急倾斜工作面液压支架主动防倒防滑研究.pdf

2 0 1 1 年第7 期 中州煤炭 总第 1 8 7 期 急倾斜工作面液压支架主动防倒 防滑研究 孙远 方， 韩振 仙 ， 赵 琪 ， 孙 红发 郑州煤矿机械 集团股份有限公 司， 河 南 郑 州4 5 0 0 1 3 摘要 急倾斜煤层长壁工作面支架稳定性 的控制是煤层支护 系统稳定 与安全 以及高产 高效的关键。针对 新 疆焦煤 集 团 阜康一号井 4 5 。 倾角工作 面的地质条件 ， 将 新型的主 动防倒 防滑成功 应用到液压 支架 的设 计 中。分析 了支架发 生倾倒 时的受力 ， 认为确保支架使用稳定 的主要 因素是 较大 的支架底座宽度 以及较低 的 支架使用高度 和支架重心 ； 阐述 了主动防倒 防滑参数及结构设计 ， 为 同类产品的研发提供 了借鉴。 关键词 急倾斜工作面； 液压支架 ； 主动 防倒防滑 中图分类号 T D 3 5 5 ． 4 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 0 5 0 6 2 0 1 1 0 7 0 0 2 0 0 3 我国 2 5 。 以上大倾 角煤层 占有相 当大 的比例 ， 且结构复杂 ， 开采难度大， 安全性差 ， 经济效益欠佳 ， 是 煤炭 开采 的难点 ⋯ ； 煤 层倾 角 直 接影 响 到 长壁 工 作面支架稳定性， 由于国内大倾角煤层早期开采技 术发展较为缓慢 ， 主要 以炮采为主， 产量较低。对于 大倾角急倾斜煤层的开采必须采用防倒防滑型式支 架 。郑煤 机集 团股份有 限公 司针对新疆 焦煤 集 团 阜康一号井煤层 1 1 A 2 0 1 首采工作面 4 5 。 倾角的 地质条件 ， 将新型的主动防倒防滑设计成功应用到 Z F 5 6 0 0 ／ 1 7 ／ 3 5型液压 支架 的设计 中 。 1 主动式防倒防滑的概 念 目前大多数大倾角工作面支架采用的是被动式 防倒 防滑型式 ， 而对 主 动式 防倒 防 滑 型式 研 究得 很 少 。被动式防倒 防滑型式 ， 即在支架一旦 出现倾倒 或下滑后进行及时扶架。Z F 5 6 0 0 ／ 1 7 ／ 3 5型液压支 架 设计 采用 的是 主动 式 防倒 防 滑 ， 即主动 预 防 支架 的倾倒 、 滑动。它包括 2个方面 ①支架在静态时的 主动防倒防滑； ②支架在动态移架过程中的主动防 倒 防滑 。 2支架倾倒 的受力分析 随着倾 角 的增 大 ， 上 覆岩 层面 的切 向分 量增 大 ， 沿垂直 层 面的法 向分 量 减小 ， 顶底 板 沿层 面 的滑移 量加大， 使得工作面支架受到的垂直载荷较小， 而所 受侧向力却加大 ， 支架的稳定性变差 ， 从而导致支架 的下滑与倾倒 ， 造成安全隐患 。 收稿 日期 2 0 1 1 0 2 2 1 作者简介 孙远方 1 9 8 1 一 ， 男， 河南商丘 人 ， 助理工程 师， 2 0 0 6年 毕业于河南科技大学 ， 现从事液压支架研究设计工作。 2 O ， 如图 1所示 ， 取倾角为 的工作面的其 中 1台 支架为研究对象 ， 不考虑支架掩护梁上的矸石载荷 以及相邻上台支架的作用力 ， 下支架对该支架顶梁 侧护板有一向上 作用力为 R 。对底座下侧边 缘取 矩 ， 根据力 矩平衡 条件 ， 该支架 的倾倒 力矩 为 MDH Gs i n O t曰wRl ／ 2一BwGc o s o r ／ 2一 wR 2 ／ 2一M R 2 一 R s 日 1 式中， 日 为支架重心高度 ； B 为支架底座宽度 ； R i 为工 作 面底 板对 底座 的支撑 力 ； R 为 工作 面顶 板 与 支架顶板间的正压力 ； 日为支架采高 为支架顶梁 与工作面顶板间的摩擦 因数 ； R 为下邻架对本架顶 梁侧板的作用力。 