四柱放頂煤液壓支架立柱受力不均衡規(guī)律及機(jī)理研究

何風(fēng)強(qiáng)，李 宏，王東攀

(1.神華寧煤集團(tuán)石炭井焦煤公司，寧夏石嘴山753000;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013)

綜采放頂煤技術(shù)自1982年引進(jìn)至國(guó)內(nèi)，經(jīng)過(guò)30a的不斷發(fā)展和完善，已成為我國(guó)厚煤層開采的主要方法之一。綜放支架作為綜放開采技術(shù)的核心裝備，經(jīng)歷了初期的高位放頂煤、中位放頂煤液壓支架到如今應(yīng)用成熟的低位放頂煤液壓支架;架型由初期單一的四柱支撐掩護(hù)式綜放支架發(fā)展到現(xiàn)在的新型兩柱掩護(hù)式綜放支架和四柱支撐掩護(hù)式綜放支架并存。隨著工作面采深的加大和自動(dòng)化開采程度的不斷提高，對(duì)液壓支架的適應(yīng)性、穩(wěn)定性要求越來(lái)越高。大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，目前應(yīng)用廣泛的四柱支撐掩護(hù)式綜放支架存在立柱受力不均衡、支撐效率低等問(wèn)題，造成支架在大傾角、松軟煤層等地質(zhì)條件下工況差，因此有必要對(duì)立柱受力不均衡的規(guī)律和機(jī)理進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)措施。

1 四柱式放頂煤液壓支架立柱受力不均衡規(guī)律

根據(jù)近年來(lái)天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部所完成的部分綜放工作面礦壓實(shí)測(cè)觀測(cè)資料，總結(jié)了各種典型條件下綜放工作面礦壓情況 (見表1)，分別按中硬和軟弱類型對(duì)四柱支撐掩護(hù)式放頂煤支架和兩柱掩護(hù)式放頂煤支架的受力不均衡比值進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 綜放工作面液壓支架立柱受力不均衡比值統(tǒng)計(jì)

由表1分析可得到如下結(jié)論:

(1)四柱式放頂煤液壓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)前后柱受力均衡系數(shù)由頂煤軟硬決定，同時(shí)受放煤量和煤層傾角的影響。當(dāng)頂煤為中硬(煤層堅(jiān)固性系數(shù)f＞1.5)時(shí)，前后柱受力比值在1.11～1.36，且隨著煤層硬度的提高而趨于受力均衡。在松軟頂煤 (f＜1.5)條件下，前后柱受力不均衡表現(xiàn)突出，且不均衡系數(shù)隨放煤量和煤層傾角的增大而增大。

(3)兩柱掩護(hù)式放頂煤支架左右立柱受力相對(duì)均衡，支撐效率高于四柱支掩式放頂煤支架。

為了進(jìn)一步研究在不同頂煤和架型下，放頂煤工藝對(duì)立柱受力均衡性的影響，分別以石炭井煤礦2474工作面代表大傾角松散煤層、鐵北礦右四片工作面代表中硬煤層、平朔井工一礦4108工作面代表兩柱式掩護(hù)式放頂煤支架開采中硬煤層。根據(jù)實(shí)測(cè)立柱初撐力和工作阻力變化曲線分析放煤工藝對(duì)立柱受力均衡性的影響 (見圖1～圖6)。

圖1 石炭井2474工作面前后立柱初撐力

圖2 鐵北礦右四片工作面前后立柱初撐力

圖3 平朔井工一礦4108左右立柱初撐力

圖4 石炭井2474工作面前后立柱受力變化曲線

圖5 鐵北礦右四片前后立柱受力變化曲線

圖6 平朔井工一礦4108左右立柱受力變化曲線

由圖1～6可知，石炭井2474工作面初撐力前后立柱平均比值1.59，放煤后前后立柱循環(huán)末阻力平均比值2.23，受力不均衡系數(shù)明顯增大，且中部支架受力不均衡性更加突出，這與中部放煤量大有關(guān);鐵北礦右四片工作面前后立柱初撐力平均比值1.28，放煤后循環(huán)末阻力前后立柱平均比值1.20，變化不明顯;平朔井工一礦4108工作面左右立柱初撐力比值平均1.08，放煤后左右立柱循環(huán)末阻力比值平均1.13，基本沒(méi)有太大變化。

