大倾角综放液压支架稳定性动态分析和放倒防滑措施.pdf

第32卷第7期煤 炭 学 报Vol . 32 No. 7 2007年7月JOURNAL OF CH I NA COAL SOCIETYJuly 2007 文章编号 0253 - 9993 2007 07 - 0705 - 05 大倾角综放液压支架稳定性动态分析 和防倒防滑措施 章 之 燕 开滦集团有限责任公司 生产技术部,河北 唐山 063018 摘 要分析了大倾角条件下综放开采液压支架的受力状态与围岩的关系,以及影响支架稳定性 的主要因素.针对大倾角放顶煤支架在开采过程中的受力情况,提出了防止液压支架倾倒的技术 措施是①减少支架顶梁间隙;② 在邻架顶梁间增设调架千斤顶.支架防滑的技术措施是① 推移杆全程导向;②相邻支架底座之间设置防滑千斤顶;③设置防止输送机下滑装置. 关键词大倾角;综放支架;稳定性 中图分类号TD355146 文献标识码 A 收稿日期 2007-05-08 责任编辑柴海涛 作者简介章之燕1961 - ,男,河北张家口人,高级工程师.Tel 0315 - 3022126,E - mailzhangzhiyankailuan1com1cn Dynam ic analysis on stability of hydraulic powered support in deep inclined fully mechan ized wall and prevention slipsmeasures ZHANG Zhi2yan Department of Production Technology,Kailuan GroupCo .Ltd. ,Tangshan 063018,China Abstract Analyzed the relationship of fullymechanized top2coal caving hydraulic support’s stress state and enclo2 sing rocks under the condition of large dip angle,and the main factors of influence support stability .Aiming at stress analysisof dip angle fullymechanized top2coal caving support in mining,from the technique of designing and mining, put for ward technique measurementsreduce gap of support beam; increase the inter2frame jack in neigh2 boring support beam.Support anti2skid measures passage of the entire process2oriented bar; set up anti2skid jack between adjacent base;set up anti2skid install for conveyor . Key words dip angle;hydraulic support;stability 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,工作面支架的防滑防倒及架间挤架、咬架现象加剧.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,而是加强支护系统的稳定性 [2]. 1 大倾角液压支架与围岩的关系 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煤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. 大倾角开采过程中,顶煤的始动点距煤壁的距离,沿工作面倾向不同位置有区域化的特征,这与缓倾 煤 炭 学 报 2007年第32卷 斜和近水平煤层开采有明显区别.工作面沿倾向上部顶煤的始动点距离煤壁最远,下部次之,中下部最 近.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2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,在大倾角综放过程中,由于支架上方为松软的顶 煤,这一现象会更加明显,对支架的稳定性影响更大. 2 大倾角液压支架受力分析 大倾角开采复杂矿压显现规律导致了工作面支架受力的复杂性.研究表明,当支架工作阻力一定时, 支架尾部抗扭稳定性随顶板垮落高度增大而非线性降低,导致整个支架最终受扭失稳.当顶板垮落高度一 定时,支架抗扭稳定性随支架工作阻力线性增大,支架对顶、底板的作用力对支架的抗扭稳定性作用明 显.同时,顶梁上顶板压力的分布状态对支架的稳定性也有影响,尽量使支架顶梁受力比较均匀,有利于 扭转支点落到支架后部,减小扭矩. 