急傾斜綜采支架在頂板反傾向順壓下穩(wěn)定分析

馬淑胤，趙光明，孟祥瑞

(安徽理工大學(xué) 煤礦安全高效開(kāi)采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽 淮南 232001)

急傾斜綜采支架在頂板反傾向順壓下穩(wěn)定分析

馬淑胤，趙光明，孟祥瑞

(安徽理工大學(xué) 煤礦安全高效開(kāi)采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽 淮南 232001)

急傾斜條件下確保綜采支架穩(wěn)定一直是急傾斜綜采工作面安全生產(chǎn)難題之一?，F(xiàn)以李嘴孜礦3232(3)急傾斜工作面具體條件為研究基礎(chǔ)，結(jié)合傾斜砌體結(jié)構(gòu)理論與理論力學(xué)相關(guān)知識(shí)，對(duì)頂板傾斜砌體結(jié)構(gòu)反傾向順壓作用下支架穩(wěn)定(下滑與傾倒)進(jìn)行力學(xué)分析。結(jié)果表明，3232(3)工作面支架最小工作阻力不小于4023kN能夠保持穩(wěn)定,支護(hù)阻力為4600kN工作面支架的選擇使用比較合理。最后，通過(guò)對(duì)支架受力模型分析，提出在工作面推進(jìn)過(guò)程中，支架底座安裝底座雙千斤頂、頂梁雙千斤頂以及改變工作面移架方式等技術(shù)措施，能夠有效調(diào)整和防止支架傾倒與下滑現(xiàn)象發(fā)生，很大程度提高支架穩(wěn)定性，保證綜采工作面生產(chǎn)安全高效。

急傾斜工作面；綜采工作面；支架穩(wěn)定

急傾斜煤層埋藏傾角大于45°，儲(chǔ)量多，開(kāi)采難度較大，與緩傾斜煤層開(kāi)采相比存在一定技術(shù)難題。急傾斜綜采采煤工藝從理論角度可以提高產(chǎn)量，但是這種采煤方法受到工作面支架傾倒和下滑等條件制約[1-5]。

通過(guò)大量研究與實(shí)踐表明[6-12]，不超過(guò)55°急傾斜工作面頂板容易破斷產(chǎn)生傾斜砌體結(jié)構(gòu)，并且以反傾向和傾向堆砌形式存在。由于采場(chǎng)角度傾斜原因，頂?shù)装迤茢鄮r石受到重力作用向下滑落，充填工作面下部，使得工作面頂板力學(xué)特征表現(xiàn)出非對(duì)稱(chēng)性與非均衡性，造成頂板運(yùn)動(dòng)在工作面中上部活動(dòng)劇烈，頂板形成各種結(jié)構(gòu)并對(duì)工作面支架產(chǎn)生各種作用，頂板反傾向堆砌就會(huì)形成頂板對(duì)支架反傾向順壓作用，造成工作面支架失穩(wěn)(滑移與傾倒)，影響工作面安全生產(chǎn)。

1 急傾斜工作面頂板與支架反傾向順壓作用模型

李嘴孜煤礦3232(3)工作面標(biāo)高上限-430.3～-440.0m，下限-519.9～-521.7m，地面標(biāo)高+19.0m，工作面走向長(zhǎng)849～1114m，平均849m，傾斜長(zhǎng)100～148m，平均124m，3232(3)工作面開(kāi)采13槽煤層，煤層傾角31～53°，平均45°，煤層總厚3.0～7.5m，平均5.2m，開(kāi)采采高2.2～3.0m。直接頂為8.3m厚的砂質(zhì)粘土巖，老頂為中細(xì)粒砂巖，厚度3.6m，直接底為粘土巖，厚度3.4m，老頂是細(xì)砂巖，厚度2.2m。

3232(3)工作面采用綜合機(jī)械化采煤工藝，一次全高的采煤方法，選用的綜采支架型號(hào)為ZZ4600/18/38型掩護(hù)式液壓支架。

由于急傾斜工作面傾角大等特殊原因，隨著工作面推進(jìn)，工作面頂板形成傾斜砌體結(jié)構(gòu)，如圖1所示，形成反傾向堆砌結(jié)構(gòu)，對(duì)支架頂梁產(chǎn)生傾向順壓側(cè)向應(yīng)力作用。

