摘要：针对大倾角工作面支架稳定性差，易发生支架下滑、倾倒和咬架现象，通过对单支架和多支架的稳定性在不同工作状态下的力学分析，得出了支架失稳的力学机理，指出支架的失稳主要发生在降架、移架过程中，只要采取合理的支架管理措施即可保证支架的稳定性。通过采用合理的移架顺序、移架前确保相邻支架稳定、利用支架支柱打设调整支架等综合性技术措施保证了大倾角工作面支架的稳定。
关键词：大倾角工作面；支架；稳定性；控制技术
1 引言
我国大倾角煤层储量约占总储量的14%，且主要分布在四川、甘肃、新疆、内蒙古以及广东福建和东北等一些省（区），年产量约占煤炭总产量的9%左右。因此，开展对大倾角煤层的开采技术研究是保持这些矿区安全高效生产的迫切需要。在大倾角煤层的开采中，工作面的设备稳定性是一个基本的问题，其中支架稳定性的控制技术更是工作面设备控制中的难点。由于受到垂直于顶板方向作用力和垂直于煤壁方向的水平作用力影响，会产生支架失稳的现象，即支架沿着工作面发生下滑或者向煤壁方向倾倒等现象。
2 大倾角工作面开采环境特点
2.1 支架工作环境特点
工作面产生压力时，由于顶底板的运动，易出现失稳、倒架等非正常工作状态；仅靠人为调整和防护工作面下排头支架，管理难度较大；顶梁受到邻架约束时，调架较为困难；工作面输送机会发生下滑严重现象。
2.2 人员工作环境特点
人员的站立行走条件差，操作设备的动作相对困难；上部煤壁片帮、漏顶，采煤机落煤产生滚动冲击等因素使支架、作业空间受到威胁；放顶煤工作面支架滚块煤现象严重，人员易受到散块袭击。
2.3 工作面工作特点
工作面底板也会出现滑移破坏，特别在顶板移动速率和趋向与底板滑移不同步时，平衡系统会发生失稳；当大倾角工作面的顶板压力随倾角增加，法向分力减小而切向分力增大，就会使支护系统失稳的趋向加剧；当工作面上部煤壁受到较大的向下倾斜力时，易发生漏顶和煤壁片帮。
3 多支架稳定性分析
3.1 防滑稳定性分析
大倾角煤层开采时，上端头的顶板岩层垮落破断后向下滑移，造成上端头部分支架上方空顶，此时，这部分空顶支架上方不承受顶板压力，增加了其对下方支架的向下的推力，设同时空顶支架个数为k个，则其对第k+1个支架的推力为：
Ts（k+1）=Tx（k）=k（Wsinα+fWcosα） （7）
此时，第k+1个支架若完全靠自身所受顶板压力及顶梁和底座处摩擦力而不靠其下侧支架的推力保持自身不产生下滑，则合理的顶板压力qh为：
qh=（k－1）Wsinα/2f+（k+1）Wcosα/2 （8）
按式（8）计算，支架空顶个数5个、顶梁宽1．5m、顶梁长3．85m情况下，只要支架上方有1201kN即相当于8．3m厚的垮落顶板时，即可保证支架不会发生下滑；当空顶支架个数为8个时，要保证支架不会产生下滑的支架上方载荷为1998kN，即相当于13．8m厚的顶板岩层。而实际生产过程中，虽然大倾角采场顶板垮落高度较水平煤层开采偏小，但其垮落高度仍然完全可以保证中下部支架不发生下滑，因此，造成支架下滑的原因主要是生产管理和配套工艺不成熟。当上端头空顶支架数量不同时，保持支架不下滑的合理顶板压力也呈现不同规律的变化，煤层倾角对qh的影响如图3。空顶支架数量为1架时，合理顶板压力qh随煤层倾角的增加呈现逐渐减小的趋势；空顶支架数量为2架时，煤层倾角45°时所需的顶板压力最大；而当空顶支架数量为3架及以上时，qh与煤层倾角大小呈正比关系，但增加速率逐渐减小。当上端头空顶支架为4架、煤层倾角60°时，保证支架不出现下滑的顶板压力需要967kN，可见维持支架不产生下滑所需的顶板压力很小。
