大倾角仰(俯)采工作面支架失稳机理及控制技术

2.3 工作面液压支架力学分析
2.3.1 大倾角综采工作面倾向支架力学分析 （1）支架自由状态力学分析 大倾角工作面，由于支架的自重分量及施加于顶梁上的推力（重力分力）等作用，支架 在工作过程中常会出现沿倾向（支架横向）下滑和倾倒现象。为推导方便，略去工作面输送 机与采煤机及邻架对支架下滑的影响， 单个支架自由状态在工作面的状态可简化为图 1 所示 的力学模型[1]。
（5）
Gh + G 2 h2 + G 2b2 − 4 R122 µ 2 h 2 − 8R122 µbh − 4 R122b2 + b 2 ) 2R12b − Gb + 2 R12 µ h
（6）
f 21 + f 22 = G sin(α ) R 21 = G cos(α ) + R 22 f 21 = µ R 21 R 22b + f 22 h + Gb cos(α ) − Gh sin(α ) − R21b = 0 2 2 2 2
2 液压支架失稳机理分析
2.1 支架技术参数
E1108 工作面设计选用的支架为 ZZ7600/18/38 型支撑掩护式支架，该型号支架具体技 术参数见表 1。
表 1液压支架技术参数 Tab.1 Technical parameters of hydraulic support 型号 支撑高度 支护宽度 中心距 初撑力 工作阻力 支护强度 对底板比压 适应煤层倾角 质量 -1ZZ7600/18/38 型支撑掩护式支 架 1.8-3.8m 1.43-1.60m 1.5m 6185.2KN 7600KN 1.067MPa 2.06MPa ≤35° 约 24.8t
h/2
R21 L
axa(来自) 俯采倾倒模型(b) 俯采滑移模型
h
h
x
h/2
f21
G
h/2
f21 R21
G
R21
图 3 工作面走向支架自由状态力学模型 Fig3. Mechanical model of free-free support at mining coal face’s orientation
中国科技论文在线
泵站压力 操作方式 31.5MP 本架操作

2.2 工作面“支架——围岩”关系分析
煤层倾角是影响采场矿山压力的主要因素之一。 大倾角工作面的顶板不仅受支承压力的 作用而变形破坏，而且受倾斜方向重力分力的作用。因此，大倾角煤层的顶板不是沿法向移 动，而是沿一条逐渐接近重力作用方向的曲线移动，顶板越不稳定，其移动曲线偏离法线越 远。顶板移动的法线分量对支架产生垂直作用力，有利于支架的稳定。顶板移动的切向分量 对支架产生侧向力， 导致支架倾倒。 顶板运动方向与煤层法向夹角的变化对支架抗倒能力的 影响是显著的。 顶板运动轨迹对支架的滑动稳定性影响也很大。 如果顶板运动一开始就完全 沿重力方向，对于倾角达到 45°的煤层，支架的抗滑能力都很小[1-3]。 大倾角开采过程中，沿煤层倾斜方向，顶板的破坏呈“马鞍型”分布，其中工作面上端 的顶板破坏区高度和范围都大于下部。大倾角开采除了与一般工作面开采中遇到的难题外， 还在以下两方面影响支架的稳定性： （1）顶板在工作面倾向方向上各个位置受力的不同导致了顶板的破碎程度不同，支架上 方顶板移动会影响相邻支架上方顶板的状态，进而影响相邻支架的受力状态与稳定性； （2）在工作面向前推进过程中，由于工作面倾角大，支架降架前移时，会因失去支撑点 而偏斜或倾倒[4-5]。
(b) 支架滑移模型
中国科技论文在线
b × cos α =
化简得：