圖1 急傾斜工作面示意

2 支架受到頂板反傾向順壓作用下力學(xué)分析

為了分析傾斜砌體結(jié)構(gòu)對(duì)支架發(fā)生反傾向順壓作用所受側(cè)向壓力大小(圖2)，運(yùn)用剛體動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論對(duì)研究對(duì)象運(yùn)動(dòng)特征和力系特征量進(jìn)行描述[13],假設(shè)傾斜砌體結(jié)構(gòu)所受約束為理想約束，剛體內(nèi)力之和為零，該結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)只是受到重力作用，見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：dT為初始位置至支架位置動(dòng)能改變量；∑δW外力元功之和。

圖2 傾斜砌體結(jié)構(gòu)對(duì)支架反傾向順壓作用

由圖2可以看出，砌體結(jié)構(gòu)反傾向順壓可以看成繞上方鉸接點(diǎn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，即僅發(fā)生旋轉(zhuǎn)未發(fā)生平動(dòng)。于是根據(jù)式(1)可得式(2)。

(2)

(3)

由圖2可知結(jié)構(gòu)與支架碰撞時(shí)角速度為ωz，碰撞后速度ωz 0= 0；根據(jù)碰撞沖量作用下剛體動(dòng)力學(xué)方程公式可得式(4)。

(4)

式中：JC為質(zhì)心C的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω，ω0為碰撞前后角速度；m為結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

由式(4)得出碰撞作用下法向和切向沖量公式，見(jiàn)式(5)。

(5)

式中：θ為支架與結(jié)構(gòu)間的夾角。

由于結(jié)構(gòu)與支架作用是非完全塑性，發(fā)生碰撞后部分能量使結(jié)構(gòu)塑性變形，可用恢復(fù)系數(shù)e描述，本文確定的恢復(fù)系數(shù)為0.4～0.6，有恢復(fù)階段碰撞沖量，見(jiàn)式(6)、式(7)。

(6)

(7)

設(shè)支架受到?jīng)_量作用時(shí)間為0.001s，根據(jù)式(6)、式(7)及瞬間靜滑動(dòng)摩擦定律可得式(8)。

(8)

式中：Fp為支架受到瞬間Δt正壓力近似均值，F(xiàn)’s為支架受到瞬間切向作用力；μ為支架與頂板間摩擦因數(shù)一般取0.35～0.40之間[15]；Fs為結(jié)構(gòu)對(duì)支架切向作用力。

3 頂板反傾向順壓作用下支架穩(wěn)定性分析

支架在頂板反傾向順壓狀態(tài)下會(huì)受到較大側(cè)向應(yīng)力作用，且由于工作面傾角影響，頂板對(duì)支架頂梁產(chǎn)生側(cè)向應(yīng)力隨之增大，如圖1所示，這種情況更不利于支架穩(wěn)定。為此對(duì)急斜工作面支架在頂板反傾向順壓下穩(wěn)定性分析，確保工作面能夠安全高效開(kāi)采。

工作面支架失穩(wěn)可以分為支架傾倒和滑移失穩(wěn)。對(duì)此從支架防滑，防倒角度，建立頂板反傾向順壓作用下支架受力模型進(jìn)行支架穩(wěn)定性分析。

3.1 頂板反傾向順壓作用下支架傾倒模型

頂板反傾向順壓作用下支架傾倒模型見(jiàn)圖3。

圖3 頂板反傾向順壓作用下支架傾倒模型

由圖3可以列出式(9)。

(9)

根據(jù)式(9)并且結(jié)合圖3可知0≤x≤c，因支架受到頂板反傾向順壓作用位置不確定，為了便于對(duì)支架傾倒模型分析，把作用位置進(jìn)行兩種情況考慮。

1)第一種情況，當(dāng)x=c時(shí)，則得出支架臨界傾倒角見(jiàn)式(10)。

(10)

由式(10)可以看出，把李嘴孜礦3232(3)工作面支架高度(d=3.5m)，支架寬度(c=1.5m)，支架重量(G=210kN)及工作面采高(d=3.5m)等已知量代入支架臨界傾倒角公式中，可得第一種情況下頂板反傾向順壓作用下支架傾向不傾倒需要最小工作阻力約為R20=4043kN。

2)第二種情況，當(dāng)x=0時(shí)，支架臨界傾倒角見(jiàn)式(11)。

(11)

