大倾角综放面支架稳定性及其控制技术研究

2012-01-05何富连杨伯达田春阳张德全

中国矿业 2012年6期

何富连，杨伯达，田春阳，张德全，张钰

(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室(中国矿业大学)，北京 100083)

液压支架的稳定性是影响大倾角综放面安全高效生产的重点和难点[1-3]。随着工作面倾角的增大，支架重力和顶板压力沿切向分力增加，沿法向分力减小，即引起支护系统失稳的外载荷变大，而利于其保持稳定性的工作载荷变小，导致工作面支架倾倒、下滑、挤架等事故频发[4]。因此，通过研究大倾角综放支架稳定性力学特性(主要包括防倒、防滑和抗歪扭)，分析得出影响其稳定性的关键因素，并研究相应的控制技术，对促进大倾角工作面的安全高效生产具有重要意义。

葛亭矿2313综放面地质构造复杂，发育大小断层共51条，其中落差大于100m的断层有8条。煤层平均倾角36°，最大倾角达51°，平均厚度6.5m，采用伪倾斜长壁后退式综合放顶煤采煤法，割煤高度2.3m，放煤高度4.2m。煤体强度低，节理裂隙发育，由于受顶煤沿工作面方向倾斜下滑分力的影响，以及移架、放煤过程的扰动，尤其在过断层和周期来压期间，工作面极易发生煤壁片帮、煤岩体冒漏、支架倾倒下滑等事故，严重影响作业人员的安全和正常生产。

1 力学模型分析及其分析

1.1 支架防倒防滑力学模型

如图1所示，支架在顶板的压力p(合力为P)、支架自重G，上下邻架挤靠力P上、P下，底板对支架支持力r(合力为W1)，支架初撑力反力q(合力为W2)，顶、底板对支架的摩擦力f1、f2作用下处于平衡状态。倾斜煤层的顶板是沿一条接近重力方向上的曲线移动，所以顶板对支架的压力也不完全是沿重力方向[5]，为便于研究讨论，近似看作沿重力方向。

根据葛亭矿2313综放面现场生产情况，支架顶梁间排列较密，相互间存在顶梁侧护板的约束作用，而支架底座间间隙较大，并且容易受输送机下滑的影响，所以，支架的下滑主要是底座的下滑，从而引发支架向上倾倒的趋势，底板反力作用点在O点处，以O点为坐标原点建立直角坐标系，沿倾向为x轴，垂直煤层方向为y轴，支架受力模型可以简化为如图2所示。

图1 现场支架受力情况

图2 支架受力模型

1.2 支架防倒稳定性分析

假设支架不发生下滑，只考虑其倾倒失稳。以支架为研究对象，由平衡条件得：

∑Fxi=P下+W1μ1+W2μ2-

(P+G)sinα-P上=0

(1)

∑Fyi=W1-W2-(P+G)cosα=0

(2)

式中，μ1、μ2分别为底板、顶板与支架间的摩擦系数。

令Mkn为防止支架倾倒的扭转力矩，则：

Mkn=Gb-W2μ2H+P上H+PsinαH-

(3)

(4)

式中，b为支架重力方向与支架底座上边缘之间的水平距离;H为支架高度;B为支架底座宽度;c为支架重心高度。

将式(1)、(2)、(3)、(4)联立得：

Mkn=Gcsinα-W2μ2H+PsinαH+

(5)

由式(5)可以得出，支架倾倒与支架自重、重心高度、初撑力、底座宽度、相互作用力，工作面倾角、采高，顶板压力等因素密切相关。

当支架处于正常工作状态时，选择自重较轻、重心高度较低、底座宽度较大的低位放顶煤支架，提高支架初撑力，增大支架与煤岩体摩擦系数等措施有利于防止支架倾倒。

在支架上方顶板冒空或移架过程中，支架初撑力和支架间相互作用力为零，如图3所示，如果支架不发生倾倒，需满足条件：

(6)

式中α1为支架倾倒临界倾角。

图3 支架临界倾倒模型

葛亭矿2313综放面采用ZF4200/16/26放顶煤液压支架，B=1.5m，c=1.35m，代入式(6)，可以计算出支架倾倒临界倾角为29°。

1.3 支架防滑稳定性分析

如图2所示，支架由于受到自重G，顶板压力P以及初撑力反力W2沿底板倾向分力的作用，产生沿工作面斜坡下滑的趋势，则其y轴方向平衡方程为：

∑Fyi=W1-W2-(P+G)cosα=0

(7)

若保证支架不下滑，需要对支架施加一个防止其下滑的额外抗滑力Fkn，则：

Fkn=W1μ1+W2μ2+P下-P上-(P+G)sinα

(8)

整理式(7)，得：

W1=W2+(P+G)cosα

(9)

将(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，支架下滑与支架自重、初撑力，支架间相互作用力，顶板压力，工作面倾角，支架与煤岩体摩擦因数等因素密切相关。

当支架处于正常工作状态时，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撑力、支架与煤岩体摩擦系数，减小支架间隙，提高架间相互约束能力。

