大采高液压支架稳定性及其控制技术.doc

2.3.4 大采高液压支架稳定性及其控制技术 综采工作面支架一围岩事故包含顶板事故、片帮事故、支架事故和底板事故，其中顶板事故和大采高液压支架稳定性事故是支架一围岩事故的主体和影响高产高效的关键问题。 综采工作面支架一围岩系统随着工作面的向前推进而处于动态的不断变化的相互作用过程中，再加上地质条件差异和支架可靠性等问题，支架接顶点到煤壁的无支护空间及相邻支架间的悬露顶板就可能出现破坏而冒落。大采高综采工作面由于采高大，容易出现煤壁大面积片帮，片帮后端面距加大，顶板失去煤壁支撑，常常造成冒顶事故，冒顶时岩块落人综采工作面工作空间内会严重影响生产的正常进行和矿工的人身安全，冒顶还会加剧工作面装备的磨损和老化，尤其是液压支架的受力状态会急剧恶化，甚至出现严重损坏。端面直接顶岩体破坏冒落不仅会迫使液压支架的平衡千斤顶被拉坏和顶梁抬头，而且还会导致液压支架立柱、顶梁、护帮等构件出现严重损坏。支架顶梁上方的冒顶洞穴和破碎顶板使支架上部失去约束，再加上生产地质条件复杂和操作控制不当还会使支架出现顶梁台阶、倾倒甚至大规模倒架事故，为避免端面冒顶后支架一围岩关系恶化及直接顶进一步冒落和液压支架严重损坏，工作面往往要停产处理冒顶。处理冒顶作业不仅十分危险和困难，消耗大量坑木和导致吨煤成本增加，而且停产时间过长还会引发更大的冒顶和支架事故。 我国许多大采高工作面都曾发生过此类事故。如，由于支架初撑力过低和接顶状况差导致顶板离层破碎，尤其是在沿走向300m的断层区内冒顶严重，支架顶梁不接顶且上翘，平衡千斤顶大量折断损坏；工作面出现严重冒顶和支架倾倒歪扭现象，支架四连杆中的前连杆销轴弯曲破坏，后连杆筋板焊缝开裂；工作面生产地质条件复杂且冒顶严重，支架平衡千斤顶大量损坏甚至出现大规模倒架事故。 一、大采高液压支架稳定性事故分类 大采高综采支架结构高度大、液压支架重型化，导致工作面支架一围岩系统控制困难，尤其是大采高液压支架的稳定性问题难以解决。侧面空间活动性大和自身稳定性差，在现场生产过程中易发生高架稳定性事故。 根据大采高支架在井下的生产实践，大采高支架稳定性问题可分为两大类，即横向稳定性和纵向稳定性。在不同的开采方式、生产技术条件下，两类稳定性问题表现各不相同。 （1）横向不稳定，是指高架顶梁相对底座偏离原横向设计位置。有以下三种具体情形①顶梁与底座发生相对角位移，即高架在走向方向上歪扭，属横向歪扭；②顶梁与底座发生相对线位移，即高架沿倾向倾倒，属横向倾倒；③顶梁平面相对底座平面有一横向夹角，顶梁与底座不平行。 （2）纵向不稳定，是指高架顶梁相对底座偏离原纵向设计位置。有以下三种具体情形①支架向煤壁方向倾倒；②支架向采空区方向倾倒；③顶梁平面与底座平面不平行，存在一个纵向夹角。其中前两种情况为支架纵向倾倒，而顶梁平面与底座平面有一纵向夹角。又有三种情况①顶梁平面沿走向偏离底座平面一个角度，即顶梁俯仰角；②底座前部下陷，底座前倾一个角度；③底座整体上翘一个角度。 由上述可见，大采高液压支架稳定性问题是一个空间问题，由此决定了大采高液压支架的稳定性属三维稳定性问题。 二、高架倾倒的特征及力学模型 一高架倾倒的特征与影响因素 高架倾倒是大采高液压支架横向不稳定的主要表现形式，它是指高架顶梁与底座发生相对线位移时，高架沿倾向偏离煤层法线方向，即高架沿倾向倾倒。现场观测表明，高架倾倒在大采高综采工作面表现为向上或向下倾倒两种形式，两者均占一定的比例。衡量高架倾倒程度的指标为高架立柱偏离工作面底板法线方向的角度，简称立柱横向倾倒角。 高架倾倒受众多因素的影响，诸因素有时单独作用，有时交织在一起，使高架倾倒问题更加复杂。 1．倾角的影响 在有倾角的工作面，支架在其重力沿倾斜向下分力的作用下，有下滑的可能。生产实践表明，在支架正常支设状态下，由于支架立柱支撑力的作用，支架与顶、底板间摩擦阻力较大，一般不会发生下滑。