超靜定液壓支架的穩(wěn)定性分析

袁雙喜

（山煤集團(tuán)煤業(yè)管理有限公司，山西 太原 030006）

長(zhǎng)壁法采煤過(guò)程中，當(dāng)采空區(qū)推進(jìn)距離逐漸變大時(shí)，懸露頂板面積加大，在自重狀態(tài)下，頂板會(huì)發(fā)生彎曲，巖層內(nèi)部產(chǎn)生大范圍的裂縫，裂縫不斷擴(kuò)展，關(guān)鍵層垮落。由于巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，所以頂板很容易被拉斷，發(fā)生垮落，產(chǎn)生峰值載荷[1]。如果上覆巖層強(qiáng)度較低，液壓支架有較強(qiáng)的切頂能力，一旦頂板垮落，液壓支架初撐力不足，那么很有可能形成臺(tái)階下沉，發(fā)生壓架事故。同時(shí)采場(chǎng)采動(dòng)引起的礦壓現(xiàn)象隨著煤層傾角的增大而加劇，當(dāng)工作面傾角增大到一定程度，則支架發(fā)生傾倒的概率加大，進(jìn)而引起支架多種部件的損害[2]。在工作面開(kāi)采過(guò)程中，支架的工作穩(wěn)定性尤為重要。提高支架穩(wěn)定性可進(jìn)一步提升煤炭采出水平，延長(zhǎng)支架服務(wù)年限，利于礦井的可持續(xù)發(fā)展，故本文對(duì)超靜定液壓支架的穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)研究。

1 支架簡(jiǎn)化

一般情況下，液壓支架既可能發(fā)生沿工作面布置方向的失穩(wěn)，也可能發(fā)生沿工作面開(kāi)采方向的失穩(wěn)，失穩(wěn)形式均可表現(xiàn)為傾倒以及壓架等，本文重點(diǎn)對(duì)工作面開(kāi)采方向上支架的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。支架穩(wěn)定性受到諸多因素的影響，比如礦壓顯現(xiàn)的劇烈程度、支架支撐特性以及煤層傾角等。在支架升高或者降低過(guò)程中，支架頂梁均未與覆巖發(fā)生接觸，處于自由工作狀態(tài)；當(dāng)支架與覆巖接觸時(shí)，頂梁會(huì)承受覆巖的作用載荷，處于工作狀態(tài)[3]。在不同的狀態(tài)下支架的穩(wěn)定性特征必然不同，在分析支架穩(wěn)定性時(shí)需要對(duì)支架模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。

在采場(chǎng)中，支架底座承載著支架及圍巖作用的一定載荷，而頂梁控制著覆巖的運(yùn)移變形，故液壓支架的主要組成構(gòu)件為底座和頂梁，而頂梁的面積與厚度均異于底座，故整個(gè)支架的中心位置并不是重心所在處，在構(gòu)建支架的合理模型時(shí)，對(duì)非重點(diǎn)構(gòu)件進(jìn)行了一定程度的忽略，得到支架模型如圖1所示。

當(dāng)支架支撐高度較大時(shí)，支架的重心位置也會(huì)提高，從而降低了支架工作的穩(wěn)定性，為了充分研究支架穩(wěn)定性，模型中支架高度取最大值。圖中，支架支撐高度H為6.8m，底座長(zhǎng)度D為4.2m，底座和頂梁厚度B均為1.98m，頂深長(zhǎng)度L為6.66m。通過(guò)proE模塊的分析可得到支架的重心高度為3.7m，為圖中H1的標(biāo)注處，重心與支架底座末端在水平方向的距離L1為2.3m。

圖1 支架模型簡(jiǎn)圖

2 沿工作面推進(jìn)方向支架穩(wěn)定性分析

2.1 自由工作狀態(tài)下支架穩(wěn)定性

當(dāng)煤層存在一定的傾角時(shí)，則仰采狀態(tài)下和俯采狀態(tài)下支架的穩(wěn)定性特征不同，圖2為支架自由工作時(shí)的力學(xué)模型示意圖。

圖2 支架自由工作時(shí)的力學(xué)模型示意圖

對(duì)圖2（a）中的模型進(jìn)行分析，則當(dāng)支架受力達(dá)到平衡時(shí)，滿足公式（1）的要求：

由此可得支架傾倒的臨界條件：

由公式（2）解得：

式中：

G-支架的自重應(yīng)力，kN；

β-支架發(fā)生傾倒的臨界角度，°；

f-支架所受的摩擦力，kN；

N-液壓支架繞力，kN；

H1-支架重心高度，m；

D-支架底座長(zhǎng)度，m；

L1-支架重心距底板的水平方向長(zhǎng)度，m；

μ-摩擦系數(shù)。

則可計(jì)算得到俯斜開(kāi)采時(shí)支架傾倒的臨界角度為26.89°。同理可得到仰斜開(kāi)采時(shí)支架傾倒的臨界角度為28.75°。

2.2 工作狀態(tài)下支架穩(wěn)定性

圖3為支架工作狀態(tài)下的力學(xué)模型示意圖。

圖3 支架工作狀態(tài)下的力學(xué)模型示意圖

對(duì)圖3（a）中的模型進(jìn)行分析，則當(dāng)支架受力達(dá)到平衡時(shí)，滿足公式（4）的要求：

由此可得支架傾倒的臨界條件：

式中：

f1-支架頂梁與頂板的摩擦力，kN；

Q-支架頂梁所受的力，kN；

其他符號(hào)同前。

對(duì)比公式（2）和公式（5）可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)支架處于工作狀態(tài)下，頂梁受到覆巖載荷的作用，則工作狀態(tài)下支架傾倒的臨界角要大于自由工作狀態(tài)下支架傾倒的臨界角，故處于工作狀態(tài)下支架不容易發(fā)生傾倒。