h2 + b2 × cos(90 − 2α ) 2
（1）
式中：h、b－支架高、宽，(m)；α－煤层倾角，（°）。
α = arctan( )
支架下滑的临界状态要求：
b h
（2）
f = G sin(α )
h 2 G sin(α ) × − G cos(α ) × L = 0 2 3
化简得：
（9）
16G 2 L2 − 36 F 2 L2 + 9G 2 h 2 + 3Gh α = −2 arctan( ) 6 FL − 4GL
式中：F－煤壁对支架的支撑力，kN；
（10）
x
x
h
h
G
f21
G
f21 R21
h/2
摘要：本文以新集二矿 E1108 大倾角仰（俯）采工作面的复杂地质条件为背景，通过对大 倾角仰（俯）采状态下的液压支架进行力学分析，得出支架在大倾角、仰采、俯采时的失稳 临界角及临界支护阻力， 据此提出支架的稳定性控制措施。 分析结果为 E1108 大倾角仰 （俯） 采工作面有效合理地支护、安全高效地回采、提供了科学依据。 关键词：大倾角仰（俯）采工作面；液压支架；失稳机理；防倒防滑技术 中图分类号：TD823
中国科技论文在线

大倾角仰（俯）采工作面支架失稳机理及控制技术
温耀军,王晓溪，金志远，张弛，程敬义
中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，矿业工程学院，江苏徐州（ 2 2 1 0 0 8 ）
E-mail：w y j 2 0 0 6 0 9 0 4 @ 1 6 3 . c o m
1 工程概况
E1108 工作面位于新集二矿-550m 开采水平东翼采区，井下标高-464.9~-607.0m，工作 面走向长度 944~935m，平均 940m，倾斜长度拐点以里为 110m，拐点以外 127m。工作面 开采煤层为 11-2 煤，煤层为三层煤两层夹矸的结构，厚度 2.2~3.6m，平均厚度 2.83m。煤 层直接顶为泥岩，老顶岩层由下向上依次为细砂岩、薄煤层、泥岩、砂质泥岩等，煤层直接 底为泥岩，老底是细砂岩。煤层倾角 10~45°，平均 37°，属于大倾角工作面。煤层褶曲发 育， 在走向上缓波状起伏， 沿煤层走向呈锅底状。 工作面里段呈伪俯采、 外段呈伪仰采开采， 最大俯采角度达 42°，最大仰采角度 25°。工作面倾向角度和走向角度的增大对工作面安全 回采及保证回采产量带来了较大影响。
（3）
其中 f = µ × G cos(α ) 化简得：
α = arctan( µ )
（4）
式中：μ－支架与顶底板间的摩擦系数。 由上式可知，当煤层倾角 α 增大时，由于煤层采高为一定值，此时只有增大 b（支架宽 度）才能保证支架处于倾倒临界状态。由此可知，增大支架宽度有利于支架本身的稳定。支 架下滑临界角主要取决于底板与支架之间的摩擦系数。 实际工作面开采中，煤层底板为岩石或煤其变形较大，不能当成刚体来研究。实际当中 支架临界状态要求支架宽度 b 更大一些， 上式中得到的 b 的下限比实际工作面开采的支架失 稳下限小，即大倾角工作面支架的稳定则要求支架宽度更高。在现场支架选型中，液压支架 宽度受到很多开采条件及支架技术条件的限制。 如何增加支架宽度以保证支架的稳定性成为 一个难题。 单个支架的稳定性受到了支架宽度的限制， 单纯的增加支架宽度来保证支架本身的稳定 性已不太可能。但工作面的支架实际是一个整体，各支架联系较为紧密，若将工作面支架底 座连在一起则大幅增加了支架的稳定性。 以两个支架为例， 如将两个支架连在一起看做一个 支架，煤层采高 h 不变，而支架宽度则增大了一倍，其稳定性也得到了大幅提高。同时各个 支架连在一起使整个工作面支架摩擦力受力较为均匀，不会出现局部抗滑性能不好的支架 （与底板软硬，湿度程度有关）产生局部下滑，从而对其下方支架产生一个动载而影响整个 工作面的支架的稳定。 由以上分析可知， 将工作面支架底座连在一起有利于支架的防滑防倒。 由开采条件： 采高 h 为 2.8 m，支架宽度 b 为 1.5 m，，金属与煤层摩擦系数在 0.35～0.4 之间，计算中 μ 较保守地取 0.3。μ 取 0.3 时支架在自由状态煤层临界倾倒角度为 28.2°，临 界滑移角为 16.7°。 （2）支架工作状态力学分析 以上分析只考虑了支架在自由状态的稳定性， 在工作面开采过程中， 顶板的垮落对支架 的压力也是影响工作面特别是大倾角工作面支架稳定性的重要因素。 工作状态下支架力学模 型如图 2 所示。
-3-
中国科技论文在线
R12
f12
12