支架的下滑往往发生在立柱支撑力小或无支撑力时，如发生在支架上方顶板冒空或移架过程中。 由于支架顶梁间排列较密，相互间还有顶梁侧护板的约束作用，而支架底座间间隙较大，这就导致支架的下滑主要是底座的下滑，因而支架的下滑有引发支架向上倾倒的趋势。 2．采高的影响 大采高综采工作面采高较大，支架支撑高度相应较大，重量也增大，支架重心高度较高，而支架底座宽度变化很小或不变，这些都使其自稳性变差，稳定性明显下降。 3．顶、底板状况的影响 中等稳定以下顶板的裂隙非常发育，顶板在下沉的同时，往往还伴有微量的向下倾斜移动，这往往会带动顶梁也向下偏斜，促使支架在一定程度上向下倾倒。当发生顶板漏冒时，支架的上方就会形成空顶，支架就失去了顶板约束，对支架稳定性不利。 顶、底板的平整程度直接关系到支架顶梁的接顶及底座的接底状况。当顶板不平时，顶梁受力不均，支架顶梁间易出现台阶，引发支架咬架、倾倒；当底板不平时，支架底座受力不均，底座可能损坏，立柱工作阻力亦可能不均匀，易使支架出现倒架事故。 另外，当顶、底板光滑或顶、底板有淋水时，顶、底板的摩擦性能会大大降低，对防止支架倾倒不利。 4．高架在工作面位置的影响 支架之间相互的侧向约束，对制约高架倾倒的发展具有重要的作用。工作面中部的支架排列紧密，相互间具有较强的侧向约束，稳定性较好；而在工作面两端头，当端头支护使用单体支柱加顶梁的方式时，工作面两端头的高架都有一侧为没有约束的自由空间，所以两端头的高架稳定性较低，上端头支架易发生向上倾倒，下端头支架易发生向下倾倒。 大采高综采工作面一次采高较大，而回采巷道的高度较工作面采高要低，这样就必然存在一个由工作面正常采高到回采巷道的过渡段。在这一过渡段，顶底板不再平行，上过渡段底面倾角变大，下过渡段底面倾角变小，上、下过渡段底面倾角的异常易使支架沿倾向出现不正常的几何位态。 另外，高架撑力、高架结构特性、支架推拉杆方位角和操作管理水平等因素也与高架的倾倒有关。 二高架倾倒的力学模型与控制条件 1．顶板冒空条件下支架倾倒的控制条件 对于支架倾倒来说，顶板冒漏的极限状态是支架顶梁上方出现空顶和失去顶板约束。支架稳定性能体现为支架自稳性，如图2.322所示。 图2.322 顶板冒空条件下支架倾倒的力学模型 为支架重力，kN；为底板对支架底座的正压力，kN；为煤层倾角，（o）；为支架底座与底板间的摩擦系数；为支架实际支撑高度，m；为支架重心高度，m；为支架底座宽度，m。考虑到支架相对于其底座下侧边缘点处于翻倒状态时的力臂趋于零，可得支架出现下滑的煤层倾角最小值及向下翻倒的煤层倾角最小值为 令顶板冒空条件下支架出现下滑或翻倒引发支架倾倒的煤层倾角最小值为，则相应的倾倒控制条件为煤层倾角实际值，为和中的较小值，即 2．移架过程中支架倾倒的控制条件 移架过程是支架倾倒控制的关键时期，此处不再考虑顶板冒空。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，但移架过程中支架残余支撑力过大不利于支架可靠、快速地前移。图2.323a中，为移架过程中单根立柱的残余支撑力，kN；为顶板对顶梁的正压力，kN；为顶板作用于顶梁的沿走向的实际水平力，kN；为平衡千斤顶作用力，kN；1为支架拉架力，kN；为立柱与底板法线的夹角，o；为顶梁的后铰点；为支架前连杆与后连杆的交点。 防止移架过程中破碎直接顶冒漏对支架倾倒产生不利影响的最低支护要求，是支架擦顶前移，一般不允许支架顶梁与顶板脱离接触。现场实际移架操作时往往先将移架千斤顶控制阀打开，再将支架适度卸载后前移。保障支架擦顶前移的最低支护要求为 式中 支架擦顶前移过程中需承受的最小顶板载荷，kN。 则保障支架擦顶前移的立柱残余支撑力最小值 式中 顶梁重力，kN； 对点的力臂，m； 顶梁和掩护梁重力对点的力臂，m； 防止支架下滑需满足的最低支护要求为∑，得防止支架下滑的立柱残余支撑力最小值 （a） （b） 图2.3-23 移架过程中支架倾倒的力学模型 a走向剖面；b倾向剖面 现场实测和调研表明，顶梁接顶条件下的支架翻倒，不同于顶板冒空条件下支架整体向下翻倒。