綜合分析，可得出如下結(jié)論:放頂煤工藝對(duì)支架立柱受力不均衡有較大影響，尤其在松散頂煤條件下，放煤工藝加劇了四柱支撐掩護(hù)式支架立柱受力不均衡性，而兩柱放頂煤支架立柱受力不均衡性受放煤工藝影響相對(duì)較小。

2 立柱受力不均衡機(jī)理分析

根據(jù)頂煤體應(yīng)力狀態(tài)和巖體屈服破壞準(zhǔn)則，松散頂煤可分為3個(gè)區(qū)域 (見圖7)，即彈性區(qū)A、塑性區(qū)B和散體區(qū)C。以超前支撐壓力峰值為界劃分彈性區(qū)A和塑性區(qū)B;以頂煤破斷面為界劃分為塑性區(qū)B和散體區(qū)C。頂板壓力由頂煤傳遞至支架，合力作用點(diǎn)位置由塑性區(qū)B和散體區(qū)C決定。由于散體區(qū)C頂煤剛度小，存在“讓壓”效應(yīng)，傳力效果差，因此頂煤主要承載區(qū)是塑性區(qū)B，而塑性區(qū)B的大小與頂煤垮落角有關(guān)。頂煤垮落角與頂煤力學(xué)性質(zhì)相關(guān)，頂煤越硬、越穩(wěn)定則垮落角越小，一般小于90°;反之，頂煤越軟，穩(wěn)定性越差，則垮落角等于或大于90°。當(dāng)頂煤為中硬時(shí)，垮落角小于90°，塑性區(qū)B范圍大，頂煤有效承載面積大，載荷合力作用點(diǎn)M1位于支架前后立柱中間，前后立柱受力相對(duì)較均衡;反之，當(dāng)頂煤松軟時(shí)，垮落角小于90°，頂煤破斷面前移，有效承載面積縮小，載荷合力作用點(diǎn)由M1前移至M2(見圖7)，造成前立柱壓力大于后立柱，且頂煤越軟，載荷合力作用點(diǎn)越靠近煤壁，前柱承受的載荷比重越大，后立柱承受的載荷比重越小，前后柱受力不均衡性越明顯，當(dāng)頂煤硬度系數(shù)f＜1.5時(shí)，前后立柱受力不均衡系數(shù)超過(guò)1.5。

圖7 四柱式支架頂煤分區(qū)及合力作用點(diǎn)轉(zhuǎn)移示意

當(dāng)頂煤放出時(shí)，頂梁后方的頂煤部分滑落到放出空間，使支架切頂線前移，導(dǎo)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。在松散頂煤和大傾角條件下，由于工作面采用偽仰斜布置，頂梁后方頂煤更易滑落，由此造成支架切頂線進(jìn)一步前移，前后立柱受力不均衡性更加明顯。

3 結(jié)論與建議

(1)四柱式放頂煤液壓支架普遍存在前后立柱受力不均。前后柱受力不均衡系數(shù)由頂煤軟硬決定，同時(shí)受放煤量和煤層傾角的影響，尤其在松散頂煤條件下，過(guò)量放煤將加劇四柱式支架立柱受力不均衡性。

(2)兩柱掩護(hù)式放頂煤支架左右柱受力相對(duì)均衡，支撐效率高于四柱支掩式放頂煤支架。

(3)頂煤塑性區(qū)作為有效承載區(qū)，范圍由頂煤硬度和垮落角決定，立柱受力由載荷合力作用點(diǎn)的位置決定，放煤時(shí)，由于后部頂煤的放出，支架載荷合力作用點(diǎn)位置前移，造成后柱壓力較前柱壓力降低大，且大傾角和松軟頂煤條件下，受力不均衡性更加突出。

(4)建議利用液壓支架立柱受力不均衡的規(guī)律，優(yōu)化前后立柱缸徑，適當(dāng)提高前柱缸徑、縮小后柱缸徑，有效提高梁端支撐能力，并使支架有較大向前水平分力。

(5)為改善支架的受力狀態(tài)和提高支撐效率，建議在大傾角、松軟煤層條件下進(jìn)行兩柱掩護(hù)式放頂煤支架的試驗(yàn)研究。

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