综放工作面支架水平力及稳定性分析

张 琦

（山西宏厦第一建设有限责任公司， 山西 阳泉 045000）

引言

综放工作面中液压支架的水平力是影响其结构稳定性的重要因素之一，同时也是支架选型时需要被考虑的问题，对煤矿的安全高效生产具有影响[1]。国内外研究学者对支架围岩及支架工作阻力之间的关系，从不同角度对液压支架水平力及作用方式进行了研究，得到工作面液压支架的承载特性[2]。基于已有的研究成果对液压支架的作用力大小及其来源进行了深入分析，以期对工作面现场的顶板稳定性及支架稳定性提供理论指导。

1 液压支架水平力分析

液压支架水平力的重要来源于支架自身结构引起的水平力和外力作用下的水平力两部分，两者分别称为主动水平力和被动水平力。

1.1 支架自身水平力

支架自身结构变化所引起的水平力主要包含支架本身倾斜引起的水平力及支架之间连杆作用所引起的水平力。

包括支柱倾斜引起的水平力和支架连杆运动引起的水平力。关于液压支架的结构特性，平衡千斤顶主要用于调节顶板的载荷，使支架与顶板之间的作用力相适应，当顶梁前端存在载荷时，液压千斤顶受压，使载荷向后移动，反之，载荷方向向前移动，但由于平衡千斤顶对载荷的调节能力有限，因此，在额定工作阻力相等的前提下，液压支架梁端的支撑力要明显大于两柱式的液压支架，但两柱式支架可以提供主动水平力，有利于对工作面顶板的控制。二柱式和四柱式液压支架的力学模型如图1所示[1]。

图1 液压支架力学模型图

其中，二柱式液压支架主动水平力计算由式（1）确定：

式中：T1为水平力分量，kN；pD为单根支柱工作阻力，kN；αD为支柱倾斜角度。

四柱式液压支架的主动水平力由式（2）确定：

式中：T2为水平力分量，kN；pq为前排单根立柱工作阻力，kN；αq为前排支柱倾斜角度；ph为后排单根立柱工作阻力，kN；αh为后排支柱倾斜角度。

研究结果表明，二柱式液压支架水平力包含支架随外部结构运动而引起的水平阻力及由于四连杆作用引起的水平拉力两部分[3]。平衡千斤顶通过与立柱的共同作用可以实现对于顶板的支撑，研究学者通过相似模拟研究了相同工作阻力下不同类型支架的支柱倾角对水平力的影响，其结果如图2所示。由图2的结果可知，当支架工作阻力达到1 000 kN时，在82.8°倾角条件下二柱式支架的水平力为四柱式的1.8倍左右，而在75.4°条件下，可以达到2倍左右[2]。

图2 不同力柱阻力下支架类型对水平力的影响

四连杆运动所引发的水平力变化形式主要为“双纽线”的形式变化，目前的“双纽线”形态类别主要包含平缓弯曲、倾斜弯曲机直立弯曲三种。其中，平缓弯曲在较低的位置水平位移较为显著，倾斜弯曲一般只在一个固定的方向产生水平位移，即只会在靠近煤壁的位置产生水平摩擦力以控制顶板的位移，直立弯曲在较高位置可以产生明显的位移。三种形态的轨迹如图3所示，水平摩擦力由式（3）计算：

式中：T为水平摩擦力，kN；Qy为支架对顶板的有效工作阻力，kN；f为摩擦系数，取 0.15～0.3。

图3“双纽线”主要轨迹形态

1.2 外载荷水平力

给定载荷条件下支架的力学模型如图4所示，顶板下沉所产生的水平位移值为Δl1，底鼓所造成的水平位移值为Δl2。当顶板下沉量Δl1达到最大值时，此时由于转动作用而产生的水平力分量是最大的，此时的最大值定义为Q，而底鼓所引起的水平位移Δl2的存在使支架在水平方向上产生了水平推量T，其计算方法为T=Wcosθ。顶板下沉产生的水平力Qx可以通过是否存在底鼓即式（4）及式（5）进行计算。

式中：Qx为垂直力分量，kN；l为合力作用点到支架底座的距离，m；l1为支架重心到底座的距离，m；Wz为支架自重，kN；hz为支架高度，m；θ为底鼓条件下支架倾角。

