支撐掩護式液壓支架與覆巖作用力分析

馬平輝

（中國煤炭科工集團太原研究院，山西 太原 030006）

·試驗研究·

支撐掩護式液壓支架與覆巖作用力分析

馬平輝

（中國煤炭科工集團太原研究院，山西 太原 030006）

根據砌體梁學說，確定了綜采工作面液壓支架工作阻力，論述了支撐掩護式液壓支架與覆巖作用關系，并對支架在覆巖作用下立柱受力情況進行力學分析。結合實際使用情況，提出了提高支撐掩護式液壓支架對頂板適應性的措施。

支撐掩護式液壓支架；工作阻力；受力分析

綜采支架選型設計中，在老頂來壓強烈，直接頂較穩定的條件下，主要采用支撐掩護式液壓支架，其具有支撐效率高，切頂力大等特點，在我國煤炭生產中得到了廣泛的應用。本文將就支撐掩護式液壓支架與頂板覆巖作用關系展開論述。

1 綜采工作面工作阻力的確定

砌體梁學說所述，工作面支架的作用是支撐控頂區直接頂巖層，避免直接頂和老頂離層而破碎，同時要對上覆可能形成結構的老頂巖層形成支撐，用以平衡其部分載荷，不讓其沿工作面形成切頂及大量的臺階下沉。由于支架的工作阻力不可能改變老頂以上巖層的主要位移狀態，因此，這時支架的受力條件應考慮到滿足支架的可縮量。

上覆巖層斷裂時受力情況見圖1。

圖1 上覆巖層斷裂時受力情況

當A巖塊前端斷裂瞬間，為協助B塊實現平衡，其關系式［1］為：

式中：

PH——合理支護強度，kN／m2；

hi——第i層直接頂的厚度，m；

γi——第i層直接頂的容重，t／m3；

l2——老頂懸頂長距，m；

φ——巖塊間的摩擦角；

θ——巖塊破斷角；

H——老頂巖層厚度，m；

δ——B巖塊回轉下沉量，m；

Q——砌體梁下位巖層中懸露巖塊的全部重量。

式中：

P——綜采工作面液壓支架工作阻力，kN；

B——液壓支架頂梁寬度，m；

L——控頂距，m。

2 支撐掩護式液壓支架與覆巖作用力分析

2．1 模型的簡化

液壓支架主要由頂梁、掩護梁、前后連桿、底座等結構件組成且形成四連桿結構，頂板壓力為P，合力作用點距頂梁鉸接點為x，由于支架狀態與支架結構件參數的不同造成前后立柱受力Q1、Q2的不同，支架受力簡化圖見圖2。

圖2 液壓支架受力簡圖

2．2 前后立柱受力分析

取頂梁和掩護梁為分隔體，對O1點取力矩平衡方程［2］：

水平和垂直軸方向的力平衡方程為：

取頂梁為分隔體，對O點取力矩平衡方程：

由式（3）～（6）解得：

當支架設計參數確定，綜采工作面采高一定，即除合力作用點x外其余參數都已經確定，分析式（7）可得出：Q1關于x單調減，Q2關于x單調增。x與支架接頂狀況有關。

當直接頂為沙質泥巖、沙巖、K2灰巖等較穩定頂板時，頂梁接頂好，比壓為梯形分布，x位于前后立柱之間，前后立柱受力較均勻。

當直接頂為泥巖、炭質泥巖等中等穩定或不穩定頂板時，直接頂板易冒落，由于支撐掩護式液壓支架頂梁較長，對頂板的反復支撐次數較兩柱式液壓支架增加且對頂板有切頂力，造成直接頂較早垮落。當前部頂板提前冒落時，主要為頂梁后部接頂，此時，若當x≤fH0時，Q2≤0，Q1＞0，即后立柱受壓，前立柱受拉。當x取極小值時，Q1取最大值，Q2取最小值。此時支架頂梁抬頭向上。

當后部頂板提前垮落時，主要為頂梁前部接頂，此時，若當0，即后立柱受拉，前立柱受壓。當x取極大值時，Q1取最小值，Q2取最大值，此時支架頂梁低頭向下。

2．3 井下實驗觀測數據

為了驗證理論計算，取山西臨汾地區某礦綜采工作面四柱支撐掩護式液壓支架為例，使用尤洛卡儀對前后立柱測量壓力，并進行統計處理，得出前后立柱某段時間內加權平均值，見圖3和圖4。

圖3 前立柱壓力值

圖4 后立柱壓力值

由圖3，圖4可以看出，前后立柱壓力并不相等且后立柱壓力大于前立柱，而該礦直接頂板為碳質泥巖，老頂為細粉砂巖，驗證了理論計算與實際情況相符。

當出現立柱受拉時容易導致立柱導向套密封的損壞，發生漏液，支架支撐效率降低，在以后的生產中出現立柱支撐力不足，動作緩慢等問題，存在較大的安全隱患，影響生產安全。

3 結 論

支撐掩護式液壓支架在直接頂穩定的條件下，前后立柱受力良好，同時切頂力大，可以很好地迫使直接頂隨采隨落，形成對老頂跨落時的支撐，但是在直接頂易冒落條件下，由于其對頂板的反復支撐使得直接頂提前垮落，使頂板合力作用點前移或后移，從而前后立柱受力不均勻，甚至出現一側受壓，一側受拉的情況。為了避免對頂板的反復支撐，建議在實際使用中支撐掩護式液壓支架采用帶壓移架的工藝方式；也可以使用伸縮梁結構，當采煤機上截割滾筒經過后，伸縮梁伸出，實現對頂板的及時支護，避免直接頂的冒落。

在出現頂板冒落的情況下，應該使用支木剁、架鋼梁等方式保證支架頂梁良好接頂，避免出現立柱受拉的情況。

［1］ 姜福興．礦山壓力與巖層控制［M］．北京：煤炭工業出版社，2004：100-103．

［2］ 王國法．液壓支架技術［M］．北京：煤炭工業出版社，1999：68-70．

Analysis on Acting Force between Chock-Shield and Overlying Strata

M a Ping-hui

According to the theory ofmasonry beam，ensured support resistance in fullymechanized coalmining face，discussed the relationship between chock-Shield and Overlying Strata，analyzed the prop force of the support under the overlying strata bymechanicsmethod．Based on the actual usage，put forward themeasures of improve the adaptability to roof rock of the chock-shield．

Chock-shield；Support resistance；Force analysis

TD355+．4

A

1672-0652（2013）12-0010-02

2013-10-09

馬平輝（1981—），男，陜西武功人，2004年畢業于遼寧工程技術大學，工程師，主要從事液壓支架設計及綜采工作面三機配套研究工作，（E-mail）mph1981＠126．com．