在支架上方顶板冒空或移架过程中，支架初撑力和支架间相互作用力为零，则此时支架处于临界下滑状态时的平衡方程为：

G(μcosα-sinα)=0

(11)

解之得：

α2=arctanμ

(12)

由式(12)可知，支架的下滑取决于底座与底板间的摩擦因数。在实际综采工作面中，f的变化范围很大，其值的大小受多因素影响，如浮煤、淋水等。μ取值在0.2～0.3时，支架临界下滑角为11°～16°，则该支架处于下滑状态的临界倾角为16°。

1.4 歪扭稳定性分析

歪扭也是大倾角综采面液压支架不稳定的形式之一。它是指支架顶梁与地板发生相对角位移，顶梁轴线与底座轴线不在垂直煤层的同一法线平面内，它们在底板的投影呈有夹角的扭转状态[6]。

支架歪扭主要受输送机上下窜动的影响，同时也与支架本身下滑与否有关。输送机在使用过程中由于本身自重、采煤机上行时的反作用和下坡运输等原因，产生下滑现象，而支架顶梁由于相互间排列较密，不能随支架底座歪斜而移动，所以造成支架顶梁与底座间发生了相对角位移，即造成支架的歪扭。

2 大倾角支架稳定性的影响因素分析

2.1 地质生产条件

煤层倾角。由式(6)、式(12)，得出葛亭矿2313综放面液压支架的临界倾角αm=min(α1，α2)=16°，而该工作面平均倾角为36°，则支架必须采取防倒防滑措施。

采高。随采高的增加，支架支撑高度增大，且支架重心升高，由式(5)可知，这些皆使支架倾倒力矩增大，使其自稳性变差。实际生产表明，支架随着采高增加，其倾倒的可能性成倍增加，稳定性明显下降。

顶底板。当工作面顶板不稳定时，极易发生冒漏，顶板一旦冒漏，支架上方就会形成空顶，支架就失去了顶板提供的反倾倒力矩，如式(6)、式(12)所示，处于自由滑移状态。同时，由式(5)、式(10)可知，支架的倾倒下滑与支架和顶底板的摩擦因数密切相关，摩擦因数越大，对支架防倒防滑越有利当顶、底板光滑或顶、底板有淋水时，都会大大降低摩擦因数，对支架防倒防滑不利。

2.2 支架结构特性

支架自重、重心位置、底座宽度。由式(5)、式(10)可知，随着支架自重G、重心位置c、底座宽度B的增大，Mkn、Fkn增大，不利于支架的防倒防滑，所以，尽量选择自重较轻、重心高度较低、底座宽度较大的低位放顶煤轻型支架。

初撑力。在液压支架正常工作状态下，由于初撑力的存在使支架顶梁和底座均匀的与顶煤和底板接触，由此产生的摩擦力对于控制支架稳定起着重要的作用。如果支架的初撑力过低，必然会影响稳定支架作用的摩擦力的大小，因而也会影响顶板的稳定性，严重时可能会导致顶板出现破碎冒漏等现象，从而影响支架的稳定性。

支架侧护装置。支架的侧护板不仅保证支架良好的防矸、密封性能，而且增加了支架之间的横向约束，即P上、P下，尤其是在支架上方顶板冒空时，相邻支架的侧护能力对防止支架倾倒具有重要作用。

支架结构件强度。支架发生一定程度倾倒下滑时，受偏心载荷作用，立柱、四连杆、掩护梁结构件往往发生歪扭变形，如果支架结构件强度不足，就可能引起结构件的歪扭破坏，加剧支架倾倒下滑。

3 支架防倒防滑技术措施

根据上述分析结果，结合葛亭矿2313大倾角综放面生产地质条件，对液压支架采取的防倒防滑及抗歪扭措施如下。

3.1 支架防倒防滑装置

在支架底座后部的方板平台内部安装套筒，在套筒内安装能左右旋转的耳轴。每两架支架用一个φ100mm的千斤顶两端固定在支架增加的耳轴上，实现支架角度的调整；工作面中部支架在底座安设耳轴，每隔3～5架加设一组拉运输机的防滑油缸(直径140mm，行程700mm)，利用防滑油缸及时调整运输机，防止运输机下滑带动支架下滑；每5～10架设一压杆油缸，油缸上端安装在支架顶梁上，下端伸长可压在推移连杆上，使其紧贴底板不上翘，防止与推杆相连的运输机侧翻。

3.2 支架选型及几何位态控制

基于支架稳定性关键影响因素，通过对比选型，选用自重较轻、重心高度较低、底座宽度较大的ZF4200/16/26型低位放顶煤液压支架。在支架正常工作状态下，合理增加支架初撑力和工作阻力，提高支架工作状态的稳定性。在推溜移架过程中，采用自下而上方式，及时逐次移架，推移杆全程导向，减小推移杆和底座间隙，并尽量带压擦顶移架，防止支架处于自由状态。移架后，及时操控侧护板千斤顶，减小支架顶梁间隙，保证相邻支架相互约束，提高工作面支架系统的稳定性。