵塞拱，此时需摆动支架尾梁，破坏堵塞，但如果其拱角落在支架的掩护梁上，则其很难被破坏，从而导致顶煤放出率降低。当机采高度大于3m时，则放煤口很少出现堵塞，顶煤能够顺利放出，提高了顶煤放出率。此外，当机采高度为3.2m时，支架倾倒临界角∂L=27°，支架正常情况下不会出现倾倒和下滑。因此，最终确定858工作面机采高度为3.2m。

5.2 858综放工作面放煤方式的确定

放煤方式与顶煤的厚度、破碎度、松散度以及放顶煤设备性能等因素有关。根据椭球体放煤理论，当放煤间距等于椭球体短轴时，即L=2b1，能保证煤质且煤损小。放出椭球体长轴与短轴的关系式见式(9)。

L=2b1=(0.25～0.3)h

(9)

式中，L为放煤间距，2b1为放出椭球体短轴长度，h为煤层厚度，通过计算求得L=1.125～1.35m。由于ZFS5200/17/32型液压支架宽度为1.5m，此外，考虑到工作面支架稳定性，如果采用多轮间隔放煤，由于倾斜工作面顶煤重量倾向分力较大而易沿倾向下滑，再加之858工作面采用超前预爆破技术，顶煤破碎，上部相邻支架顶煤易被放空而造成局部支架失稳，故最终采用自上而下单架依次顺序放煤方式。

5.3 858综放工作面放煤步距的确定

放煤步距与顶煤厚度、硬度、破碎度及其运动状态等因素有关。根据椭球体放煤理论，当放出体与采空区侧及顶部煤岩分界面相切，如图2所示，即采空区侧与顶部垮落矸石同时到达放煤口时，顶煤放出率最高，此时的放煤步距为最佳放煤步距。

图2 顶煤垮落角α<90°时放煤步距分析

根据图2可得，当顶煤垮落角α<90°时，其最佳放煤步距由式(10)可得。

(10)

式中，α为顶煤垮落角，β为放出椭球体轴偏角，a为放出椭球体长半轴长度，b为放煤口与顶煤垮落面的距离。由大黄山矿资料得知858工作面顶煤垮落角α=70°，放出椭球体轴偏角β=0°，放出椭球体长半轴a=0.65m，放煤口与顶煤垮落面的距离b=0.8m，经计算得858工作面最佳放煤步距d=1.26m。由于大黄山矿858工作面最终选用MG200/500-QW型双滚筒采煤机，其截割深度为0.6m，故割两刀放顶煤一次，即放煤步距为1.2m。

6 858工作面液压支架防倒、防滑控制技术

1)858工作面液压支架要安装防倒、防滑千斤顶，采用上、下端头三架一组联锁，中间两架一组联锁的安设方式。在移架时，要始终保持整体自下而上带压擦顶移架，防止其呈无约束滑移状态。当支架出现失稳时，利用支架上装设的千斤顶，以有初撑力的支架为稳固点，对相邻的支架产生一定的作用力，以及时调整支架，防止出现挤、咬、悬、滑、倒架现象。

2)下端头前3架端头支架的稳定性对整个858工作面支架的稳定起到关键作用。因此移架时，要先移第2架，防倒防滑千斤顶以第1架为受力支撑点给第2架一个倾斜向上的作用力，使支架不出现倾倒、下滑；然后带压擦顶移第1架，并利用千斤顶以第2架为受力点，拉住第1架，并在该架下侧斜打单体支柱，以保证第1架的稳定；最后移第3架，其操作同第2架。

3)移架前要先调整支架，使其与溜子垂直。然后推移杆全程导向自下而上推溜移架，并且要尽量减小推移杆和底座的间隙，防止输送机下滑。

7 结论

1)通过对倾斜工作面支架防倒、防滑稳定性分析得知：支架底座宽度b越大，重心高度c越小，支架抗倒稳定性越好；支架自重G、顶底板动摩擦因数μ以及支架初撑力q越大，煤层倾角α和采高m越小，支架抗滑稳定性越好。通过式(2)得知大黄山矿858工作面所选用的ZFS5200/17/32型支架倾倒临界角αL=27°，其正常情况下不会发生倾倒、下滑，但由于煤层倾角局部变化，故需要采取一定防倒、防滑措施。

2)通过采用PFC2D3.10离散元程序对858工作面不同机采高度与顶煤放出率的关系进行模拟研究，从顶煤放出率和支架稳定性角度综合考虑，最终确定858工作面机采高度为3.2m。

3)根据椭球体放煤理论，考虑到顶煤放出率和工作面支架稳定性，858工作面最终采用自上而下单架依次顺序放煤方式，割两刀放顶煤一次，即放煤步距为1.2m。

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