图 1 支架临界倾倒状态受力 由式 1 可 知 当倾倒 力矩 M。 0时 ， 支架就 有 倾倒的可能。工作面倾角 O t 增大时 ， 。增大， 支架 倾倒的可能性随工作面倾 角增大而加大 ； 支架顶梁 受工作面顶板作用力 和受下邻架作用力 。 ， 可 减小倾倒力矩， 从而对支架稳定有利 。因此在大倾 角工 作 面支架设计 时 ， 要 求有 足够 的初撑力 ， 顶梁侧 推 千斤顶 有足够 的侧推 力 。 2 0 1 1 年 第 7期 孙 远 方等 急倾斜 工作 面液压 支 架主动 防倒 防滑研 究 总第 1 8 7期 图 2是该 套大倾 角工 作 面支架 三维设 计 中的实 例 ， 随 着倾角增 加 ， 其重 心偏离 支架底 座下 侧 的距离 也 相应增 加 ， 可直 观地看 出 ， 当支架 随工作 面倾 角增 大至 3 5 。 时 ， 支架 重心 位置 已脱离 底 座下侧 边 沿 6 2 0 mm， 若 没有必 要 的 防倒 防 滑 措施 ， 支 架 自由状 态 时 必倒 无疑 。 图 2支 架 在 3 5 。 倾 角 下 倾 倒 示 意 当支架 顶 梁 脱 离 顶 板 顶 板 冒空 或 者 降 架 移 架 ， 即R 0 ， 下邻架没有主动对该支架提供有效 的横 向支撑力 时 即 R 0 ， 此 时 ， 支架 的倾 倒 力 矩为 M。H Gs i n B w RI 一B w G c o s o t 2 从式 2 可知 支架 的采 高增 大 、 重 心高 度 H 增大 后 ， 倾倒 力矩 。 增 大 ， 支 架倾 倒 的可 能性 也 随 之增 大 。当对该 支架 底 座 下 侧边 沿 线 取 矩 、 处 于 临 界倾倒 状态 时 ， B R 。 ／ 2 0 ， 临界倾 倒力 矩 。为 B。 ， ， Gc o s O l MD H B G s i n 一 _一 3 由式 1 与 3 可知， 支架底座宽度 B 越宽 ， 支 架使用 高度 日 越 低 ， 支 架 重 心 日 越 低 ， 支 架 的临界倾 倒力矩 越小 ， 支架 使用 越稳定 。 3 主动防倒防滑参数及 结构设计 3 ． 1 四连 杆参数 的设计 与调 试 1 选择 合 理 的 四连 杆 参 数 ， 控 制 支 架 顶梁 双 扭线 的 变化 ≤3 5 m m ， 减 小连 杆 及 掩护 梁 的受 力 和弯矩 ， 控制 支架 的重心 变化 范 围 ， 提高 整架 的稳定 性 图 3 。 2 前 、 后 连杆设 计 为双 连 杆 ， 抗 弯矩 箱 型 足够 高 ， 抗偏载能力强， 支架稳定性好 ， 可靠性高。另外， 控 制 四连 杆与底 座 和 掩 护梁 、 顶 梁 与 掩护 梁 的铰 接 孑 L 的孑 L 、 轴 的配合 间 隙 不 大 于 1 m m， 以及 控 制 各 连 接耳 的横 向配合 间 隙单边不 大 于 4 m m。 3 4 3 ． 1二 1 ．1 6 f I1 『 最 商仨 出⋯X 1 ～ 3 7 顶 Y I掩 I 登 J E 点 f ， L 一 1 ． L 一 2 6 6 O ． L 4 l _ 一L 2 8 图 3支架四连杆 参数 3 ． 2 顶梁 、 掩 护梁侧 护板 设计 大倾 角支架 的顶 、 掩护 梁侧 护板 对支架 的封 矸 、 防倒 、 调架 起着 重要 的作用 ， 在设 计支 架 时应尽 量增 大侧推机构 的调架能力； 当支架有倒架趋势时， 侧调 机构还 可有 效地 对支 架扶正 ， 支架 移架 时 ， 顶 梁侧 护 板 还 可作为 支架 的导 向装置 。应 选用 大缸径 侧推 千 斤 顶 ， 并 采用 液压 单 向锁 控制 ； 顶 、 掩 护梁 侧 护 板 均 采用高强度板材料 ， 提高设计 强度 。