3 支架穩(wěn)定工作的影響因素分析

通過(guò)上述的分析可知，支架工作穩(wěn)定性的影響因素主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

（1）采場(chǎng)圍巖的地質(zhì)環(huán)境

這里的地質(zhì)環(huán)境指煤層傾角、支架底座與底板巖層間的摩擦性以及頂梁與覆巖的摩擦性。支架傾倒的臨界角隨著煤層傾角的增大而減小，說(shuō)明支架工作的穩(wěn)定性在降低。當(dāng)采場(chǎng)頂?shù)装迮c支架間的摩擦性增強(qiáng)時(shí)，臨界角增大，支架工作的穩(wěn)定性提高。

（2）設(shè)計(jì)支架尺寸

支架尺寸主要包括支架寬度、重心高度以及底座和頂梁的長(zhǎng)度等方面。

當(dāng)支架寬度較大時(shí)，意味著支架放置更為平穩(wěn)，工作穩(wěn)定性更高。但在礦井生產(chǎn)中，過(guò)大的支架寬度會(huì)影響開(kāi)采效率，故支架寬度應(yīng)該選一合理值。大采高條件下選擇支架寬度宜為2.05m，而普通采高下支架寬度選擇為1.5m即可滿足生產(chǎn)的需求。

支架支撐高度以及底座和頂梁的長(zhǎng)度均會(huì)影響支架重心位置。支架工作的穩(wěn)定性隨著支架重心的提高而降低。另一方面，當(dāng)工作面仰斜開(kāi)采和俯斜開(kāi)采時(shí)，支架重心的縱向位置對(duì)兩種情況下支架工作穩(wěn)定性的影響程度不同。故在煤層傾角以及開(kāi)采的方式不同時(shí)，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整支架重心位置。

當(dāng)支架重心位置不變時(shí)，底座和頂梁的長(zhǎng)度越大，支架工作的穩(wěn)定性越高。同時(shí)兩者長(zhǎng)度的選擇應(yīng)綜合考慮三機(jī)配套以及采場(chǎng)開(kāi)采的影響。

（3）其他重要因素

其他重要因素主要為銷軸空隙、工作面推進(jìn)速率以及覆巖完整性水平。

支架內(nèi)部的銷軸之間存在空隙，而空隙的大小某種程度上削弱支架的穩(wěn)定性水平。

當(dāng)工作面覆巖硬度較大時(shí)，如果推進(jìn)速率過(guò)快，則堅(jiān)硬頂板的突然垮落會(huì)對(duì)支架頂梁造成強(qiáng)烈的沖擊現(xiàn)象，從而降低頂梁工作的穩(wěn)定性，容易引起壓架等事故；當(dāng)工作面覆巖硬度較小時(shí)，頂板巖層幾乎隨采隨落，此時(shí)應(yīng)提高工作面的推進(jìn)速率，這樣可較大程度減小覆巖對(duì)支架的作用載荷，提高支架穩(wěn)定性水平。

覆巖完整性水平?jīng)Q定著支架與覆巖間接觸面的大小，當(dāng)覆巖完整性較低時(shí)，支架頂梁與覆巖無(wú)法充分接觸，則支架在覆巖載荷作用下容易受力不均勻，從而影響支撐特性的發(fā)揮。

4 支架失穩(wěn)的防治措施分析

通過(guò)上述對(duì)支架穩(wěn)定工作的影響因素進(jìn)行分析可得到支架失穩(wěn)的一系列防治措施。主要包括：

（1）優(yōu)化支架頂梁和底座的尺寸，在不同的開(kāi)采條件下適度調(diào)整支架重心的位置。

（2）不同的開(kāi)采條件下采場(chǎng)采動(dòng)引起的覆巖礦壓顯現(xiàn)不同，為了提高支架對(duì)覆巖運(yùn)移變形的控制程度，確定合理的支護(hù)強(qiáng)度和初撐力是必要的。

（3）當(dāng)煤層傾角較大時(shí)，可以增加支架的防滑防倒措施，從而提高支架的工作穩(wěn)定性。超靜定液壓支架的裝配特征如圖4所示。

圖4 超靜定液壓支架的裝配特征示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

在工作面開(kāi)采過(guò)程中，支架的工作穩(wěn)定性尤為重要。提高支架穩(wěn)定性可進(jìn)一步提升煤炭采出水平，延長(zhǎng)支架服務(wù)年限，利于礦井的可持續(xù)發(fā)展，故本文對(duì)超靜定液壓支架的穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)研究。主要結(jié)論如下：

（1）通過(guò)proE模塊的分析可得到支架的重心高度為3.7m，重心與支架底座末端在水平方向的距離為2.3m。

（2）俯斜開(kāi)采時(shí)支架傾倒的臨界角度為26.89°，仰斜開(kāi)采時(shí)支架傾倒的臨界角度為28.75°；當(dāng)支架處于工作狀態(tài)下，頂梁受到覆巖載荷的作用，則工作狀態(tài)下支架傾倒的臨界角要大于自由工作狀態(tài)下支架傾倒的臨界角，故處于工作狀態(tài)下支架不容易發(fā)生傾倒。

（3）支架工作穩(wěn)定性的影響因素包括：采場(chǎng)圍巖的地質(zhì)環(huán)境、設(shè)計(jì)支架尺寸、銷軸空隙、工作面推進(jìn)速率以及覆巖完整性水平等。