图4 顶板下沉支架水平力模型

由图 4及式（4）、式（5）可知，当巷道顶板出现下沉时，支架水平力随垂直力的增大呈现出逐渐增大的趋势，但随支撑高度的增加则会出现逐渐降低的情况，顶板来压时，实际情况下的水平力高于支架受力，从而使支架本身的稳定性降低，支架出现失稳，为煤矿生产带来安全隐患。

顶板岩块在冒落过程中产生的水平力也会对支架的稳定性产生影响，其力学模型如图5为支架的力学模型，岩块冒落所产生的冲击力：

式中：K 为冲击系数；Wk为冒落质量，kg；hk为冒落高度，m；t为冲击时间，s；g为重力加速度，9.8 m/s。

图5 顶板冒落岩块水平力模型

式中：α为掩护梁与水平面之间的夹角。

从式中的结果可知，冒落岩层所产生的水平冲击力与冒落岩块的高度及质量的平方成正比，同时随着夹角的持续增大，冒落所产生的冲击力逐渐减小，同时当夹角达到90°时，冒落产生的冲击力为零[3]。

2 支架水平力与稳定性的关系

2.1 支架自身水平力与其稳定性的关系

在综放采场中存在两个较为容易冒落的区域，分别为端面区和架后放煤区。整个安全生产防护区中，端面区是对整个安全生产防护起重要影响的区域，而端面失稳主要是由于端面距的存在，端面区内无支架支护，容易形成冒落拱。冒落拱的存在会导致支架的顶梁出现低头的现象，使支架出现回转，导致靠近采空区一侧煤壁顶板压力增大，而靠近煤壁一侧的顶板压力较小，式整个梁体的作用点向后方移动，最终导致端面距的增大。而在端面距较大的情况下，四柱式支架前排受压增大、顶梁回转量增大，最终使支架与围岩之间的稳定性降低。二柱式液压支架能够在平衡千斤顶及立柱倾角的共同作用下改善自家顶梁的受力情况。

当顶板煤层存在较多裂隙时，可以优先选用二柱式液压支架，该支架具有较强的稳定性，能够有效保证支架对顶板的控制。由于二柱式液压支架对平

岩块滑落所产生的冲击由由岩块直接从采空区滑落后降落到支架上，其水平分力为：衡千斤顶的调节能力存在很大的局限性，但四柱式对于工作阻力的调节具有更强的优势性，由此，在特厚煤层开采中适优先选用四柱式液压支架。

2.2 倾角与稳定性的关系

支架顶梁的存在形式一般包含整体型、铰接型及楔形三种。整体梁在支护过程中会上翘1°～3°，其余两种梁能在上下范围内摆动相应的角度。其中二柱式液压支架顶梁的上翘模型如图6所示，若上翘角为β，则支柱沿顶梁产生的应力分量为：

图6 二柱式液压支架上翘型模型

在实际生产情况下，顶梁的上翘角较小，即T3＞T1，当顶梁的上翘角度达到一定值时，可以有效提高顶梁对顶板的支撑力，最终实现对顶板的管理。

2.3 外载荷水平力与支架稳定性的关系

由于外载荷引起的水平力对支架稳定性的影响存在一定的差异性，当顶板下沉时会对顶板产生挤压，同时使顶梁后部受力增大，最终实现梁呈现上翘的状态。使支架在自身平衡控制范围内，水平力的产生较大，有利于实现顶梁附近煤的挤压，从而有效改善煤层破碎顶板冒落。但当支架顶梁的上翘角度过大时，支架会发生前移最终导致煤矿安全事故，冒落岩块产生的水平力也会对支架的稳定性产生一定程度的影响。由此，在煤矿日常生产过程中，支架稳定性的提高可以通过提高初撑力、增加横向支撑力等方法实现。

3 结论

1）液压支架的水平力包含主动水平力和被动水平力两种。二柱式与四柱式放顶煤液压支架在水平力方面存在较大的差异，需要根据矿井生产的实际情况选择合适的支架类型。

2）二柱式液压支架产生的水平力大于四柱式。倾斜弯曲式液压支架与煤壁间仅存在水平摩擦力作用，有利于顶板稳定性管理。

3）支架水平力与支架本身稳定性相关，自身水平力有利于其稳定性，外载荷有利有弊，因此，在生产过程中应当充分考虑冒落岩块冲击对支架稳定性的影响。