大傾角綜放面支架穩定性及其控制技術研究

何富連，楊伯達，田春陽，張德全，張 鈺

(1.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京 100083；2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室(中國礦業大學)，北京 100083)

液壓支架的穩定性是影響大傾角綜放面安全高效生產的重點和難點[1-3]。隨著工作面傾角的增大，支架重力和頂板壓力沿切向分力增加，沿法向分力減小，即引起支護系統失穩的外載荷變大，而利于其保持穩定性的工作載荷變小，導致工作面支架傾倒、下滑、擠架等事故頻發[4]。因此，通過研究大傾角綜放支架穩定性力學特性(主要包括防倒、防滑和抗歪扭)，分析得出影響其穩定性的關鍵因素，并研究相應的控制技術，對促進大傾角工作面的安全高效生產具有重要意義。

葛亭礦2313綜放面地質構造復雜，發育大小斷層共51條，其中落差大于100m的斷層有8條。煤層平均傾角36°，最大傾角達51°，平均厚度6.5m，采用偽傾斜長壁后退式綜合放頂煤采煤法，割煤高度2.3m，放煤高度4.2m。煤體強度低，節理裂隙發育，由于受頂煤沿工作面方向傾斜下滑分力的影響，以及移架、放煤過程的擾動，尤其在過斷層和周期來壓期間，工作面極易發生煤壁片幫、煤巖體冒漏、支架傾倒下滑等事故，嚴重影響作業人員的安全和正常生產。

1 力學模型分析及其分析

1.1 支架防倒防滑力學模型

如圖1所示，支架在頂板的壓力p(合力為P)、支架自重G，上下鄰架擠靠力P上、P下，底板對支架支持力r(合力為W1)，支架初撐力反力q(合力為W2)，頂、底板對支架的摩擦力f1、f2作用下處于平衡狀態。傾斜煤層的頂板是沿一條接近重力方向上的曲線移動，所以頂板對支架的壓力也不完全是沿重力方向[5]，為便于研究討論，近似看作沿重力方向。

根據葛亭礦2313綜放面現場生產情況，支架頂梁間排列較密，相互間存在頂梁側護板的約束作用，而支架底座間間隙較大，并且容易受輸送機下滑的影響，所以，支架的下滑主要是底座的下滑，從而引發支架向上傾倒的趨勢，底板反力作用點在O點處，以O點為坐標原點建立直角坐標系，沿傾向為x軸，垂直煤層方向為y軸，支架受力模型可以簡化為如圖2所示。

圖1 現場支架受力情況

圖2 支架受力模型

1.2 支架防倒穩定性分析

假設支架不發生下滑，只考慮其傾倒失穩。以支架為研究對象，由平衡條件得：

∑Fxi=P下+W1μ1+W2μ2-

(P+G)sinα-P上=0

(1)

∑Fyi=W1-W2-(P+G)cosα=0

(2)

式中，μ1、μ2分別為底板、頂板與支架間的摩擦系數。

令Mkn為防止支架傾倒的扭轉力矩，則：

Mkn=Gb-W2μ2H+P上H+PsinαH-

(3)

(4)

式中，b為支架重力方向與支架底座上邊緣之間的水平距離;H為支架高度;B為支架底座寬度;c為支架重心高度。

將式(1)、(2)、(3)、(4)聯立得：

Mkn=Gcsinα-W2μ2H+PsinαH+

(5)

由式(5)可以得出，支架傾倒與支架自重、重心高度、初撐力、底座寬度、相互作用力，工作面傾角、采高，頂板壓力等因素密切相關。

當支架處于正常工作狀態時，選擇自重較輕、重心高度較低、底座寬度較大的低位放頂煤支架，提高支架初撐力，增大支架與煤巖體摩擦系數等措施有利于防止支架傾倒。

在支架上方頂板冒空或移架過程中，支架初撐力和支架間相互作用力為零，如圖3所示，如果支架不發生傾倒，需滿足條件：

(6)

式中α1為支架傾倒臨界傾角。

圖3 支架臨界傾倒模型

葛亭礦2313綜放面采用ZF4200/16/26放頂煤液壓支架，B=1.5m，c=1.35m，代入式(6)，可以計算出支架傾倒臨界傾角為29°。

1.3 支架防滑穩定性分析

如圖2所示，支架由于受到自重G，頂板壓力P以及初撐力反力W2沿底板傾向分力的作用，產生沿工作面斜坡下滑的趨勢，則其y軸方向平衡方程為：

∑Fyi=W1-W2-(P+G)cosα=0

(7)

