綜放工作面支架水平力及穩(wěn)定性分析

張 琦

（山西宏廈第一建設(shè)有限責(zé)任公司， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

綜放工作面中液壓支架的水平力是影響其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因素之一，同時(shí)也是支架選型時(shí)需要被考慮的問(wèn)題，對(duì)煤礦的安全高效生產(chǎn)具有影響[1]。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)支架?chē)鷰r及支架工作阻力之間的關(guān)系，從不同角度對(duì)液壓支架水平力及作用方式進(jìn)行了研究，得到工作面液壓支架的承載特性[2]。基于已有的研究成果對(duì)液壓支架的作用力大小及其來(lái)源進(jìn)行了深入分析，以期對(duì)工作面現(xiàn)場(chǎng)的頂板穩(wěn)定性及支架穩(wěn)定性提供理論指導(dǎo)。

1 液壓支架水平力分析

液壓支架水平力的重要來(lái)源于支架自身結(jié)構(gòu)引起的水平力和外力作用下的水平力兩部分，兩者分別稱為主動(dòng)水平力和被動(dòng)水平力。

1.1 支架自身水平力

支架自身結(jié)構(gòu)變化所引起的水平力主要包含支架本身傾斜引起的水平力及支架之間連桿作用所引起的水平力。

包括支柱傾斜引起的水平力和支架連桿運(yùn)動(dòng)引起的水平力。關(guān)于液壓支架的結(jié)構(gòu)特性，平衡千斤頂主要用于調(diào)節(jié)頂板的載荷，使支架與頂板之間的作用力相適應(yīng)，當(dāng)頂梁前端存在載荷時(shí)，液壓千斤頂受壓，使載荷向后移動(dòng)，反之，載荷方向向前移動(dòng)，但由于平衡千斤頂對(duì)載荷的調(diào)節(jié)能力有限，因此，在額定工作阻力相等的前提下，液壓支架梁端的支撐力要明顯大于兩柱式的液壓支架，但兩柱式支架可以提供主動(dòng)水平力，有利于對(duì)工作面頂板的控制。二柱式和四柱式液壓支架的力學(xué)模型如圖1所示[1]。

圖1 液壓支架力學(xué)模型圖

其中，二柱式液壓支架主動(dòng)水平力計(jì)算由式（1）確定：

式中：T1為水平力分量，kN；pD為單根支柱工作阻力，kN；αD為支柱傾斜角度。

四柱式液壓支架的主動(dòng)水平力由式（2）確定：

式中：T2為水平力分量，kN；pq為前排單根立柱工作阻力，kN；αq為前排支柱傾斜角度；ph為后排單根立柱工作阻力，kN；αh為后排支柱傾斜角度。

研究結(jié)果表明，二柱式液壓支架水平力包含支架隨外部結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)而引起的水平阻力及由于四連桿作用引起的水平拉力兩部分[3]。平衡千斤頂通過(guò)與立柱的共同作用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于頂板的支撐，研究學(xué)者通過(guò)相似模擬研究了相同工作阻力下不同類型支架的支柱傾角對(duì)水平力的影響，其結(jié)果如圖2所示。由圖2的結(jié)果可知，當(dāng)支架工作阻力達(dá)到1 000 kN時(shí)，在82.8°傾角條件下二柱式支架的水平力為四柱式的1.8倍左右，而在75.4°條件下，可以達(dá)到2倍左右[2]。

圖2 不同力柱阻力下支架類型對(duì)水平力的影響

四連桿運(yùn)動(dòng)所引發(fā)的水平力變化形式主要為“雙紐線”的形式變化，目前的“雙紐線”形態(tài)類別主要包含平緩彎曲、傾斜彎曲機(jī)直立彎曲三種。其中，平緩彎曲在較低的位置水平位移較為顯著，傾斜彎曲一般只在一個(gè)固定的方向產(chǎn)生水平位移，即只會(huì)在靠近煤壁的位置產(chǎn)生水平摩擦力以控制頂板的位移，直立彎曲在較高位置可以產(chǎn)生明顯的位移。三種形態(tài)的軌跡如圖3所示，水平摩擦力由式（3）計(jì)算：

式中：T為水平摩擦力，kN；Qy為支架對(duì)頂板的有效工作阻力，kN；f為摩擦系數(shù)，取 0.15～0.3。

圖3“雙紐線”主要軌跡形態(tài)

1.2 外載荷水平力

給定載荷條件下支架的力學(xué)模型如圖4所示，頂板下沉所產(chǎn)生的水平位移值為Δl1，底鼓所造成的水平位移值為Δl2。當(dāng)頂板下沉量Δl1達(dá)到最大值時(shí)，此時(shí)由于轉(zhuǎn)動(dòng)作用而產(chǎn)生的水平力分量是最大的，此時(shí)的最大值定義為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產(chǎn)生了水平推量T，其計(jì)算方法為T(mén)=Wcosθ。頂板下沉產(chǎn)生的水平力Qx可以通過(guò)是否存在底鼓即式（4）及式（5）進(jìn)行計(jì)算。

式中：Qx為垂直力分量，kN；l為合力作用點(diǎn)到支架底座的距離，m；l1為支架重心到底座的距離，m；Wz為支架自重，kN；hz為支架高度，m；θ為底鼓條件下支架傾角。

圖4 頂板下沉支架水平力模型

由圖 4及式（4）、式（5）可知，當(dāng)巷道頂板出現(xiàn)下沉?xí)r，支架水平力隨垂直力的增大呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，但隨支撐高度的增加則會(huì)出現(xiàn)逐漸降低的情況，頂板來(lái)壓時(shí)，實(shí)際情況下的水平力高于支架受力，從而使支架本身的穩(wěn)定性降低，支架出現(xiàn)失穩(wěn)，為煤礦生產(chǎn)帶來(lái)安全隱患。

