大倾角综放开采液压支架稳定性分析与控制措施.pdf

文章编号0253 - 9993200403 - 0264 - 05 大倾角综放开采液压支架稳定性分析与控制措施 林忠明1 ,2,陈忠辉1,谢俊文3,谢和平1 ,4 1 1 中国矿业大学北京岩石力学与分形研究所,北京 100083; 21 福建省电力勘测设计院 勘测室,福建 福州 350003; 31 甘肃靖 远煤业公司,甘肃 白银 730917; 41 四川大学,四川 成都 610065 摘 要从静力学角度对大倾角条件下综放开采液压支架抗倾覆、滑移、扭斜稳定进行了分析, 结合王家山煤矿的大倾角 29 ～43工作面的煤层条件和生产实践,对大倾角综放开采液压支 架的3种稳定性进行了研究,分析煤层倾角、顶板压力、支架几何参数、支架工作状态对支架稳 定的影响,在此基础上介绍了保证大倾角综放液压支架稳定的途径和王家山煤矿的生产经验. 关键词大倾角煤层;综放液压支架;稳定分析;控制措施 中图分类号 TD355145 文献标识码 A 收稿日期 2003-05-06 基金项目国家自然科学基金委“创新研究群体”资助项目50221402 ;国家自然科学基金资助项目10372111 作者简介林忠明1977 - ,男,福建平潭人,硕士.E- mail zhongminglin sohu1com Stability analysis and control measures of powered supports in greater inclined full2mechanized coal seam LIN Zhong2ming1 ,2, CHEN Zhong2hui1, XIEJun2wen3, XIE He2ping1 ,4 11Institute of Rock Mechanics and Fractals , China University of Mining and Technology Beijing , Beijing 100083, China;21Survey Office , Fujian Electronic Survey and Design Institute , Fuzhou 350003, China;31Jingyuan Coal Industry Corp.Ltd1, Baiyin 730917,China;4.Sichuan University , Chengdu 610065, China Abstract Within the framework of static mechanics , the dumping , sliding and torsion stabilities of the support in greater inclined full2mechanized coal seam are analyzed. According to the actual situation of mining face with inclination angle of 29～43of Wangjiashan Mine , the influence factors related to stability of power support , including inclination angle , roof pressure , geometric parameters and working status of support are analyzed. Furthermore , the s to in2 sure support stabilities and the experience of Wangjiashan Mine are presented. Key words coal seam with greater inclination angle ; full2mechanized coal mining support ; stability analysis; control measures 液压支架的稳定性是大倾角煤层综采的一个基本问题[1].