四柱放顶煤液压支架立柱受力不均衡规律及机理研究

何风强，李 宏，王东攀

(1.神华宁煤集团石炭井焦煤公司，宁夏石嘴山753000;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

综采放顶煤技术自1982年引进至国内，经过30a的不断发展和完善，已成为我国厚煤层开采的主要方法之一。综放支架作为综放开采技术的核心装备，经历了初期的高位放顶煤、中位放顶煤液压支架到如今应用成熟的低位放顶煤液压支架;架型由初期单一的四柱支撑掩护式综放支架发展到现在的新型两柱掩护式综放支架和四柱支撑掩护式综放支架并存。随着工作面采深的加大和自动化开采程度的不断提高，对液压支架的适应性、稳定性要求越来越高。大量现场实践表明，目前应用广泛的四柱支撑掩护式综放支架存在立柱受力不均衡、支撑效率低等问题，造成支架在大倾角、松软煤层等地质条件下工况差，因此有必要对立柱受力不均衡的规律和机理进行分析，并提出改进措施。

1 四柱式放顶煤液压支架立柱受力不均衡规律

根据近年来天地科技股份有限公司开采设计事业部所完成的部分综放工作面矿压实测观测资料，总结了各种典型条件下综放工作面矿压情况 (见表1)，分别按中硬和软弱类型对四柱支撑掩护式放顶煤支架和两柱掩护式放顶煤支架的受力不均衡比值进行对比分析。

表1 综放工作面液压支架立柱受力不均衡比值统计

由表1分析可得到如下结论:

(1)四柱式放顶煤液压支架普遍存在前后立柱受力不均，前后立柱受力比值1.11～2.23，前柱受力均大于后柱。

(2)前后柱受力均衡系数由顶煤软硬决定，同时受放煤量和煤层倾角的影响。当顶煤为中硬(煤层坚固性系数f＞1.5)时，前后柱受力比值在1.11～1.36，且随着煤层硬度的提高而趋于受力均衡。在松软顶煤 (f＜1.5)条件下，前后柱受力不均衡表现突出，且不均衡系数随放煤量和煤层倾角的增大而增大。

(3)两柱掩护式放顶煤支架左右立柱受力相对均衡，支撑效率高于四柱支掩式放顶煤支架。

为了进一步研究在不同顶煤和架型下，放顶煤工艺对立柱受力均衡性的影响，分别以石炭井煤矿2474工作面代表大倾角松散煤层、铁北矿右四片工作面代表中硬煤层、平朔井工一矿4108工作面代表两柱式掩护式放顶煤支架开采中硬煤层。根据实测立柱初撑力和工作阻力变化曲线分析放煤工艺对立柱受力均衡性的影响 (见图1～图6)。

图1 石炭井2474工作面前后立柱初撑力

图2 铁北矿右四片工作面前后立柱初撑力

图3 平朔井工一矿4108左右立柱初撑力

图4 石炭井2474工作面前后立柱受力变化曲线

图5 铁北矿右四片前后立柱受力变化曲线

图6 平朔井工一矿4108左右立柱受力变化曲线

由图1～6可知，石炭井2474工作面初撑力前后立柱平均比值1.59，放煤后前后立柱循环末阻力平均比值2.23，受力不均衡系数明显增大，且中部支架受力不均衡性更加突出，这与中部放煤量大有关;铁北矿右四片工作面前后立柱初撑力平均比值1.28，放煤后循环末阻力前后立柱平均比值1.20，变化不明显;平朔井工一矿4108工作面左右立柱初撑力比值平均1.08，放煤后左右立柱循环末阻力比值平均1.13，基本没有太大变化。

综合分析，可得出如下结论:放顶煤工艺对支架立柱受力不均衡有较大影响，尤其在松散顶煤条件下，放煤工艺加剧了四柱支撑掩护式支架立柱受力不均衡性，而两柱放顶煤支架立柱受力不均衡性受放煤工艺影响相对较小。

2 立柱受力不均衡机理分析

根据顶煤体应力状态和岩体屈服破坏准则，松散顶煤可分为3个区域 (见图7)，即弹性区A、塑性区B和散体区C。以超前支撑压力峰值为界划分弹性区A和塑性区B;以顶煤破断面为界划分为塑性区B和散体区C。顶板压力由顶煤传递至支架，合力作用点位置由塑性区B和散体区C决定。由于散体区C顶煤刚度小，存在“让压”效应，传力效果差，因此顶煤主要承载区是塑性区B，而塑性区B的大小与顶煤垮落角有关。顶煤垮落角与顶煤力学性质相关，顶煤越硬、越稳定则垮落角越小，一般小于90°;反之，顶煤越软，稳定性越差，则垮落角等于或大于90°。当顶煤为中硬时，垮落角小于90°，塑性区B范围大，顶煤有效承载面积大，载荷合力作用点M1位于支架前后立柱中间，前后立柱受力相对较均衡;反之，当顶煤松软时，垮落角小于90°，顶煤破断面前移，有效承载面积缩小，载荷合力作用点由M1前移至M2(见图7)，造成前立柱压力大于后立柱，且顶煤越软，载荷合力作用点越靠近煤壁，前柱承受的载荷比重越大，后立柱承受的载荷比重越小，前后柱受力不均衡性越明显，当顶煤硬度系数f＜1.5时，前后立柱受力不均衡系数超过1.5。

图7 四柱式支架顶煤分区及合力作用点转移示意

当顶煤放出时，顶梁后方的顶煤部分滑落到放出空间，使支架切顶线前移，导致前立柱阻力增大，后立柱阻力降低，前后立柱受力不均衡性增大。在松散顶煤和大倾角条件下，由于工作面采用伪仰斜布置，顶梁后方顶煤更易滑落，由此造成支架切顶线进一步前移，前后立柱受力不均衡性更加明显。

3 结论与建议

(1)四柱式放顶煤液压支架普遍存在前后立柱受力不均。前后柱受力不均衡系数由顶煤软硬决定，同时受放煤量和煤层倾角的影响，尤其在松散顶煤条件下，过量放煤将加剧四柱式支架立柱受力不均衡性。

(2)两柱掩护式放顶煤支架左右柱受力相对均衡，支撑效率高于四柱支掩式放顶煤支架。

(3)顶煤塑性区作为有效承载区，范围由顶煤硬度和垮落角决定，立柱受力由载荷合力作用点的位置决定，放煤时，由于后部顶煤的放出，支架载荷合力作用点位置前移，造成后柱压力较前柱压力降低大，且大倾角和松软顶煤条件下，受力不均衡性更加突出。

(4)建议利用液压支架立柱受力不均衡的规律，优化前后立柱缸径，适当提高前柱缸径、缩小后柱缸径，有效提高梁端支撑能力，并使支架有较大向前水平分力。

(5)为改善支架的受力状态和提高支撑效率，建议在大倾角、松软煤层条件下进行两柱掩护式放顶煤支架的试验研究。

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