移架过程中支架受向下倾倒力矩的作用，会使顶梁沿倾向偏移和歪扭。当顶梁偏移和歪扭随工作面推进累积到一定程度时，会使支架承载能力下降和可能出现支架构件损坏，并最终导致支架严重倾倒。支架立柱与底座、顶梁之间采用球面柱窝和销子连接，而掩护梁和四连杆机构与底座和顶梁之间沿倾向连接刚性较大，因此支架倾倒时立柱能出现相应倾倒角度而不易损坏，却有（支架初撑后受较大顶板载荷作用时）掩护梁和四连杆焊缝开裂及连接销轴破断现象。 为了将支架倾倒事故消灭在萌芽状态，取图2.323b中支架为脱离体，防止支架相对点发生向下翻倒的最低支护条件为Σ。考虑到支架处于向下翻倒状态时，的力臂趋于零，的力臂值可能增大，但从安全和简化分析出发仍取为，则可得防止支架向下翻倒的立柱残余支撑力最小值 记为带压移架过程中防止支架倾倒的立柱残余支撑力最小值，则相应的倾倒控制条件为移架过程中支架卸载后立柱实际残余支撑力。为、和中的最大值，即， min（，，）。 3．大采高液压支架倾倒控制实例 邢台东庞煤矿自1986年以来，采用国产BY3200／23／45和BY3600／25／50型二柱掩护式液压支架开采厚4m5m的2煤，取得了显著的技术经济效益，但支架倾倒和顶板冒漏事故使矿井生产起伏波动和经济损失很大，有4个综采面发生了极为严重的倒架事故。通过对大采高综采面液压支架倾倒特征与控制条件的研究后，液压支架运行可靠性和顶板控制技术水平明显提高，2705面月产煤炭由原先的13万t／月提高到21万t／月24万t／月，基本消除了恶性倒架和冒顶事故。 对于2705综采面在顶板冒空条件下BY3600／25／50型支架倾倒控制条件，1.5m，取为支架最大支撑高度5.0m，2.5m， 0.20.3 （实际值可能受底板平整程度、浮煤浮矸、淋水等因素的影响），则11.3o16.7o。顶板冒漏使支架失去上部约束和减小，对支架倾倒控制极为不利，因而防止支架倾倒首先应严格控制顶板冒漏。2705工作面煤层平均倾角13.5o，机尾变坡段最大倾角可达26o，当顶板冒漏条件时，应有效发挥相邻支架对冒顶区支架的侧向约束作用，还可安设防倒防滑装置，出现倒架征兆时，应采用支架侧护千斤顶、底调千斤顶或单体液压支柱及时调整支架位态。 对于2705综采面在移架过程中支架倾倒控制条件，根据生产地质条件和BY3600／25／50型支架结构参数，值为77kN136kN。在移架过程中，应采用有关仪器保证支架卸载后立柱实际残余支撑力。 三高架倾倒的控制 控制高架倾倒，应从控制引发高架倾倒的各影响因素人手，通过综合运用各种措施来进行。控制高架倾倒要坚持以“防”为主，以“调”为辅的原则，切实施行各种有效措施，把影响高架倾倒的因素消灭在萌芽状态。 1．高架结构设计的优化与完善 高架结构设计的优化与完善主要从以下几个方面人手减小结构件的装配间隙；降低支架重心高度；适当加大底座宽度，在结构允许的条件下，适当加大底座对底板的接触面积；完善支架的底调装置和侧护装置，配置能力足够的底调千斤顶；优化立柱与底座的联结构件；保证结构件足够的强度；完善支架的防倒、防滑装置。 2．防止输送机、支架的下滑与上窜 从工作面输送机头开始每隔一定距离安装一组防滑装置，分别固定在支架的底座和输送机溜槽底挡板上，以防输送机下滑。把工作面调成伪斜，选择合适的伪斜角，使支架、输送机处于动态平衡中。在工作面倾角较大时，要防止支架下滑，要尽可能采取带压移架。 3．防止顶板冒落 及时支护工作面新暴露的顶板，要严格防止顶板冒落。对较难管理的复合顶板，更要对下位软岩层进行及时有效的支护，防止其发生离层断裂。在拉架移架后，必须升紧支架，使其达到规定的初撑力。 4．