在中间架顶梁 和掩护 梁上 的活动 式侧 护板 设 计 了缸 径 1 0 0 m m 的 侧 推千斤 顶 ， 顶梁 和掩护 梁共 布置 4个侧 推千 斤顶 ， 总 设计 推力 为 9 8 8 k N 。 整个 工 作 面 支架 通 过侧 护 板 和底 座 防 滑装 置 ， 使支架一架一架地靠在一起 ， 形成稳定的静止状态 ， 保持 和维 护支架 的稳 定 ， 从 而实 现 了支 架静 止状 态 的安全稳定工作 。 3 ． 3 防滑 底调装 置设计 移 架 过 程是 支 架倾 倒 下 滑控 制 的关 键 阶 段 ， 带 压移架是大倾角工作面主动式防倒防滑的一种重要 措 施 ； 带 压擦 顶移 架有 利于 防止破 碎直 接顶 冒漏 、 支 架 下滑 和 向下倾 倒 。移 架 时 ， 为 避 免工 作 面 相邻 支 架 的底座 间相 互 咬架 ， 相邻 底 座间 留有较 大 的间隙 ， 这样 ， 支 架具备 沿工 作 面下滑 的空 间 ， 底座 向下 滑动 将 引发该 支架 沿工作 面倾 倒 。因此支 架设 计必 须考 虑 防下滑 结构 ， 在底 座下侧 设计 可伸 缩防 滑梁结 构 ， 使上 台支架 底座 顶 靠在 下 台支 架 底座 上 ， 防止其 下 滑 ， 如 图 4所 示 。 防滑 底 调 装 置 由置 于支 架 底 座 内 的 2个 千 斤 顶 、 2个 导 向杆 和 1个 位 于 支 架底 座 侧 面 的 梯形 长 框 结构 防 滑 梁组 成 。底 调千 斤 顶选 用 1 4 0 m m 大 缸径 双 千斤顶 ， 增 大 调 底 力 9 2 3 ． 6 k N ； 底 调 梁 采 用分 体结 构 ， 两 片操 纵 阀单 独控制 ， 并 解决 了防滑梁 21 2 0 1 1 年第 7 期 中州煤炭 总第 1 8 7 期 单独 控制 的蹩卡 问题 ， 能更 好 地适 应 大 倾 角 复杂 工 况 。 图 4 整体 防滑梁结构 移架时， 由于大倾角 的存在 ， 上 台支架 向下倾 倒 ， 其结 果是上 台支架顶梁 的下侧 面顶靠 在相邻 下台支架的上侧面上 。 为 了既能防倒 ， 又能实现顺 利移 架 ， 采用 支架 活 动侧 护 板位 于支 架上 侧 面 的特 殊设计 ， 以满足大倾角支架顺利移架且 防倒的要求。 4 结 语 在工作面 向前 推进 的移 架过程 中的主动 防倒 防 滑设计 ， 保证 了移架过程 中支架不倾 倒 、 下滑或挤 死 ； 为了有效降低支架重 心 ， 结构设 计底座质 量尽量不小 于支架质量的2 5 ％ ， 以提高其稳定性； 工作面整体支 架需采用排头、 输送机架防滑， 中间架斜拉防倒等装 置； 液压控制系统采用邻架操作 ， 以增强其适应性。 参考 文献 - [ 1 ] 王国法． 液压支架技术 [ M] ． 北京 煤炭工业出版社， 1 9 9 9 ． 责任 编辑 刘欢欢 上接 第 1 6页 强化 区 范 围 的增 大 ， 钻 孔 的二 次 应力影响范围在减小 ， 切向应力峰值向孔壁靠近， 塑 性 区半径减小 ， 而应力峰值却逐渐增加。例如， 当强 度强化 区半径为钻孑 L 半径的 2 ． 0倍时， 切向应力峰 值 3 2 ． 8 1 MP a ， 塑性区半径为 3 ． 1倍的钻孔半径 ； 强 度 弱化 区半 径 为钻 孔 半径 的 5 ． 0倍 时 ， 切 向应力 峰 值 为 3 6 ． 6 6 N P a ， 塑性 区半径 为 2 ． 3 倍 的钻 孔半 径 。 通 过对 比可 以看 出 ， 随着 钻孔 围岩 强度 强化 区 范 围的增 加 ， 钻 f L z． 次 应力影 响范 围减小 ， 切 向应 力 峰值向孔壁靠近 ， 塑性区半径减小 ， 而应力峰值却在 逐渐 增加 。孔壁 径 向位 移 减 小 ， 钻孔 更 容 易达 到 稳 定平 衡状 态 。 