急倾斜综采支架在顶板反倾向顺压下稳定分析

马淑胤，赵光明，孟祥瑞

(安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室， 安徽 淮南 232001)

急倾斜综采支架在顶板反倾向顺压下稳定分析

马淑胤，赵光明，孟祥瑞

(安徽理工大学 煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室， 安徽 淮南 232001)

急倾斜条件下确保综采支架稳定一直是急倾斜综采工作面安全生产难题之一。现以李嘴孜矿3232(3)急倾斜工作面具体条件为研究基础，结合倾斜砌体结构理论与理论力学相关知识，对顶板倾斜砌体结构反倾向顺压作用下支架稳定(下滑与倾倒)进行力学分析。结果表明，3232(3)工作面支架最小工作阻力不小于4023kN能够保持稳定,支护阻力为4600kN工作面支架的选择使用比较合理。最后，通过对支架受力模型分析，提出在工作面推进过程中，支架底座安装底座双千斤顶、顶梁双千斤顶以及改变工作面移架方式等技术措施，能够有效调整和防止支架倾倒与下滑现象发生，很大程度提高支架稳定性，保证综采工作面生产安全高效。

急倾斜工作面；综采工作面；支架稳定

急倾斜煤层埋藏倾角大于45°，储量多，开采难度较大，与缓倾斜煤层开采相比存在一定技术难题。急倾斜综采采煤工艺从理论角度可以提高产量，但是这种采煤方法受到工作面支架倾倒和下滑等条件制约[1-5]。

通过大量研究与实践表明[6-12]，不超过55°急倾斜工作面顶板容易破断产生倾斜砌体结构，并且以反倾向和倾向堆砌形式存在。由于采场角度倾斜原因，顶底板破断岩石受到重力作用向下滑落，充填工作面下部，使得工作面顶板力学特征表现出非对称性与非均衡性，造成顶板运动在工作面中上部活动剧烈，顶板形成各种结构并对工作面支架产生各种作用，顶板反倾向堆砌就会形成顶板对支架反倾向顺压作用，造成工作面支架失稳(滑移与倾倒)，影响工作面安全生产。

1 急倾斜工作面顶板与支架反倾向顺压作用模型

李嘴孜煤矿3232(3)工作面标高上限-430.3～-440.0m，下限-519.9～-521.7m，地面标高+19.0m，工作面走向长849～1114m，平均849m，倾斜长100～148m，平均124m，3232(3)工作面开采13槽煤层，煤层倾角31～53°，平均45°，煤层总厚3.0～7.5m，平均5.2m，开采采高2.2～3.0m。直接顶为8.3m厚的砂质粘土岩，老顶为中细粒砂岩，厚度3.6m，直接底为粘土岩，厚度3.4m，老顶是细砂岩，厚度2.2m。

3232(3)工作面采用综合机械化采煤工艺，一次全高的采煤方法，选用的综采支架型号为ZZ4600/18/38型掩护式液压支架。

由于急倾斜工作面倾角大等特殊原因，随着工作面推进，工作面顶板形成倾斜砌体结构，如图1所示，形成反倾向堆砌结构，对支架顶梁产生倾向顺压侧向应力作用。

图1 急倾斜工作面示意

2 支架受到顶板反倾向顺压作用下力学分析

为了分析倾斜砌体结构对支架发生反倾向顺压作用所受侧向压力大小(图2)，运用刚体动力学相关理论对研究对象运动特征和力系特征量进行描述[13],假设倾斜砌体结构所受约束为理想约束，刚体内力之和为零，该结构运动只是受到重力作用，见式(1)。

(1)

式中：dT为初始位置至支架位置动能改变量；∑δW外力元功之和。

图2 倾斜砌体结构对支架反倾向顺压作用

由图2可以看出，砌体结构反倾向顺压可以看成绕上方铰接点回转运动，为定轴转动的动力学问题，即仅发生旋转未发生平动。于是根据式(1)可得式(2)。

(2)

(3)

由图2可知结构与支架碰撞时角速度为ωz，碰撞后速度ωz 0= 0；根据碰撞冲量作用下刚体动力学方程公式可得式(4)。

(4)

式中：JC为质心C的转动惯量；ω，ω0为碰撞前后角速度；m为结构质量。

由式(4)得出碰撞作用下法向和切向冲量公式，见式(5)。

(5)

式中：θ为支架与结构间的夹角。

由于结构与支架作用是非完全塑性，发生碰撞后部分能量使结构塑性变形，可用恢复系数e描述，本文确定的恢复系数为0.4～0.6，有恢复阶段碰撞冲量，见式(6)、式(7)。

(6)

(7)

设支架受到冲量作用时间为0.001s，根据式(6)、式(7)及瞬间静滑动摩擦定律可得式(8)。

(8)

式中：Fp为支架受到瞬间Δt正压力近似均值，F’s为支架受到瞬间切向作用力；μ为支架与顶板间摩擦因数一般取0.35～0.40之间[15]；Fs为结构对支架切向作用力。

3 顶板反倾向顺压作用下支架稳定性分析

支架在顶板反倾向顺压状态下会受到较大侧向应力作用，且由于工作面倾角影响，顶板对支架顶梁产生侧向应力随之增大，如图1所示，这种情况更不利于支架稳定。为此对急斜工作面支架在顶板反倾向顺压下稳定性分析，确保工作面能够安全高效开采。

工作面支架失稳可以分为支架倾倒和滑移失稳。对此从支架防滑，防倒角度，建立顶板反倾向顺压作用下支架受力模型进行支架稳定性分析。

3.1 顶板反倾向顺压作用下支架倾倒模型

顶板反倾向顺压作用下支架倾倒模型见图3。

图3 顶板反倾向顺压作用下支架倾倒模型

由图3可以列出式(9)。

(9)