將李嘴孜礦3232(3)工作面支架參數(shù)及工作面等具體參數(shù)代入進(jìn)行計(jì)算，得出第二種情況下支架受到頂板反傾向順壓作用下傾向不傾倒需要最小工作阻力約為R20=3562kN。

3.2 頂板反傾向順壓作用下支架滑移模型

頂板反傾向順壓作用下支架滑移模型見(jiàn)圖4。

圖4 頂板反傾向順壓作用下支架滑移模型

`由圖5可以得出式(12)。

(12)

(13)

從式(13)可以看出，增加支架支撐力、增加支架與頂板間摩擦因數(shù)、保證支架有足夠強(qiáng)度的前提下減小支架自重，代入李嘴孜礦地質(zhì)條件參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得出頂板傾向順壓作用下支架滑移模型傾向不滑移所需臨界支護(hù)阻力為3642kN。

4 急傾斜支架穩(wěn)定性措施

根據(jù)相關(guān)研究[16]支架極限傾角約為24.2°，工作面支架滑移極限角約為18.6°。當(dāng)工作面實(shí)際傾角大于支架極限傾角時(shí)，對(duì)工作面液壓支架要采取一定防倒措施。同樣，工作面傾角若大于15°，也要安裝防滑移裝置。防支架傾倒、滑移主要措施如下所示。

1)當(dāng)工作面傾角大于支架極限角時(shí)，支架降柱移架情況下，易于發(fā)生支架傾倒現(xiàn)象。因此，在這種情況下，在支架底座安裝底座雙千斤頂，如圖5(a)所示，增加底座雙千斤頂可以嚴(yán)格控制底座之間的間隙，能夠間接減少頂梁間隙，在工作面傾向也能有效防止支架在移動(dòng)過(guò)程中發(fā)生傾倒或者支架發(fā)生傾倒通過(guò)底座雙千斤頂，調(diào)整支架位置，確保支架穩(wěn)定。同樣，也可以對(duì)相鄰支架有很好抗滑移作用。

2)由于急傾斜工作面特殊條件，工作面存在頂板破壞不對(duì)稱(chēng)性，工作面傾向形成傾向砌體結(jié)構(gòu)，工作面中上部冒落破壞最為嚴(yán)重，在卸壓移架過(guò)程中，容易產(chǎn)生支架下滑及傾倒現(xiàn)象。因此，在相鄰支架頂梁之間安裝頂梁雙千斤頂，如圖5(b)所示，增設(shè)頂梁雙千斤頂，從支架頂部調(diào)整支架位置，有效控制支架之間間隙，與底座雙千斤頂結(jié)合使用，相當(dāng)于給予相鄰支架頂部和底部抗滑、抗傾倒作用約束力，可以有效防止及調(diào)整支架移架時(shí)下滑及傾倒情況，一定程度提高工作面支架穩(wěn)定性。

圖5 底座雙千斤頂與頂梁雙千斤頂

3)在完成采煤工序進(jìn)行工作面移架時(shí)，工作面先移排頭架，自下而上移架。并且移動(dòng)排頭支架，間接交叉移架，相互依托，可以有效的防止支架發(fā)生滑移、傾倒。

5 結(jié)論

1)李嘴孜3232(3)工作面頂板傾斜砌體結(jié)構(gòu)對(duì)支架反傾向順壓作用支架不傾倒最小支護(hù)阻力分別為第一種情況下R20=4023kN，第二種為R20=3562kN。支架在不下滑情況下最小支護(hù)阻力為3642kN。即上述情形支架保持穩(wěn)定最小工作阻力應(yīng)不小于4023kN。因此，李嘴孜3232(3)工作面所選支架支護(hù)阻力為4600kN較為合理。

2)通過(guò)對(duì)支架受力模型分析基礎(chǔ)上，在工作面推進(jìn)過(guò)程中，在支架底座安裝底座雙千斤頂、頂梁雙千斤頂以及改變工作面移架方式等技術(shù)措施，能夠有效調(diào)整和防止支架傾倒與下滑現(xiàn)象發(fā)生，很大程度提高支架穩(wěn)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

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：51274008)

馬淑胤(1986-)，男，安徽淮南人，碩士研究生，主要從事礦山壓力方面的研究。

TD823.21+3

A

1004-4051(2015)01-0104-04