R22 f22
G
G
h
对支架受顶板压力时力学模型进行分析可得： ① 支架倾倒模型如图 2-a 所示：
化简得：
α = 2arctan(
式中：
G－支架重量，(kN)； R12——初撑力、工作阻力，(kN)； 由上式可知，增加支架宽度 b 和减小支架高度 h（采高），支架工作状态的临界倾角随 之变大，有利于工作面支架的稳定。其形式和规律与支架在自由状态一致，在支架防滑防倒 方面采取同样的措施即增加支架底调使得支架稳定性得到提高。将采高（h=2.8 m），支架 宽度（b=1.5 m），支架重量（G=260 kN），初撑力或工作阻力（R12=5700、7600 kN）带入 上式可知，在此条件下，支架不会倾倒。 支架在工作状态（最大倾角 45°）支架不倾倒最小支撑力为 51 kN。 ② 支架下滑模型临界状态如图 2-b 所示：

俯角小于 43°时支架能自动平衡，工作面煤层的俯角角度小于此临界值，故支架在俯采自由
f 21 + F = G sin(α ) R 21 = G cos(α ) f 21 = µ R 21
得：
（11）
α = 2 arctan(
G + G 2µ 2 + G2 − F 2 ) F − Gµ
b
b
G
G
支架处于自由状态时， 将支架与煤层底板当成刚体来分析， 当重心与图 1 中支架最低点 的连线与水平线垂直时，支架处于倾倒失稳的临界状态时：
-2-
h
h
f
R
图 1 自由状态下支架力学模型 Fig1. Mechanical model of free-free support
R
f
a
a
(a) 支架倾倒模型
代入工作面开采条件（初撑力或工作阻力 R12=5700、7600 kN）并令 F=0，可见当煤壁 对支架前探梁（护帮板）力很小或为零时，支架自由状态下临界倾倒俯角为 43°。即工作面
-5-
a
a
(c) 仰采倾倒模型
(d) 仰采滑移模型
中国科技论文在线
状态时不会发生倾倒。 （2）俯采支架自由状态滑移模型临界状态如图 3-b 所示：
h
f11
R11
f21 R21 b
a
(a) 支架倾倒模型
a
(b) 支架滑移模型
图 2 工作状态下支架力学模型 Fig2. Mechanical model of working state support
f 11 + f 12 = G sin(α ) R11 = G cos(α ) + R12 f 12 = µ R12 R12b + f 12 h + Gb cos(α ) − Gh sin(α ) = 0 2 2
（7）
得：
G + G 2 µ 2 + G 2 − 4R22 2 µ 2 α = 2arctan( ) 2R22 µ − Gµ
（8）
当支架处于初撑状态时， R22 为初撑力，当支架处于工作状态时，R22 为工作阻力。将
-4-
中国科技论文在线

采高，支架宽度，支架重量，初撑力或工作阻力（R12）带入上式可知，在此条件下，支架 不会滑移和倾倒。但工作面开采后，顶板岩层垮落可能造成工作面支架局部应力集中，此时 水平应力会大幅增大， 发生支架滑移和倾倒可能性较大。 由计算得支架在工作状态控制支架 不产生滑移所需最小支撑力为 214 kN。 2.3.2 大倾角综采工作面支架走向力学分析 支架工作面走向自由状态力学分析：煤层开采分仰采和俯采，建立支架（走向）自由状 态力学模型如图 3 所示，图中重心 G 作用的位置距支架底部距离 x 取 L/3。 （1）俯采支架自由状态倾倒模型如图 3-a 所示：
（12）
代入工作面开采条件（初撑力或工作阻力 R12=5700、7600 kN）并令 F=0（可见当煤壁 对支架前探梁、护帮板力很小或为零时），支架自由状态下临界滑移角为 16.7°。代入实际 支架参数可知，支架自由状态下，煤层倾角 42°时，支架不滑移要求 F（煤壁对支架的力） 最小值为 113.7kN。 （3）仰采支架自由状态倾倒模型如图 3-c 所示：