根据式(9)并且结合图3可知0≤x≤c，因支架受到顶板反倾向顺压作用位置不确定，为了便于对支架倾倒模型分析，把作用位置进行两种情况考虑。

1)第一种情况，当x=c时，则得出支架临界倾倒角见式(10)。

(10)

由式(10)可以看出，把李嘴孜矿3232(3)工作面支架高度(d=3.5m)，支架宽度(c=1.5m)，支架重量(G=210kN)及工作面采高(d=3.5m)等已知量代入支架临界倾倒角公式中，可得第一种情况下顶板反倾向顺压作用下支架倾向不倾倒需要最小工作阻力约为R20=4043kN。

2)第二种情况，当x=0时，支架临界倾倒角见式(11)。

(11)

将李嘴孜矿3232(3)工作面支架参数及工作面等具体参数代入进行计算，得出第二种情况下支架受到顶板反倾向顺压作用下倾向不倾倒需要最小工作阻力约为R20=3562kN。

3.2 顶板反倾向顺压作用下支架滑移模型

顶板反倾向顺压作用下支架滑移模型见图4。

图4 顶板反倾向顺压作用下支架滑移模型

`由图5可以得出式(12)。

(12)

(13)

从式(13)可以看出，增加支架支撑力、增加支架与顶板间摩擦因数、保证支架有足够强度的前提下减小支架自重，代入李嘴孜矿地质条件参数进行计算，得出顶板倾向顺压作用下支架滑移模型倾向不滑移所需临界支护阻力为3642kN。

4 急倾斜支架稳定性措施

根据相关研究[16]支架极限倾角约为24.2°，工作面支架滑移极限角约为18.6°。当工作面实际倾角大于支架极限倾角时，对工作面液压支架要采取一定防倒措施。同样，工作面倾角若大于15°，也要安装防滑移装置。防支架倾倒、滑移主要措施如下所示。

1)当工作面倾角大于支架极限角时，支架降柱移架情况下，易于发生支架倾倒现象。因此，在这种情况下，在支架底座安装底座双千斤顶，如图5(a)所示，增加底座双千斤顶可以严格控制底座之间的间隙，能够间接减少顶梁间隙，在工作面倾向也能有效防止支架在移动过程中发生倾倒或者支架发生倾倒通过底座双千斤顶，调整支架位置，确保支架稳定。同样，也可以对相邻支架有很好抗滑移作用。

2)由于急倾斜工作面特殊条件，工作面存在顶板破坏不对称性，工作面倾向形成倾向砌体结构，工作面中上部冒落破坏最为严重，在卸压移架过程中，容易产生支架下滑及倾倒现象。因此，在相邻支架顶梁之间安装顶梁双千斤顶，如图5(b)所示，增设顶梁双千斤顶，从支架顶部调整支架位置，有效控制支架之间间隙，与底座双千斤顶结合使用，相当于给予相邻支架顶部和底部抗滑、抗倾倒作用约束力，可以有效防止及调整支架移架时下滑及倾倒情况，一定程度提高工作面支架稳定性。

图5 底座双千斤顶与顶梁双千斤顶

3)在完成采煤工序进行工作面移架时，工作面先移排头架，自下而上移架。并且移动排头支架，间接交叉移架，相互依托，可以有效的防止支架发生滑移、倾倒。

5 结论

1)李嘴孜3232(3)工作面顶板倾斜砌体结构对支架反倾向顺压作用支架不倾倒最小支护阻力分别为第一种情况下R20=4023kN，第二种为R20=3562kN。支架在不下滑情况下最小支护阻力为3642kN。即上述情形支架保持稳定最小工作阻力应不小于4023kN。因此，李嘴孜3232(3)工作面所选支架支护阻力为4600kN较为合理。

2)通过对支架受力模型分析基础上，在工作面推进过程中，在支架底座安装底座双千斤顶、顶梁双千斤顶以及改变工作面移架方式等技术措施，能够有效调整和防止支架倾倒与下滑现象发生，很大程度提高支架稳定性。

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Stability analysis of steeply inclined fully mechanized stents under the roof countertendency suitable pressure

MA Shu-yin，ZHAO Guang-ming，MENG Xiang-rui

(Key Laboratory on Safe and Effective Coal Mining Sponsored by Anhui Province and Ministry of Education，Anhui University of Science and Technology，Anhui 232001，China)

Steep stable conditions to ensure the fully mechanized support has been one of production safety problems of steeply inclined working face.Now，according to Lizuizhi coal mine 3232 (3) steeply inclined working face a specific conditions as the research basis，in combination with the related knowledge of theory of inclined masonry structure and theoretical mechanics，to the roof of tilt masonry structure in the tendency of support stability under the action of (decline and dumping) is analyzed with mechanics.The results showed that 3232 (3) working face support working resistance minimum not less than 4023 kN can remain stable，the choice of the 4600 kN support resistance of working face support is quite reasonable.Finally，by analyzing the support mechanical model，raised that in the process of working face advancing，support base mounting base double jack，top beam double jack and technical measures such as changing the moving frame method can effectively adjust and prevent support dumping and decline phenomenon，greatly improve the support stability，guarantee the safe and efficient production of fully mechanized working face.

steeply inclined working face；fully mechanized working face；support stabilit

2014-02-05

国家自然科学基金项目资助(编号：51274008)

马淑胤(1986-)，男，安徽淮南人，硕士研究生，主要从事矿山压力方面的研究。

TD823.21+3

A

1004-4051(2015)01-0104-04