頂板巖塊在冒落過(guò)程中產(chǎn)生的水平力也會(huì)對(duì)支架的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，其力學(xué)模型如圖5為支架的力學(xué)模型，巖塊冒落所產(chǎn)生的沖擊力：

式中：K 為沖擊系數(shù)；Wk為冒落質(zhì)量，kg；hk為冒落高度，m；t為沖擊時(shí)間，s；g為重力加速度，9.8 m/s。

圖5 頂板冒落巖塊水平力模型

式中：α為掩護(hù)梁與水平面之間的夾角。

從式中的結(jié)果可知，冒落巖層所產(chǎn)生的水平?jīng)_擊力與冒落巖塊的高度及質(zhì)量的平方成正比，同時(shí)隨著夾角的持續(xù)增大，冒落所產(chǎn)生的沖擊力逐漸減小，同時(shí)當(dāng)夾角達(dá)到90°時(shí)，冒落產(chǎn)生的沖擊力為零[3]。

2 支架水平力與穩(wěn)定性的關(guān)系

2.1 支架自身水平力與其穩(wěn)定性的關(guān)系

在綜放采場(chǎng)中存在兩個(gè)較為容易冒落的區(qū)域，分別為端面區(qū)和架后放煤區(qū)。整個(gè)安全生產(chǎn)防護(hù)區(qū)中，端面區(qū)是對(duì)整個(gè)安全生產(chǎn)防護(hù)起重要影響的區(qū)域，而端面失穩(wěn)主要是由于端面距的存在，端面區(qū)內(nèi)無(wú)支架支護(hù)，容易形成冒落拱。冒落拱的存在會(huì)導(dǎo)致支架的頂梁出現(xiàn)低頭的現(xiàn)象，使支架出現(xiàn)回轉(zhuǎn)，導(dǎo)致靠近采空區(qū)一側(cè)煤壁頂板壓力增大，而靠近煤壁一側(cè)的頂板壓力較小，式整個(gè)梁體的作用點(diǎn)向后方移動(dòng)，最終導(dǎo)致端面距的增大。而在端面距較大的情況下，四柱式支架前排受壓增大、頂梁回轉(zhuǎn)量增大，最終使支架與圍巖之間的穩(wěn)定性降低。二柱式液壓支架能夠在平衡千斤頂及立柱傾角的共同作用下改善自家頂梁的受力情況。

當(dāng)頂板煤層存在較多裂隙時(shí)，可以優(yōu)先選用二柱式液壓支架，該支架具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，能夠有效保證支架對(duì)頂板的控制。由于二柱式液壓支架對(duì)平

巖塊滑落所產(chǎn)生的沖擊由由巖塊直接從采空區(qū)滑落后降落到支架上，其水平分力為：衡千斤頂?shù)恼{(diào)節(jié)能力存在很大的局限性，但四柱式對(duì)于工作阻力的調(diào)節(jié)具有更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)性，由此，在特厚煤層開(kāi)采中適優(yōu)先選用四柱式液壓支架。

2.2 傾角與穩(wěn)定性的關(guān)系

支架頂梁的存在形式一般包含整體型、鉸接型及楔形三種。整體梁在支護(hù)過(guò)程中會(huì)上翹1°～3°，其余兩種梁能在上下范圍內(nèi)擺動(dòng)相應(yīng)的角度。其中二柱式液壓支架頂梁的上翹模型如圖6所示，若上翹角為β，則支柱沿頂梁產(chǎn)生的應(yīng)力分量為：

圖6 二柱式液壓支架上翹型模型

在實(shí)際生產(chǎn)情況下，頂梁的上翹角較小，即T3＞T1，當(dāng)頂梁的上翹角度達(dá)到一定值時(shí)，可以有效提高頂梁對(duì)頂板的支撐力，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板的管理。

2.3 外載荷水平力與支架穩(wěn)定性的關(guān)系

由于外載荷引起的水平力對(duì)支架穩(wěn)定性的影響存在一定的差異性，當(dāng)頂板下沉?xí)r會(huì)對(duì)頂板產(chǎn)生擠壓，同時(shí)使頂梁后部受力增大，最終實(shí)現(xiàn)梁呈現(xiàn)上翹的狀態(tài)。使支架在自身平衡控制范圍內(nèi)，水平力的產(chǎn)生較大，有利于實(shí)現(xiàn)頂梁附近煤的擠壓，從而有效改善煤層破碎頂板冒落。但當(dāng)支架頂梁的上翹角度過(guò)大時(shí)，支架會(huì)發(fā)生前移最終導(dǎo)致煤礦安全事故，冒落巖塊產(chǎn)生的水平力也會(huì)對(duì)支架的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定程度的影響。由此，在煤礦日常生產(chǎn)過(guò)程中，支架穩(wěn)定性的提高可以通過(guò)提高初撐力、增加橫向支撐力等方法實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)論

1）液壓支架的水平力包含主動(dòng)水平力和被動(dòng)水平力兩種。二柱式與四柱式放頂煤液壓支架在水平力方面存在較大的差異，需要根據(jù)礦井生產(chǎn)的實(shí)際情況選擇合適的支架類型。

2）二柱式液壓支架產(chǎn)生的水平力大于四柱式。傾斜彎曲式液壓支架與煤壁間僅存在水平摩擦力作用，有利于頂板穩(wěn)定性管理。

3）支架水平力與支架本身穩(wěn)定性相關(guān)，自身水平力有利于其穩(wěn)定性，外載荷有利有弊，因此，在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)充分考慮冒落巖塊沖擊對(duì)支架穩(wěn)定性的影響。