由于重力的法向及切向分量随倾角增加而变 化,使得切向分力增大而法向分力减小,因此,工作面支护系统所受的工作载荷变小,而引起支护系统失 稳的外载增大,工作面支架滑、倒及架间挤、咬现象加剧.所以,工作面岩层控制的重点不是提高支护系 统的工作阻力,而在于加强支护系统的稳定性[2]. 王家山煤矿四层煤呈单斜构造,煤层走向N80W～N80E近似东西,倾SE或SW ,倾角29～35,东 西两面较陡,中间缓,煤层厚度东厚西薄,最厚23 m ,最薄1215 m ,厚度基本稳定,煤层底板之上普遍 有厚0181～1120 m的泥岩夹层,顶板之下有厚016～110 m的高炭泥岩的伪顶,极易垮落,四层煤黑色沥 第29卷第3期煤 炭 学 报Vol.29 No.3 2004年6月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYJune 2004 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 青光泽,条带结构,有大量黄铁矿结核,以半暗煤为主,有亮煤条带,煤层硬度系数110 ,煤层裂隙发育 程度2类.四层煤44407工作面倾角在35～43 之间,大倾角使开采工况复杂,支架稳定、移架调架工作 难度大.目前,经过一段时间的摸索和研究,王家山煤矿大倾角试验工作面安全生产正常推进. 1 防倒稳定分析 如图1 a所示,支架在顶板的压力 p 合力为 P 、支架自重W、上下邻架挤靠力Ps,Px,初撑力 q 合力为 Q 、底板反力R作用下处于平衡状态.倾斜煤层的顶板是沿一条接近重力方向的曲线移动[3], 因此它对支架产生的压力也不完全是沿重力方向的,为讨论问题方便,仍认为它沿重力方向.如果顶板压 力不断增大,支架支柱达到额定载荷,开启安全阀门调整后,支柱的支撑力就表现为顶板压力的分力.支 架所受合力作用点可能要偏出支架下边缘,导致支架倾覆.在力矩极限平衡条件时,底板反力作用点在 O点处图1 b ,此时有 P s- Px h P hsinα- B 2 cosα Wb ,1 b B/2cosα- csinα,2 式中,h为支架高度;α为工作面煤层倾角; B为支架底座宽度;b为支架自重作用方向与支架底座下边 缘的水平距离; c为重心高度. 图1 支架抗倾倒稳定计算及防倒示意 Fig11 Sketch map of stability calculation for support anti2dumping a 半个支架高度 从式2可以看出b与α成反比.当支架底座越宽、支架重心越低、支架使用高度越低,支架越稳 定,适应的倾角与来压强度将越大. 王家山煤矿基本架采用低位放顶煤液压支架,支架高度117～310 m ,宽度1 430～1 600 mm ,采高214 ～218 m.额定工作阻力Pg 4 200 kN ,初撑力Pch 3 956 kN 工作阻力的94 .支架自重含附加设 备约14 000 kg ,侧推千斤顶 4 根推力158 kN、拉力69 kN ,推移千斤顶 1 根推溜力433 kN、拉架 力630 kN.考虑不利情况,支架工作高度为218 m时,重心高度为112 m.现场观测表明,侧护板 2 个 侧护千斤顶最大处受力一般在25～30 MPa ,其余地段一般在20 MPa以下.经过简单验算可以发现,如 果不另加必要的防倒、防滑装置,单个支架是不能够满足大倾角煤层的稳定要求的.如图1 c所示, 为提高支架的整体稳定性,将支架2个1组设置水平横拉架防倒、防滑千斤顶连接,顶梁上安装一组,底 座上前后各安装一组,这样就使支架重心往两支架的中心移动,可以保证重力作用线不偏出O点外侧, 以适应更大的煤层倾角. 将加防倒、防滑装置连杆、侧护板后的参数代入式1和 2 , 得到容许极限顶板压力Pc为 Pc 2801143cosα-112sinα 2158218 218sinα-1143cosα , 562第3期林忠明等大倾角综放开采液压支架稳定性分析与控制措施 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 当α 43 时, Pc 1 018 kN.可以看出,倾角对于支架倾倒稳定影响很大,必须严格控制支架使用中不超 过设计倾角.