超靜定液壓支架的穩定性分析

袁雙喜

（山煤集團煤業管理有限公司，山西 太原 030006）

長壁法采煤過程中，當采空區推進距離逐漸變大時，懸露頂板面積加大，在自重狀態下，頂板會發生彎曲，巖層內部產生大范圍的裂縫，裂縫不斷擴展，關鍵層垮落。由于巖石的抗拉強度遠小于其抗壓強度，所以頂板很容易被拉斷，發生垮落，產生峰值載荷[1]。如果上覆巖層強度較低，液壓支架有較強的切頂能力，一旦頂板垮落，液壓支架初撐力不足，那么很有可能形成臺階下沉，發生壓架事故。同時采場采動引起的礦壓現象隨著煤層傾角的增大而加劇，當工作面傾角增大到一定程度，則支架發生傾倒的概率加大，進而引起支架多種部件的損害[2]。在工作面開采過程中，支架的工作穩定性尤為重要。提高支架穩定性可進一步提升煤炭采出水平，延長支架服務年限，利于礦井的可持續發展，故本文對超靜定液壓支架的穩定性進行系統研究。

1 支架簡化

一般情況下，液壓支架既可能發生沿工作面布置方向的失穩，也可能發生沿工作面開采方向的失穩，失穩形式均可表現為傾倒以及壓架等，本文重點對工作面開采方向上支架的穩定性進行研究。支架穩定性受到諸多因素的影響，比如礦壓顯現的劇烈程度、支架支撐特性以及煤層傾角等。在支架升高或者降低過程中，支架頂梁均未與覆巖發生接觸，處于自由工作狀態；當支架與覆巖接觸時，頂梁會承受覆巖的作用載荷，處于工作狀態[3]。在不同的狀態下支架的穩定性特征必然不同，在分析支架穩定性時需要對支架模型進行合理簡化。

在采場中，支架底座承載著支架及圍巖作用的一定載荷，而頂梁控制著覆巖的運移變形，故液壓支架的主要組成構件為底座和頂梁，而頂梁的面積與厚度均異于底座，故整個支架的中心位置并不是重心所在處，在構建支架的合理模型時，對非重點構件進行了一定程度的忽略，得到支架模型如圖1所示。

當支架支撐高度較大時，支架的重心位置也會提高，從而降低了支架工作的穩定性，為了充分研究支架穩定性，模型中支架高度取最大值。圖中，支架支撐高度H為6.8m，底座長度D為4.2m，底座和頂梁厚度B均為1.98m，頂深長度L為6.66m。通過proE模塊的分析可得到支架的重心高度為3.7m，為圖中H1的標注處，重心與支架底座末端在水平方向的距離L1為2.3m。

圖1 支架模型簡圖

2 沿工作面推進方向支架穩定性分析

2.1 自由工作狀態下支架穩定性

當煤層存在一定的傾角時，則仰采狀態下和俯采狀態下支架的穩定性特征不同，圖2為支架自由工作時的力學模型示意圖。

圖2 支架自由工作時的力學模型示意圖

對圖2（a）中的模型進行分析，則當支架受力達到平衡時，滿足公式（1）的要求：

由此可得支架傾倒的臨界條件：

由公式（2）解得：

式中：

G-支架的自重應力，kN；

β-支架發生傾倒的臨界角度，°；

f-支架所受的摩擦力，kN；

N-液壓支架繞力，kN；

H1-支架重心高度，m；

D-支架底座長度，m；

L1-支架重心距底板的水平方向長度，m；

μ-摩擦系數。

則可計算得到俯斜開采時支架傾倒的臨界角度為26.89°。同理可得到仰斜開采時支架傾倒的臨界角度為28.75°。

2.2 工作狀態下支架穩定性

圖3為支架工作狀態下的力學模型示意圖。

圖3 支架工作狀態下的力學模型示意圖

對圖3（a）中的模型進行分析，則當支架受力達到平衡時，滿足公式（4）的要求：

由此可得支架傾倒的臨界條件：

式中：

f1-支架頂梁與頂板的摩擦力，kN；

Q-支架頂梁所受的力，kN；

其他符號同前。

對比公式（2）和公式（5）可以發現，當支架處于工作狀態下，頂梁受到覆巖載荷的作用，則工作狀態下支架傾倒的臨界角要大于自由工作狀態下支架傾倒的臨界角，故處于工作狀態下支架不容易發生傾倒。