若保證支架不下滑，需要對支架施加一個防止其下滑的額外抗滑力Fkn，則：

Fkn=W1μ1+W2μ2+P下-P上-(P+G)sinα

(8)

整理式(7)，得：

W1=W2+(P+G)cosα

(9)

將(9)式代入(8)式，令μ1=μ2=μ，得：

Fkn=2W2+(P下-P上)+(P+G)(μcosα-sinα)

(10)

由式(10)可知，支架下滑與支架自重、初撐力，支架間相互作用力，頂板壓力，工作面傾角，支架與煤巖體摩擦因數等因素密切相關。

當支架處于正常工作狀態時，Fkn越小越有利于防止支架下滑，所以防止支架下滑可以提高初撐力、支架與煤巖體摩擦系數，減小支架間隙，提高架間相互約束能力。

在支架上方頂板冒空或移架過程中，支架初撐力和支架間相互作用力為零，則此時支架處于臨界下滑狀態時的平衡方程為：

G(μcosα-sinα)=0

(11)

解之得：

α2=arctanμ

(12)

由式(12)可知，支架的下滑取決于底座與底板間的摩擦因數。在實際綜采工作面中，f的變化范圍很大，其值的大小受多因素影響，如浮煤、淋水等。μ取值在0.2～0.3時，支架臨界下滑角為11°～16°，則該支架處于下滑狀態的臨界傾角為16°。

1.4 歪扭穩定性分析

歪扭也是大傾角綜采面液壓支架不穩定的形式之一。它是指支架頂梁與地板發生相對角位移，頂梁軸線與底座軸線不在垂直煤層的同一法線平面內，它們在底板的投影呈有夾角的扭轉狀態[6]。

支架歪扭主要受輸送機上下竄動的影響，同時也與支架本身下滑與否有關。輸送機在使用過程中由于本身自重、采煤機上行時的反作用和下坡運輸等原因，產生下滑現象，而支架頂梁由于相互間排列較密，不能隨支架底座歪斜而移動，所以造成支架頂梁與底座間發生了相對角位移，即造成支架的歪扭。

2 大傾角支架穩定性的影響因素分析

2.1 地質生產條件

煤層傾角。由式(6)、式(12)，得出葛亭礦2313綜放面液壓支架的臨界傾角αm=min(α1，α2)=16°，而該工作面平均傾角為36°，則支架必須采取防倒防滑措施。

采高。隨采高的增加，支架支撐高度增大，且支架重心升高，由式(5)可知，這些皆使支架傾倒力矩增大，使其自穩性變差。實際生產表明，支架隨著采高增加，其傾倒的可能性成倍增加，穩定性明顯下降。

頂底板。當工作面頂板不穩定時，極易發生冒漏，頂板一旦冒漏，支架上方就會形成空頂，支架就失去了頂板提供的反傾倒力矩，如式(6)、式(12)所示，處于自由滑移狀態。同時，由式(5)、式(10)可知，支架的傾倒下滑與支架和頂底板的摩擦因數密切相關，摩擦因數越大，對支架防倒防滑越有利當頂、底板光滑或頂、底板有淋水時，都會大大降低摩擦因數，對支架防倒防滑不利。

2.2 支架結構特性

支架自重、重心位置、底座寬度。由式(5)、式(10)可知，隨著支架自重G、重心位置c、底座寬度B的增大，Mkn、Fkn增大，不利于支架的防倒防滑，所以，盡量選擇自重較輕、重心高度較低、底座寬度較大的低位放頂煤輕型支架。

初撐力。在液壓支架正常工作狀態下，由于初撐力的存在使支架頂梁和底座均勻的與頂煤和底板接觸，由此產生的摩擦力對于控制支架穩定起著重要的作用。如果支架的初撐力過低，必然會影響穩定支架作用的摩擦力的大小，因而也會影響頂板的穩定性，嚴重時可能會導致頂板出現破碎冒漏等現象，從而影響支架的穩定性。

支架側護裝置。支架的側護板不僅保證支架良好的防矸、密封性能，而且增加了支架之間的橫向約束，即P上、P下，尤其是在支架上方頂板冒空時，相鄰支架的側護能力對防止支架傾倒具有重要作用。