4 结 论 采 用数 值模 拟 方法 得 到 的钻 孔 围岩 二次 弹 、 塑 性 分布特 征 ， 较 为准 确地 反 映 出钻孔 围岩 变形 破 坏 过程 ， 软弱 岩层 中钻 孔 的二 次 应力 影 响 范 围要 比坚 硬岩层 影 响范 围大 ， 切 向应力 峰值距 离孔 壁更远 ， 塑 性 区半径更 大 ， 软弱 岩层 中钻 孔 位移 量 明显大 于 坚 硬 岩层 ， 并 且在 钻孔孔 壁处 的径 向位移最 大 ， 向深 部 位移量逐渐减小。 随着 开采深 度 的增 大 ， 原 岩应 力场 、 钻 孔切 向应 力峰值 均成 正 比增 加 ， 钻 孔塑性 破坏 区范 围增加 ， 钻 孔径 向位移 急剧 增 加 。对 于 相 同力 学 强度 的岩层 ， 在浅 部时钻 孔处 于稳定 状态 ， 而在深 部时 ， 可能就 处 于非稳 定状 态 。塑性 圈半 径 与钻 孔 内压力 成 反 比， 钻孔 内压 力越大 ， 塑 性 圈半 径 越 小 ， 钻 孔 就越 稳 定 。 孔 壁径 向位移 随着钻孔 内压 力 的增 大而减 小 。随着 2 2 ． 钻 孔 围压 的增 大 ， 钻 孔 的 二次 应 力 影 响范 围反 而 减 小 ， 切向应力峰值距离孔壁更近 ， 应力峰值为 3 2 ． 9 0 MP a ， 基本保 持 不 变 。随 着 钻 孔 围 岩强 度 强 化 区范 围的增大， 钻f L z ． 次应力影响范围减小 ， 切 向应力峰 值 向孔壁靠 近 ， 塑性 区半 径减 小 ， 而应 力峰值 却在逐 渐 增加 。孔 壁径 向位 移 减 小 ， 钻 孔更 容 易达 到 稳定 平 衡状态 。 参 考文 献 [ 1 ] 袁亮． 深井巷道 围岩 控制理 论及 淮南矿 区工程 实践 [ M] ． 北 京 煤炭工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 赵奎． 矿山岩石力 学若干测试技 术及其分 析方法 [ M] ． 北京 冶金工业出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 3 ] 万志军 ， 赵 阳升， 董付科 ， 等． 高温及 三轴应 力下花岗岩力学特 性的实验研究 [ J ] ． 岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 8 1 7 2 _ 7 7 ． [ 4 ] 何满潮 ， 彭 涛． 高应 力软岩 的工程 地质 特征及 变形力学 机制 [ J ] ． 矿山压力与顶板管理， 1 9 9 5 2 6 - 1 2 ． [ 5 ] 高延法， 张庆松． 矿山岩石力学 [ M] ． 徐 州 中国矿业 大学 出版 社 ， 2 0 0 0 ． [ 6 ] 孙广忠． 岩体结构力学[ M] ． 北京 科学出版社 ， 1 9 8 8 ． [ 7 ] 梁利喜 ， 许强 ， 刘 向君． 基于极 限平衡 理论定 量评价井壁稳 定 性 [ J ] ． 石油钻探技术 ， 2 0 0 6 2 1 5 1 7 ． [ 8 ] 靖洪文 ， 李元海 ， 许 国安 ． 深埋巷道 围岩稳定性 分析与控制 技 术研究[ J ] ． 岩土力学 ， 2 0 0 5 6 8 7 7 - 8 8 0 ． [ 9 ] 郑雨天． 岩石力学 的弹塑性黏性 理论基础 [ M] ． 北京 煤炭 工 业 出 版社 ， 1 9 8 8 ． [ 1 0 ]张农． 巷道滞后注浆 围岩 控制理论 与实践 [ M] ． 徐州 中国矿 业大学 出版社 ． 2 0 0 4 ． [ 1 1 ]王振 ， 梁运培 ， 金洪伟． 防突钻孔失稳 的力学条件分析 [ J ] ． 采 矿与安全工程学报 ， 2 0 0 8 ， 1 2 4 4 4 4 ． 4 4 8 ． 责任编辑 刘光 雨