提高操作、管理支架的水平及采煤工艺水平 主要加强以下几个方面的管理工作严防采高超高；及时维修支架，保证支护有效；使用好防倒、防滑装置；及时调整支架；保持良好的移架顺序；割平顶、底板，使其保持平整。 5．支架倾倒的调架 支架倾倒的调架措施主要有采用支架侧护板调架，此法适用于支架倾倒轻微时；采用防倒锚固或单体液压支柱调架；采用单体液压支柱吊架调整。 三、高架顶梁俯仰及控制 顶梁俯仰是高架纵向稳定性的主要问题，它是指高架顶梁平面沿走向方向偏离底座平面，这个偏离的角度称顶梁俯仰角，亦称顶梁低头、抬头角。高架顶梁俯仰与直接顶稳定性相互影响，此外还受支架本身结构及操作等因素的影响。 一支架外载合力作用位置的影响 由于煤层地质条件、围岩条件的不同，支架外载合力作用位置是多变的，具体可分为外载合力作用位置前移、后移两种。 在稳定顶板条件下，当基本顶来压、顶板在采空区悬而不垮或支架掩护梁坡度过缓造成支架后部压力过大时，均可造成顶板合力位置后移。顶板合力位置后移时相应地要求支架应具有较高的支撑切顶能力，一旦支架不能满足此条件时，便需迫使支架抬头来适应。 切顶线前移、煤体片帮和煤壁位置前移等均可造成顶板合力作用点前移。顶板合力作用点前移相应地要求支架应具有较高的梁端支撑力，一旦支架不能满足要求，便迫使支架低头来适应。 二顶板状态的影响 支架外载合力位置前移时平衡千斤顶就进入下腔工作区，即外载造成的力矩不能大于平衡千斤顶的额定压力的平衡能力，否则平衡千斤顶泄液，顶梁低头；外载合力作用位置后移时，平衡千斤顶就进入上腔工作区，即外载造成的力矩不能大于平衡千斤顶的额定拉力的平衡能力，否则顶梁抬头。所以平衡千斤顶具有调整支架作用于顶板的支撑合力位置和大小的功能，但完全依靠平衡千斤顶来调整支撑合力位置是困难的，仍要靠顶板的反力来调整合力作用位置，以适应外载合力作用位置的多变。 要使顶板反力能够发挥作用，就要保证顶板保持良好的状态。若在支架立柱前方区域顶板冒空而使支架得不到应有的附加反力时，顶梁将不断抬头；若支架后部顶板冒空而使顶梁得不到应有的附加反力，顶梁将不断低头。由此可见，保持顶板良好的状态，对产生相应附加反力，从而避免顶梁出现低、抬头是具有重要意义的。 三高架顶梁俯仰的特性 现场观测及模拟实验表明，当高架顶梁存在一个俯、仰角时，对工作面直接顶的稳定性，尤其是对端面直接顶的稳定性影响较大。研究表明，要维护端面顶板的稳定，不仅需要支架提供足够的垂直支撑力，需要支架提供足够的有利于顶板稳定的水平方向支护力，而且要求端面距不能超出一定的范围。 当顶梁抬头时，随抬头角的增大，高架支承力递减，高架支承力作用点向煤壁方向移动，但变化较小，支架的整体承载力减弱，不利于顶板的控制。当顶梁抬头角超过10o时，支架对顶板的水平支护合力方向指向采空区，使端面顶板受拉而使其更加破碎和易冒落。当顶梁低头时，随低头角的增大，高架支承力递增，但高架支承力作用点较大幅度向采空区方向移动。因此，高架顶梁低头时，虽然高架支承力有所增大，但力的作用点后移很多，造成端面距增大，有可能超过临界端面距而引发端面冒顶。 四高架顶梁俯仰的控制 高架顶梁俯仰是高架纵向稳定性的主要问题，对工作面顶板控制效果影响很大。大采高综采工作面支架顶梁俯仰工况是高架自身支护性能、操作因素、顶底板平整性和破坏、冒顶状况及在此条件下顶板压力共同作用的结果。在现场生产实践中两柱掩护式支架（平衡千斤顶保持支架整体结构稳定性和具有调整顶梁俯仰角功能）的顶梁俯仰控制问题尤为突出。控制高架顶梁俯仰的主要措施是平衡千斤顶的优化设计、合理操作平衡千斤顶和支架、保持顶底板平整性及防止顶板破坏冒漏。 四、大采高支架的配套及发展 目前使用的大采高支架主要有四柱支撑掩护式支架，如BC型；两柱支顶式掩护支架，如BY型；两柱支掩式掩护支架，如ZY型等。大采高液压支架应在以下方面得到进一步改进 1进一步提高大采高液压支架的初撑力和工作阻力； 2控制大采高工作面的煤壁片帮； 3通过适当增大底座面积、降低支架重心、加大两立柱中心距、改善防倒防滑装置等措施，增加大采高液压支架的稳定性。 