大倾角放顶煤开采的顶煤运移规律从2个方面影响工作面支架的稳定性①顶煤运移规律通过影响 放煤工艺的选择而影响支架的稳定性;②大倾角工作面下部顶煤的移动规律直接作用于支架,影响支架 的动态稳定性.这2个因素相互影响,共同作用于支架. 图1 工作面支架受力 Fig11 Schematic diagram of coal face support load 对于低位放顶煤支架,在大倾角综放工作面放煤过程中,煤流有 向下的分力,会对支架掩护梁及尾梁施加侧向力,使支架产生摆动, 从而带动支架扭斜.另外,由于散煤体的滑落,放煤时不是一个支架 受影响,而是放煤口开启支架以上的若干支架受影响支架数量与煤 层倾角等有关同时受力并产生一定的叠加,共同作用于放煤口开启 支架. 由图1可以看出工作面支架的受力状况.α为煤层倾角;G1为促 使破碎顶板下滑的作用力;G2为破碎顶板对支架的正压力.G1,G2和 G之间的关系为G1 Gsinα, G2 Gcosα. 图2 支架尾梁受力 Fig12 Schematic diagram of support tail boom stress 由图2可看出工作面支架尾梁的受力状况.G2为尾梁上顶板对施加 给支架的垂直方向合力;G3为尾梁上部破碎顶板对支架尾梁的正压力;θ 为掩护梁尾梁与顶梁的夹角.G3,G4和G2之间的关系为G4 G2sinθ, G3 G2cosθ. 破碎煤板对支架的扭转并不是作用于单一支架,由于煤层倾角的影 响,支架顶部破碎顶板的滑动和放出会导致相邻支架上部顶板的滑移, 从而使相邻支架也出现扭转.支架的扭转力矩主要通过侧护板的相互作 用来维持平衡,所以上部支架的扭转力矩会叠加到下邻支架. 随着工作面煤层倾角的增大和破碎顶板和支架顶梁、掩护梁之间摩 擦因数的减小,其影响支架的数量也相应增加.并且与煤层厚度和工作面各种参数有关,其通过影响顶板 的破碎程度影响放顶煤时工作面支架的影响范围. 3 大倾角放顶煤支架稳定性分析 311 防倒稳定性分析 如图3 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 ] , 607 第7期章之燕大倾角综放液压支架稳定性动态分析和防倒防滑措施 图3 支架抗倾倒稳定计算及防倒示意 Fig13 Sketch map of stability calculation for support anti2dumping a 半个支架高度 因此它对支架产生的压力也不完全是沿重 力方向的,可视为它沿重力方向.当支架 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3 b , 此时有 P s - Px h P h sinα- B 2 cosα W b, b B /2cosα- csinα,1 式中,h为支架高度;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. 由式1可以看出b与a成反比. 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 [4 ]. 312 抗滑稳定性分析 如图3 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 PcosαQ ]f≥Fh W Psinα Ps- Px , 2 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W fcosα≤Wsinα,即tanα≥f.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]. 因此一般来说,当煤层倾角大于15 时,就要采取防滑措施. 式2可以反映出初撑力有利于提高支架的抗滑稳定. 313 尾部抗扭稳定性分析 对于低位放顶煤液压支架,在大倾角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 图4 支架尾部受扭 Fig14 Sketch map of torsion acting on the support back 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4 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 的散煤岩体质量G按下式近似计算,即G lBHρ,l Dsinθ,其中,H为垮落散煤岩体高度;D为尾梁 长度;ρ 为散煤岩体的密度.由图4 a可以看出,当散煤岩体的下滑力FhFkh时,散煤岩体将下滑, 即Fh Gsinαβ≥Fkh Gf1cosαβ Gf2cosαsinθ,其中,f1为散煤岩体的滑动摩擦因数;α β为自然息落角;f2为散煤岩体与掩护梁的摩擦因数. L为支架几何中心距底座外缘的距离;l为支架掩护 梁底板上的投影长度;Fn为散煤岩体对支架掩护梁的扭动作用力;M1为散煤岩体滑移对支架产生的扭 矩; M2为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 707 煤 炭 学 报 2007年第32卷 力沿煤层倾角方向的分量,即Fn Gf2cosαsinθcosβ.