张金磊

（山西焦煤西山煤电镇城底矿，山西 古交 030203）

我国西部地区存在大量厚度在15 m 以下大倾角煤层,厚煤层是我国高产高效开采的主要煤层。国内许多学者对大倾角厚煤层开采技术、液压支架失稳及顶煤移动规律进行了研究。建立了“顶-支撑-底板”动力方程。他们从动力学的角度分析了可能引发系统失稳的因素和主导参数，并设定了系统稳定的动态控制模式。有学者在静力学框架内研究了大倾角煤层支架的倾覆、滑移和扭转，分析了倾角、顶板压力、支架几何参数和工作状态对动力支架稳定性的影响。也有文章提出了通过倾斜工作面布置、单向截煤、支架成组布置、增加支架阻力、控制采高等方法来有效控制大倾角综采工作面支架系统的稳定性并优化输送机。部分作者提出了大倾角综采采面顶板冲击载荷的计算方法，给出了工作面设备稳定性的判据。建立了大倾角厚煤层放顶煤形态的理论方程，揭示了放顶煤的内在规律。

综采工作面支护稳定性是成功实现大倾角厚煤层开采的根本保证。崩落规律是综采开采的关键，但目前对大倾角厚煤层支护稳定性和崩落理论的研究尚不成熟。本文通过建立大倾角厚煤层的“支护” 力学模型，并对其失稳机理进行了分析探讨，也分析探讨了顶煤的移动规律，成果成功应用于镇城底矿煤层倾角最大达42°的综放工作面，基本解决设备(支架)不稳定等问题，大大降低顶板沉降率，实现工作面安全高效生产。

1 工作面概况

镇城底矿某综采工作面面长为185 m，煤层平均倾角为26°，最大倾角为42°，最大的上(下)角是16°，煤层平均厚度11.8 m。采用长壁综采放顶煤开采工艺，采高3.2 m，工作面周期来压步距平均为15 m。表1为煤层顶板特征。

表1 煤层顶板特征

2 建立模型

建立大倾角综采工作面倾向支护矿压模型，见图1。工作面沿走向有角度，因此液压支架自重可分解为G1平行于倾角，G2垂直于地板和G3与strike平行，见图2。

图1 倾向支护矿压模型

图2 支撑力

式中：G 为支座重力单位kN；G1G 沿倾角的分力，kN；G2垂直于地板上，kN；G3G 沿冲击方向的分力，kN；α 为工作面倾角；β 为走向角。

考虑走向角对倾斜方向支架稳定性的影响，建立

大倾角综采工作面支架倾覆滑移模型，见图3、图4。

支架倾覆模型（见图3）的临界条件为:

图3 支架倾覆模型

支护滑移模型（见图4）的临界条件为：

图4 支架滑移模型

临界倾覆角α 为:

式中：h为支撑高度单位m；b 为支架宽度（中心距），m；l 为支架与顶板、支架与底板之间的摩擦系数；k 为支撑重心高度系数，即重心高度与支座高度之比；f11底板对支架提供的摩擦力，f12顶板对支座提供的摩擦力，kN；R11支座与底板之间的反作用力，kN；R1支座与顶板之间的反作用力，kN；F 为顶板-支座力，kN；F1顶板对支架的侧向推力，kN；T 相邻支座间的侧向推力，kN；R21支座-底板反作用力，kN；R22支架与顶板反力，kN。

3 支护措施

3.1 支架工作阻力

工作面支架选型为ZF12000/22/35。当采高为3.2 m 时，支架的重心高度系数为0.5。表2为该支架的主要技术参数。

表2 支架主要技术参数

单支架顶板压力为：

综采工作面单支架顶板压力F包括顶煤自重和垮落带内地层自重。

经计算，F=9 577.3 kN。同样，顶板压力F 可以分解为顶板F1，计算得支架的侧向应力为8 208 kN。镇城底矿综采工作面最大倾角为42°时，避免倾倒的临界支护阻力为6 300 kN，避免滑移的临界支护阻力为9 000 kN，均小于支架ZF12000/22/35 的额定工作阻力（见表3）。

表3 临界支架阻力

3.2 技术措施

（1）通过降低支架重量、降低重心高度、增加支架底座长度和支撑阻力，可大大提高液压支架的抗滑、抗倾覆能力。

（2）支架顶梁和垮落梁上的活动侧护板具有导向、调节和抗倾倒、防滑的作用。在推进支撑时，可通过移动侧护板来调整支撑。当支架倾倒时，还可以调整侧护板来固定支架。

（3）支座自由时，容易发生支座滑移。因此，支架应保持工作状态（应力状态）。

综采工作面在作业过程中，液压支架可以超前支护，起到了支护作用，可以有效的降低综采工作面的沉降率，见图5。前期未采用计算后选型的液压支架支护工作面的沉降率，图5（a）中值为38 mm/d；而使用计算后选型的液压支架支护的工作面沉降率图5（b）中值小于10 mm/d，且沉降区更早趋于稳定。

图5 顶板、侧壁和底部的沉降率

采取上述技术措施后，能保证单支架和整体支架的稳定性，确保了大倾角综采工作面的正常推进。当面对顶板压力、放顶煤、采煤工作面过断层等特殊条件时，支架运行良好，可实现安全生产，不会出现大规模的滑移、倾覆和支架挤断。

5 结论

1）针对煤层走向角对支架稳定性的影响，建立支架倾覆和支架滑移的支架力学模型进行分析探讨。

2）通过计算，得出大倾角综采工作面避免倾倒滑移的临界支护阻力。

3）分析影响支架稳定性的因素，提出支架滑动推进、侧护板调整等技术措施。