定义抗倾覆安全系数K1为极限顶板压力Pc与顶板来压P的比值,当达到额定工作阻力时, 顶板来压量的分量为支架额定工作阻力Pg与初撑力Pch的差,所以 P Pg-Pch cosα 4 200-3 956 cos 43 334.3 因此,对于该工作面最大倾角,支架抗倒稳定安全系数K1 310. 2 抗滑稳定分析 如图1 b所示,支架在重力W和顶板压力P作用下,有沿底板坡度下滑的趋势,保证它不下滑的 条件是抗滑力大于等于滑动力,即 Fkh [ W Pcosα Q]f≥Fh W Psinα Ps-Px , 4 式中,Fkh为防滑装置给以的抗滑力;f为支架底座与煤岩的摩擦因数. 支架仅在自重作用下的抗滑安全条件为 Wfcosα ≤Wsinα,5 即 tanα ≤f.6 有关资料表明,金属与煤层之间的摩擦因数一般在0135～0140之间[1].因此自重条件下支架不下滑 的煤层倾角应小于19～22,当煤层倾角大于19～22 时,就必须采取另外的防滑措施.对于倾角为43 支 架处于额定工作阻力和卸载移架姿态P 0 ,将现场数据代入式 4 , 分别有 支架处于额定工作阻力时 Fkh 140cos 43 4 2000135 1 505 kN, Fh140 4 200 - 3 956 cos 43 sin 43 2158 - 0 639 kN. 定义滑动安全系数K2为抗滑力与滑动力之比,K2 214 ,抗滑动稳定是有保证的.但其前提是初撑 力足够大,且保证支架充分接顶. 支架卸载移架时,在自重作用下,需要额外的抗滑力为 Fa 140sin 43- 140cos 43 0135 60 kN. 这说明支架的滑移主要是发生在卸载降架、移架的时候.额外的防滑力有侧推千斤顶4158 kN 调底座千斤顶2247 kN 1 126 kN.因此,支架在卸载移架时的稳定可以通过附加设施得到保证. 从式4可以看出,初撑力有利于支架的抗滑稳定,而避免上邻架对本架的挤、咬,对支架防滑也 是非常必要的.因此,王家山矿作业规程要求支架垂直煤帮,支撑可靠,不出现下滑及挤、咬现象;按 规定的放煤轮次、顺序、放煤时间、放煤量进行操作,严禁超前出顶煤,保证支架接顶严实,支撑可靠; 带压移架,遇到松软煤层暂停放煤,要加快移架推进速度;当局部支架出现下滑、歪斜时要停止采煤,尽 快调整,避免造成工作面上的挤、咬架;移架时要正确操作,被移支架防滑油缸及相邻支架侧护板油缸处 于活动状态,按由下向上的移架顺序,严禁多点、多架同时前移. 3 尾部抗扭分析 对于低位放顶煤液压支架,在倾角大的情况下存在着防止支架扭斜的问题,即在放煤过程中,煤流有 向下的分力并可能发生滑移,会对支架尾梁施加侧向力,如图2所示.此时如果支架的抗扭能力不够,尾 梁就产生侧向摆动,从而带动支架扭斜. 作用在支架掩护梁上的滑移的散煤岩体重量G近似按下式计算,即 G lBHγ, l Dsinθ,7 662 煤 炭 学 报 2004年第29卷 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 式中,H为垮落散煤岩体高度; D为尾梁长度;γ为散煤岩体的容重. 如图2 a所示,当散煤岩体的下滑力FhFkh时,散煤岩体将下滑,即 Fh Gsinαβ Fkh Gf1cosαβ Gf2cosαsinθ,8 式中,f1为散煤岩体滑动摩擦因数,一般取018～019 ;αβ为自然息落角,αβ 38～42;θ为掩护梁 的张开角; f2为散煤岩体与掩护梁的摩擦因数,一般取013～014. 图2 支架尾部受扭示意 Fig12 Sketch map of torsion acting on the support back β 垮落散煤岩体滑移面与底板的夹角; L 支架几何中心距底座外缘的距离; l 支架掩护梁底板上投影长度; Fn 散煤岩体对支架掩护梁的扭动作用力; M1 散煤岩体滑移对支架产生的扭矩; M2 支架底座摩擦力形成的反扭矩 支架掩护梁的扭动作用力Fn为散煤岩体在掩护梁上的滑动摩擦力沿煤层倾角方向的分量,即 Fn Gf2cosαsinθcosβ.9 如图2 d所示,Fn和支架与顶底板间的压力产生的摩擦力Fkn要满足力矩平衡,才能保证支架不发 生尾斜.Fn与Fkn作用下转动点与顶板压力和支柱工作阻力有关,L的大小与顶板压力分布及支柱工作阻 力有关.