如图4 b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4 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 [4～6 ]. 通过上述分析,散煤岩体对支架掩护梁的扭矩为 M1 FnL l/2 Gf2L l/2cosαsinθcosβ.3 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 2P Wsinα L gf3/4, 4 式中,Lg为顶梁长度;f3为支架与顶、底板之间的摩擦因数. 保证支架不发生扭斜的条件为M1≤M2,抗扭稳定系数为K3M2/M1.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β0. 由式 3 , 4分析可看出,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.因此支架的工作阻力在防止支架偏扭有着重要的作用 [7 ]. 4 大倾角放顶煤支架防倒防滑措施 针对上述分析,在进行大倾角放顶煤支架的设计中应考虑采取如下措施 支架出现倒架,大多是支架上方冒空,顶板局部失去完整性,上部顶板有向下移动空间,当顶板垮落 时,这个倒向力的显现使支架倾倒.支架防倒防滑问题基本上是当支架脱开顶板降柱行走过程时出 现的,所以重点研究支架前移过程中的防倒防滑问题. 411 支架防倒措施 支架极限倾倒角为2412,如工作面实际倾角大于倾倒角时,支架设计中要考虑增加防倒装置,其主 要措施①减少支架顶梁间隙.促使支架侧护板千斤顶、侧推弹簧使支架顶梁相互靠紧,始终保持足够 扶正力,防止倒架;②在邻架顶梁间增设调架千斤顶.当支架出现倾倒时,以支撑顶板的相邻支架作支 点,用千斤顶调整该支架位置图5 a . 图5 调架千斤顶和防滑千斤顶 Fig15 Adjusted support jack and antiskid jack 412 支架防滑措施 支架在前移过程中下滑极限角为1816.一般来说,工作面倾角大于15 就要采取防滑措施①推移 杆全程导向.严格控制推移杆和底座的间隙,推移杆在任意位置,推移杆和底座间间隙不变,控制输送机 下滑.②相邻支架底座之间设置防滑千斤顶.以有初撑力的支架为支点,调整相邻支架的位置图5 b .③将输送机和支架间设置防止输送机下滑装置. 在推移输送机时,通过控制防滑千斤顶动作,牵 动输送机上移. 807 第7期章之燕大倾角综放液压支架稳定性动态分析和防倒防滑措施 413 生产工艺方面的措施 1将工作面布置为伪斜,减小工作面真倾角.借用移架时产生支架的上窜抵消支架的下滑. 2推溜方式.大倾角工作面普遍采用从下向上推溜移架方式,以1次8节槽子计算,先推1次机头 即可将输送机上移约30 mm. 3严格控制采高,加快推进速度. 4采用合理的回采工艺,如带压由下向上逐次移架等,充分利用工艺特点来提高整个工作面设备 及系统的稳定性. 5 大倾角综放支架稳定性控制 大倾角综放液压支架稳定性控制包括单个支架和相邻支架组的稳定性控制2个方面.其目的在于尽量 降低不利因素的影响,提高有效支护系统的稳定性. 1合理地提高初撑力和工作阻力.通过提高支架的初撑力和工作阻力提高支架工作状态的稳定性. 在支架设计时,应尽量选用较大的缸径立柱. 2尽量选用中心距较大的架型.在保证拉后溜千斤顶空间的情况下底座应尽量加宽. 3在保证支撑强度的前提下,尽量减轻支架重量.在满足支护强度的条件下,尽量减轻支架重量, 以提高稳定性. 4在增加初撑力和工作阻力的同时,尽量降低底板比压.在降低底板比压时,以不破坏煤层底板 为前提条件,加大底座面积,调整合力作用点位置,从而实现使底板比压降低. 5提高工作面支护系统的稳定性.大倾角工作面支护系统的稳定性除需保证单个支架在工作过程 中的稳定外,还应考虑设置排头排尾支架组,使工作面支护系统有相对稳定的整体性和可靠地依托.通 常,排头排尾支架组可由3～5架工作面基本支架靠附加装置连成整体来组成;端头支架则需要针对具体 条件特殊设计与布置. 6 结 语 1由于大倾角综放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 [7 ] ,因此, 在工作面的开采过程中,做好工作面管理与护顶工作,保持支架接顶有力,从而保证支架的稳定性. 2在开采中充分利用支架的可伸缩梁作为临时支护,及时移架,避免漏顶,带压擦顶移架,不反 复扰动顶板,控制采高,避免片帮,维护好顶板,保持支架稳定性. 3要充分考虑支架的侧护能力,加大侧护板千斤顶缸径,并给侧护液压系统加装液压锁,实现二 次抗压稳定,保证侧护板具有足够的抗挤压能力,从而解决大倾角工作面支架倒架、咬架等问题. 4必须设计支架的防倒防滑装置,包括斜拉千斤顶、平拉调架千斤顶、支架底座调架千斤顶, 支架与输送机的相互锚固机构等,从而保证工作面配套设备的整体性和稳定性. 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. 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