3 支架穩定工作的影響因素分析

通過上述的分析可知，支架工作穩定性的影響因素主要表現為以下幾個方面：

（1）采場圍巖的地質環境

這里的地質環境指煤層傾角、支架底座與底板巖層間的摩擦性以及頂梁與覆巖的摩擦性。支架傾倒的臨界角隨著煤層傾角的增大而減小，說明支架工作的穩定性在降低。當采場頂底板與支架間的摩擦性增強時，臨界角增大，支架工作的穩定性提高。

（2）設計支架尺寸

支架尺寸主要包括支架寬度、重心高度以及底座和頂梁的長度等方面。

當支架寬度較大時，意味著支架放置更為平穩，工作穩定性更高。但在礦井生產中，過大的支架寬度會影響開采效率，故支架寬度應該選一合理值。大采高條件下選擇支架寬度宜為2.05m，而普通采高下支架寬度選擇為1.5m即可滿足生產的需求。

支架支撐高度以及底座和頂梁的長度均會影響支架重心位置。支架工作的穩定性隨著支架重心的提高而降低。另一方面，當工作面仰斜開采和俯斜開采時，支架重心的縱向位置對兩種情況下支架工作穩定性的影響程度不同。故在煤層傾角以及開采的方式不同時，應適當調整支架重心位置。

當支架重心位置不變時，底座和頂梁的長度越大，支架工作的穩定性越高。同時兩者長度的選擇應綜合考慮三機配套以及采場開采的影響。

（3）其他重要因素

其他重要因素主要為銷軸空隙、工作面推進速率以及覆巖完整性水平。

支架內部的銷軸之間存在空隙，而空隙的大小某種程度上削弱支架的穩定性水平。

當工作面覆巖硬度較大時，如果推進速率過快，則堅硬頂板的突然垮落會對支架頂梁造成強烈的沖擊現象，從而降低頂梁工作的穩定性，容易引起壓架等事故；當工作面覆巖硬度較小時，頂板巖層幾乎隨采隨落，此時應提高工作面的推進速率，這樣可較大程度減小覆巖對支架的作用載荷，提高支架穩定性水平。

覆巖完整性水平決定著支架與覆巖間接觸面的大小，當覆巖完整性較低時，支架頂梁與覆巖無法充分接觸，則支架在覆巖載荷作用下容易受力不均勻，從而影響支撐特性的發揮。

4 支架失穩的防治措施分析

通過上述對支架穩定工作的影響因素進行分析可得到支架失穩的一系列防治措施。主要包括：

（1）優化支架頂梁和底座的尺寸，在不同的開采條件下適度調整支架重心的位置。

（2）不同的開采條件下采場采動引起的覆巖礦壓顯現不同，為了提高支架對覆巖運移變形的控制程度，確定合理的支護強度和初撐力是必要的。

（3）當煤層傾角較大時，可以增加支架的防滑防倒措施，從而提高支架的工作穩定性。超靜定液壓支架的裝配特征如圖4所示。

圖4 超靜定液壓支架的裝配特征示意圖

5 結束語

在工作面開采過程中，支架的工作穩定性尤為重要。提高支架穩定性可進一步提升煤炭采出水平，延長支架服務年限，利于礦井的可持續發展，故本文對超靜定液壓支架的穩定性進行系統研究。主要結論如下：

（1）通過proE模塊的分析可得到支架的重心高度為3.7m，重心與支架底座末端在水平方向的距離為2.3m。

（2）俯斜開采時支架傾倒的臨界角度為26.89°，仰斜開采時支架傾倒的臨界角度為28.75°；當支架處于工作狀態下，頂梁受到覆巖載荷的作用，則工作狀態下支架傾倒的臨界角要大于自由工作狀態下支架傾倒的臨界角，故處于工作狀態下支架不容易發生傾倒。

（3）支架工作穩定性的影響因素包括：采場圍巖的地質環境、設計支架尺寸、銷軸空隙、工作面推進速率以及覆巖完整性水平等。