假设顶板压力在顶梁上如图2 a所示的线性均匀分布,可以根据实际观测支架前后液压支柱 的大小按简支梁上均布载荷力学平衡条件大致地确定其在前后支柱之间的位置.大倾角液压支架的前柱工 作阻力普遍大于后柱工作阻力[4 ,5].王家山煤矿现场观测得到支架前后立柱工作阻力之比k在011～110之 间,支架前后立柱间距离为112 m ,后立柱到顶梁尾部距离为0157 m ,因此 L 1103 k k 1 0157.10 散煤岩体对支架掩护梁的扭矩为 M1 FnL l/2 Gf2L l/2cosαsinθcosβ.11 通过对均布载荷摩擦力矩的积分,得到支架与顶、底板间作用力产生的抗扭力矩为 M2 1 4 2P Wsinα L gf3, 12 式中,Lg为顶梁长度;f3为支架与顶、底板之间的摩擦因数,一般取0135～0140. 保证支架不发生扭斜的条件为M1≤M2.定义抗扭稳定系数为 K3 M2/ M1.13 对于特定工作面条件,αβ为固定值,等于散煤岩体的自然息落角.如果倾角比较大,散煤岩体将 沿煤层下滑, 即β 0.由式 7 , 10～13可以绘出王家山煤矿所采用的液压支架在最大倾角43 时,各物理参数f1 0185, f3 0135,k 018,γ 26 kN/ m3,抗扭稳定系数与支架工作阻力、顶煤垮落高 度之间的关系如图3所示. 从式11 , 12以及图3可以看出,支架尾部抗扭稳定系数随顶煤冒放高度的增大而非线性降低, 与支架工作阻力呈线性正比关系;由于掩护梁张开角的增大,加大上部散煤岩体的重量,但却减小滑移体 在垂直掩护梁方向上的分力,因此, 当θ 45 时,抗扭 762第3期林忠明等大倾角综放开采液压支架稳定性分析与控制措施 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图3 支架抗扭稳定系数K3与顶煤冒放高度、掩护梁张开角的关系 Fig13 Relationship between support anti2torsion stability factor and cavity height and open angle of caving shield a～d掩护梁张开角θ30,45,60,75;1～5 H3 , 6 , 9 , 12 , 15 m 安全系数K3随θ增大而增大.支架工作阻力在防止支架受扭偏转中有着重要的作用,因此要保证支架的 充分接顶且有足够的工作阻力,避免煤壁、架间出现顶煤冒、漏现象,还要尽量使顶梁比较均匀的受力, 使扭转支点往后移动,减小扭矩.王家山煤矿实测平均顶煤冒放高度为1515 m.要保证支架尾部不发生 扭、斜K3 1 ,支架工作阻力要达到900～2 000 kN. 4 结 语 大倾角综放开采液压支架的稳定性是此类采煤工艺中的重点和难点.实践证明,放顶煤开采工作面支 架所受动载的显现普遍不强烈,周期来压对支架影响明显缓和[6],大倾角综放工作面由于沿倾向顶板拱的 形成,承受更多的上部压力,将使矿压显现更不明显.因此,支架大部分时间是在准静载的条件下实现稳 定,然而,这并不意味着可以放松对工作面来压的警惕.由于大倾角综采工作面工艺情况复杂,各种因素 都可能影响支架的稳定和开采进度,因此,加强对工作面的观测是极其必要的.对于工作面顶板的管理要 求严格,制定完整有效的操作规程,严格控制顶板状态和支架工作姿态,出现不正常情况要及时纠正,使 工作面的推进在有效的控制之下.从本文的分析以及王家山煤矿的工业性试验来看,对于大倾角综放工作 面,只要采取必要的措施,优化开采工艺,严格作业规程,是能够实现大倾角综放的安全高效生产. 参考文献 [1] 师贺庆.倾斜厚煤层综放开采技术探讨[J ].矿山压力与顶板管理, 2001 1 44～46. [2] 伍永平, 东风.大倾角综采支架稳定性控制[J ].矿山压力与顶板管理, 1999 3 , 4 82～85. [3] 陈炎光,钱鸣高.中国煤矿采场围岩控制[M].徐州中国矿业大学出版社, 1994. 314. [4] 余本胜,李小军,王志鹏.大倾角综放采煤方法的实践研究[J ].煤矿开采, 2002 1 19～21. 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