支架結構件強度。支架發生一定程度傾倒下滑時，受偏心載荷作用，立柱、四連桿、掩護梁結構件往往發生歪扭變形，如果支架結構件強度不足，就可能引起結構件的歪扭破壞，加劇支架傾倒下滑。

3 支架防倒防滑技術措施

根據上述分析結果，結合葛亭礦2313大傾角綜放面生產地質條件，對液壓支架采取的防倒防滑及抗歪扭措施如下。

3.1 支架防倒防滑裝置

在支架底座后部的方板平臺內部安裝套筒，在套筒內安裝能左右旋轉的耳軸。每兩架支架用一個φ100mm的千斤頂兩端固定在支架增加的耳軸上，實現支架角度的調整；工作面中部支架在底座安設耳軸，每隔3～5架加設一組拉運輸機的防滑油缸(直徑140mm，行程700mm)，利用防滑油缸及時調整運輸機，防止運輸機下滑帶動支架下滑；每5～10架設一壓桿油缸，油缸上端安裝在支架頂梁上，下端伸長可壓在推移連桿上，使其緊貼底板不上翹，防止與推桿相連的運輸機側翻。

3.2 支架選型及幾何位態控制

基于支架穩定性關鍵影響因素，通過對比選型，選用自重較輕、重心高度較低、底座寬度較大的ZF4200/16/26型低位放頂煤液壓支架。在支架正常工作狀態下，合理增加支架初撐力和工作阻力，提高支架工作狀態的穩定性。在推溜移架過程中，采用自下而上方式，及時逐次移架，推移桿全程導向，減小推移桿和底座間隙，并盡量帶壓擦頂移架，防止支架處于自由狀態。移架后，及時操控側護板千斤頂，減小支架頂梁間隙，保證相鄰支架相互約束，提高工作面支架系統的穩定性。

3.3 采煤工藝

將大傾角綜放面調偽斜，減小工作面真傾角。嚴格規范采煤機操作，防止采高超高現象發生，加快推進速度，充分利用工藝特點，實施端面煤巖體片幫冒漏控制措施，保證工作面支架—圍巖系統的整體性和穩定性。

4 現場實踐效果

對大傾角綜放面支架穩定性影響因素進行了分析，結合2313綜放面地質生產條件，選用了ZF4200/16/26型低位放頂煤液壓支架，制定并實施了防倒防滑抗歪扭技術措施，現場實踐效果如下：

液壓支架穩定性良好，沒有出現影響生產的支架傾倒下滑事故，支架立柱傾向偏倒角向上最大為8°，向下最大為2°。頂板控制良好，冒漏現象明顯減少，端面頂煤冒漏最高0.5m，實現了煤層平均傾角36°，最大傾角為51°的大傾角綜放面的安全高效開采。

5 結論

1)通過對比選型，選用自重較輕、重心高度較低、底座寬度較大的ZF4200/16/26型低位放頂煤液壓支架，是保證2313大傾角綜放面支架穩定性和安全高效生產的重要前提。

2)葛亭煤礦2313綜放面液壓支架的臨界傾角αm為16°，而該工作面平均傾角為36°，所以支架必須采取防倒防滑措施。

3)防止運輸機下滑，可以減小支架歪扭變形；增加支架結構件強度，可以提高支架抗歪扭破壞能力。

4)大傾角綜采面支架穩定性控制，不僅要提高支架初撐力和有效工作阻力，而且要提高支架—圍巖系統的整體性和穩定性。

[1] 楊偉,楊宇,王曉,等.大傾角煤層偽斜工作面支架穩定性分析[J].煤炭工程,2011(6):88-90.

[2] 徐濤.大傾角綜放工作面液壓支架穩定性技術探討[J].煤炭科學技術,2007,35(9):58-62.

[3] 林忠明,陳忠輝,謝俊文，等.大傾角綜放開采液壓支架穩定性分析與控制措施[J].煤炭學報,2004,29(3):264-268.

[4] 伍永平,東風.大傾角綜采支架穩定性控制[J].礦山壓力與頂板管理,1999(Z1):82-85.

[5] 陳炎光,錢鳴高.中國煤礦采場圍巖控制[M]. 徐州:中國礦業大學出版社,1994.

[6] 何富連,錢鳴高,劉長友.高產高效工作面支架—圍巖保障系統[M]. 徐州:中國礦業大學出版社,1997.