大采高工作面液壓支架穩定性分析

王明奎

（晉城金成礦山建筑工程有限責任公司，山西 晉城 048000）

引言

大采高技術的應用不僅使我國厚煤層開采效率得到大幅度提高，而且實現了節能。雖然大采高技術有著效率方面的優勢，但是對煤層的開采地質條件有著較高的要求，煤層傾角是其中最重要的影響因素。由于大采高技術中使用的液壓支架的重量是普通液壓支架的十幾倍甚至幾十倍，因此保證液壓支架工作過程中的穩定性非常重要[1-2]。液壓支架主要受到巖層的重力作用和自身的重力作用，圍繞液壓支架的受力進行展開，分析了煤層傾角對于液壓支架穩定性的影響。

1 液壓支架穩定性力學模型

大采高液壓支架的自重對其穩定性有著顯著的影響，為此分析了液壓支架的重在傾向和走向方向的受力情況，如圖1所示。

從圖1可見，液壓支架穩定性應該是由走向角度和傾向角度共同決定的。液壓支架在三個方向上的分力可以由公式（1）（2）計算得到。

圖1 液壓支架的自重受力情況

式中：α、β分別為傾角和俯采角；G為支架自重力，N；G1、G2、G3分別表示G在三個方向的分力，N。

1.1 液壓支架傾向穩定性分析

根據液壓支架的受力情況建立了液壓支架走向和傾向方向的穩定性力學模型。

1.1.1 液壓支架發生傾向傾倒時穩定性分析

對液壓支架的傾向進行受力分析，如圖2所示。

圖2 支架傾向傾倒受力分析示意圖

建立支架受力的平衡方程：

將式（2）和式（1）代入到（3）中，可得到支架傾倒的臨界角[3]α的計算公式：

式中：R11、R12分別為反支力和工作阻力，N；f11、f12分別為頂板和底板的摩擦力，N；h為采高，m；b為支架寬度，m。

1.1.2 液壓支架發生傾向滑移時穩定性分析

對液壓支架的傾向進行受力分析，如下頁圖3所示。

圖3 支架傾向滑移受力分析示意圖

建立支架受力平衡方程：

將式（2）和式（1）代入到（6）中，可得到支架滑移的臨界角α是計算公式：

式中：R21、R22分別支撐力和工作阻力，N；f21、f22分別為摩擦力，N。

1.2 液壓支架走向穩定性分析

1.2.1 液壓支架走向傾倒時穩定性分析

支架在正常開采時期的走向傾倒力學模型（俯采）如圖4所示。

圖4 支架走向傾倒受力分析示意圖

建立支架受力平衡方程：

由式（9）可得工作面俯采時的臨界角β的計算公式：

式中：F為煤壁的支撐力，N；d為頂梁長度，m；L為底座長度，m；m為頂梁尾部與底座尾部的距離，m；x為支架重心位置距底座尾部距離，取L/3。

1.2.2 液壓支架走向滑移時穩定性分析

支架在正常開采時期的走向滑移力學模型（俯采）如圖5所示。

圖5 支架走向滑移受力分析示意圖（俯采）

建立支架受力平衡方程：

由式（13）可得工作面俯采時的臨界角β的計算公式：

由式（14）可知，支架在工作狀態時的走向俯采臨界滑移角與支架自身重量、工作面傾向角度成反比，與摩擦系數、支架支撐力、煤壁對支架的支撐力成正比[4]。

2 液壓支架穩定性的影響因素分析

以上建立了工作面回采期間液壓支架穩定性的力學模型。下面將利用建立的模型對大峪煤業103綜采工作面回采期間液壓支架的穩定性進行分析。大峪煤業103綜采工作面采高（h=5.0 m）、支架重力（G=220 kN）、支架寬度（b=1.2 m）、支架支撐力（R12=4 500、5 200 kN）、摩擦系數（μ=0.25）。將這些參數帶入到式（4）（7）（10）和（14）中，可以得到臨界支護阻力和工作面傾角以及俯采角的關系，如下頁圖6所示。

由下頁圖6-1可見，隨著采高的增加，液壓支架在傾向不傾倒所需的臨界阻力近似線性增加的。在采高一定時，液壓支架的傾角越大，所需的臨界支護阻力也就越大。由下頁圖6-2可以發現，隨著俯采角的增加，所需的臨界支護阻力也會增加。俯采角對支架傾向不滑移所需最小支護阻力的影響也較為明顯。但當傾角增大到一定程度以后，俯采角的影響有所減小。

圖6 傾角和俯采角對液壓支架臨界支護阻力的影響分析

3 實例分析

根據上述分析的結果可知，在大峪煤業103綜采工作面的開采條件下，液壓支架不發生傾倒和滑移所需的支護阻力如表1所示。

表1 大采高支架所需的臨界支護阻力