随着大采高综采技术的不断发展，大采高液压支架工作阻力不断增大，最大已达两柱7200kN和四柱10000kN。支架宽度仍为1．5m，最近已出现宽度1．75m～2．00m的支架。为了减小重量、提高可靠性，支架制造已普遍采用屈服强度达800MPa～1 000MPa的高强度合金钢板，如中炭硅锰钼合金钢等，并经热处理调质，既有较高的强度和硬度，又具有良好的冷焊性能。 五、大采高工作面端头支护 一大采高工作面端头支护特点 合理有效的端头支护是大采高工作面实现高产高效的必要条件。与一般综采工作面相比，大采高工作面端头支护具有以下特点 1配套设备尺寸大，要求的巷道断面大，因此端头压力一般较大，顶板变形量大，采动压力影响突出； 2巷道高度大，端头超前支护要求高，难度大，顶板事故处理困难； 3端头处巷道高度往往小于工作面采高，因此端头与工作面过渡处的支护尤为困难。 由此可见，大采高工作面的端头支护是十分困难的。 二端头支架的作用和要求 大采高工作面端头支架的主要作用是 1支护工作面端头部围岩； 2推移工作面刮板输送机机头和机尾，同时要推移平巷转载机； 3保证工作面端部的安全出口； 4协调工作面输送机、转载机、基本支架等相关设备间的配套关系。 根据大采高工作面端头支护的特点，要求端头支架应具有以下技术特征 1有足够的支护强度，其支护强度一般应等于或略小于工作面基本支架； 2有容纳输送机、转载机的足够空间和畅通的人行通道； 3有足够的推拉力，能够顺利推移输送机机头（机尾）和转载机、破碎机等平巷移动设备，并顺利自移； 4能有效支护端头部巷道顶板，并应能满足采煤机割透底部三角煤和顶煤的要求，顶梁一般应设伸缩梁或挑梁； 5应有足够的纵向和横向稳定性，一般应有防倒防滑和调架装置，特别是倾斜煤层端头支架，应成为工作面支架稳定的基础。 三端头支护形式和端头支架的选择 巷道断面形状、尺寸和工作面配套运输设备的形式是决定端头支护形式和端头支架选择的主要因素。对于弧形断面巷道，一般应超前20m替棚，并应超前50m采用单体支柱支护；对于梯形断面巷道，如果采用钢梁支护，一般应提前20m用木梯棚把钢棚替出，并用两排铰接顶梁，一梁两柱加强支护；对于采用锚杆支护的梯形巷道，一般需提前20m～50m，采用单体支柱加强支护。在有条件的工作面应大力推广梯形断面、锚杆支护巷道。不仅减少支护成本，而且可以大大减少综采工作面端头作业量和劳动强度，为高产高效创造有利条件。 当工作面刮板输送机和转载机采用搭接式配套时，由于转载机机尾必须滞后工作面输送机机头，伸向采空区，因此，必须采用中置式或偏置式端头支架。当工作面刮板输送机采用90o转弯或交叉侧卸式配套，即转载机与工作面刮板输送机一体式时，则可采用后置式端头支架。交叉侧卸是高产高效工作面运输装备的发展趋势。 四大采高工作面端头支架使用情况 铁法晓南煤矿、大兴煤矿等使用4.7m一次采全高中置式端头支架，配套SGZ880/800输送机等设备，实现月产20万t以上，端头支架使用效果良好。该型端头支架还配套用于沈阳红阳煤矿和双鸭山东荣三矿等5m大采高工作面，均取得高产高效。 两架一组偏置式端头支架用于巷道断面较小、转载机和胶带输送机需偏置的条件下。这种端头支架曾在义马耿村煤矿4.7m大采高支架工作面配套使用，效果较好，但因主架结构庞大，管理难度较大，目前高产高效工作面已较少使用。 简化端头支架、改进端头支护是大采高工作面实现高产高效的重要条件。 目前，国内外大采高工作面的发展趋势是采用交叉侧卸的大运力输送机和大功率采煤机；交叉侧卸输送机机头电机和减速箱垂直布置；为简化端头支护，可以采用后置式端头支架，此种端头支架一般主体结构与工作面支架相同，仅根据端头配套要求做局部改动，如神华补连塔煤矿、大柳塔煤矿、活鸡兔煤矿及西山矿区等大采高高产高效工作面均采用这种端头支架，实现了端头支架与平巷移动设备的快速推移。