3.2 支架倾倒稳定性分析
当上端k个支架空顶时，对第k+1个支架的倾倒稳定性问题。当第k+1个支架仅靠顶板压力保持倾倒稳定性的临界状态时（其下部支架对其无推力，底板支撑力作用在O点），合力矩方程为：
qBfh+qB2/2+WBcosα/2=Ts（k+1）h+Wcsinα （9）
结合式（7），可得不倾倒合理顶板压力qd为：
qd=W（（kh+c）sinα+（kfh－B/2）cosα）/（fh+B/2）B （10）
不同煤层倾角和空顶支架数量下保证支架不发生倾倒的合理顶板压力大小曲线如图4。从图4明显可以看出，工作面上部空顶支架数量越多，保持支架倾倒稳定性所需顶板压力越大，支架越不易保持稳定；随煤层倾角的增大，保持支架倾倒稳定性所需的顶板压力呈非线性增加的趋势，支架越不易保持稳定。
4 支架稳定性控制措施
4.1 支架设计方面的措施
支架安装要按照自下而上的顺序进行。支架稳定性的控制重点是工作面倾向中上部区域，因此除了安装防倒防滑措施外外，在支架支柱打设时还需调整应山角度，底座还要安装水平调底防滑装置，合理的提高支架的设计工作阻力和初撑力，因此要选用较大的缸径立柱；同时要加强大倾角工作面支架的维护，提高稳定性。
4.2 采煤工艺方面的措施
采用伪斜工作面的布置。采取这种措施不仅可以提高支架和其他设备的稳定性，使工作面的实际倾角变小，而且便于操作调整支架防止下滑。在工作面的移架过程中，要不断的调整位置，保证支架的顶梁和顶板的平面良好接触，增强支架稳定性。当支架有倾倒的趋势时，通过对立柱和千斤顶的调整实现支架方向的调整。
4.3 增大支架的失稳临界角
严格控制采煤高度，可以有效地保证支架的稳定性。同时也要提高推进的速度，这样可以有效地控制空顶距的增加，又可以减轻工作面支架的压力。保证泵站有足够的压力，这样可以为提高支架的工作阻力和初撑力打下良好的基础，对于提高支架的稳定性是有益处的。在移架的时候，应采用“带压移架”，做到“少降快拉”。保证支架和顶底板间的摩擦系数。因此应该确保顶底板的平整，这样可以提高摩擦系数。移架前要清理干净，保证支架与底板的接触严密。在顶板破碎时，要做好支护，注意排水。控制好工作面的浮煤量与水及其它液体的泄露，这样做的目的是使支架和底板之间的接触介质为相对的固定，防止液体的泄露对系统稳定性的影响。
5 结束语
大倾角煤层工作面综合情形较为复杂，导致工作面支架因载荷多变容易发生失稳，因此大倾角工作面支架的稳定性是大倾角煤层安全高效开采的重要问题。综合来说，支架稳定性失稳主要有下滑和倾倒等形式，本文结合相关力学模型，分析了支架的稳定性，探讨了大倾角工作面支架稳定性的影响因素，并结合实际提出了大倾角工作面支架稳定性控制的相关原则和措施。在煤炭开采过程中，要全面的考虑分析各因素对支架稳定性的影响，因地制宜，确保生产的安全高效，切不可盲目的进行生产，引起不必要的安全事故。
参考文献
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论文作者:白少锋
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第23期
论文发表时间:2018/1/10
标签：支架论文; 工作面论文; 倾角论文; 顶板论文; 稳定性论文; 煤层论文; 压力论文; 《建筑学研究前沿》2017年第23期论文;