综采工作面液压支架倒架的力学论述.pdf

ＳｅｒｉａｌＮｏ．６１５Ｊｕｌｙ２０２０现代矿业ＭＯＤＥＲＮＭＩＮＩＮＧ总第６１５期２０２０年７月第７期樊彤菲（１９８５），男，助理工程师，０３００００山西省太原市。综采工作面液压支架倒架的力学论述樊彤菲（太原市西山煤电集团有限公司官地矿）摘要为探讨综采工作面液压支架倒架的受力情况，运用力学分析的方法分析支架在倒架过程中受到的力作用，找出支架倒架的各种因素。根据支架形状结构与运输机的连接状态，推算出支架与运输机垂线存在的临界角。指出运输机在倾斜角度变化时横向窜动量的函数收敛性，再对工作面倒架过程中支架受到的各项力矩进行分析，判断出支架倒架的直接原因是因为力矩叠加产生真斜角从而与运输机“ 步调” 不一致。在实际生产中，该论述方法可提前对各种倒架因素进行辨别判断，指导采取相应合理措施，进而避免倒架发生。关键词支架倒架临界角力矩叠加真斜角函数收敛ＤＯＩ１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４  ６０８２．２０２０．０７．０３１液压支架是煤矿综采工作面的重要设备，它能否正常工作，对整个工作面的安全生产和高产高效至关重要。在工作面生产过程中，液压支架经常出现自动降架、死架、倒架等故障现象。自动降架、压架处理起来比较容易，对生产影响较小。倒架是指液压支架偏离正常支护位置，不再垂直工作面的顶底板，从而失去或降低支护顶板作用的现象。倒架事故一旦发生，处理起来不仅难度大、时间长，而且对安全构成极大威胁，严重制约着安全生产。由于重力的单向性，在支架发生倒架以后特别是推移梁脱轨后，是不能通过调整采煤工艺使支架恢复正常的。因此发生倒架后所采用的办法大多是人工调架，既不能快速解决支架倒架所带来的真斜角推移窜动的情况，导致出现支架顶溜困难，运输机开口等现象；也不能降低现场工作人员的劳动强度，减少作业过程中的危险程度。因此解决液压支架倒架的问题根本在于预防。分析易倒架地形处支架的各种倒架因素，通过采煤工艺的调整干扰抑制这些因素从而避免发生倒架。１液压支架倒架的原因（１）支架受到偏转力矩产生真斜角［１  ５］，支架推移的倾向位移量大于运输机窜动量。支架推移梁与支架底座梁轨相互作用力加剧，推移梁脱轨，运输机失去对支架的“ 管控” 。（２）支架与运输机垂线的夹角达到临界值［６］，即支架真伪斜角之和超过临界值，支架顶梁“ 抱死” 。（３）运输机在支架顶梁抱死状态下继续窜动，支架底座发生位移。２临界角度如图１中所示，正常角度下支架与运输机连接，支架方向与运输机垂直，支架顶梁宽度为Ｌ，顶梁间隙为ｄ。图１正常角度支架连接支架间隙的存在是因为采煤工作面在推进时，需要伪斜开采从而调整工作面运输机窜动。支架与运输机连接状态以及支架运输机本身的结构决定了支架与运输机垂线的偏转角度存在临界角。无论是由于支架偏转（真斜角）或者运输机斜采（伪斜角），二者之和即夹角。支架与运输机垂线夹角不能超过该角度。如图２中所示；当支架与运输机垂线夹角到达临界值 β 时，支架顶梁之间将没有间隙。继续对支架施加偏转力矩或运输机斜采角度加大都会造成支架顶梁处于“ 抱死” 状态。工作面支架在移架时会出现顶梁后仰，底座上扬的情况。４０１图２临界角度支架连接临界角度下支架与运输机连接，此时支架顶梁间隙为０，支架方向与运输机垂线存在临界夹角 β 。通过几何计算可得ｃｏｓ β＝ＬＬ＋ｄ，则 β＝ａｒｃｃｏｓＬＬ＋ｄ．（１）支架出现临界角时要分辨其中的真斜角以及伪斜部分。单从支架以及运输机的连接情况来看，在没有参照物时，真斜角与伪斜角在视觉上是等效的。可使用数显角度仪测量出支架与倾向剖面的夹角即真斜角。支架的真斜角确定支架推移的倾向位移的方向和大小，也影响支架倒架的方向和倒架程度，是支架倒架的“ 元凶” 。临界角 β的大小与支架最宽处顶梁的宽度以及支架顶梁间隙大小有关，间隙越大， β 值越大，反之间隙越小， β值越小。在实际生产中，因顶板破碎、支架初撑力不足、未使用侧推千斤调整间隙以及因倾斜发生的自然倒架都会造成架间间隙减小，临界角减小。３液压支架倒架的过程及论述如图３所示，工作面分为Ｑ、Ｓ、Ｂ段，在推进过程中由高处向水平位置下山。Ｑ段处于水平位置，Ｓ段处于倾角 θ 的斜坡，Ｂ段处于高处水平位置。ａ、ｂ分别为三段的变坡点，ｈ为工作面的落差高度。运机力矩为运输机因倾向位移作用于支架的偏转力矩，重力力矩为支架重心受重力分力作用于斜面向下的偏转力矩，下部支架为工作面下山后支架受到各种力矩而形成的支架形态变化。图３支架倒架过程力矩（１）在推进过程中，Ｓ段、Ｂ段运输机下山的路径是以ａ为圆点， θ 角为弧度的圆弧下落。由三角关系可得出，两段运输机在水平位置都有水平向右的位移。则两段运输机在此过程中都将作用于支架一个水平向右的顺时针偏转力矩。（２）作用于Ｓ段、Ｂ段的水平向右力的大小为Ｆ右＝（ＧＳ＋ＧＢ）ｓｉｎ θ ｃｏｓ θ，（２）式中，ＧＳ＋ＧＢ为力分析处向右所有运输机质量之和，作用于Ｓ段的水平向右力的作用距离由ａ到ｂ逐次增大，ａ点为０，ｂ点到达峰值ｈｔａｎ θ 。Ｂ段的水平向右力的作用距离同是ｈｔａｎ θ 。（３）Ｓ段处于斜坡，在工作面下山前及下山的整个过程中，该段支架重心始终受到重力作用于斜面的分力向左的顺时针偏转力Ｇ支ｓｉｎ θ ｃｏｓ θ 。因Ｓ段支架受到的偏转力矩是２种力矩，重力力矩始终存在。而运输机作用于该段支架的偏转力矩受制于支架的水平向右位移量ｌｓｉｎ α （ｌ为支架的推移量程、 α 为支架的真斜角）。当每循环推进时，运输机水平向右的位移大于ｌｓｉｎ α时，运机向右力矩存在。当每循环运输机水平向右的位移小于ｌｓｉｎ α时，运机力矩不存在，且因为反作用力的原因运输机将“ 管制” 支架偏转的速度。（４）Ｓ段支架下山过程中随着运输机向右的窜动以及重力力矩作用，该段支架下山过程中真斜角 α 不断增大，支架推移的水平向右位移量ｌｓｉｎ α不断加大。而根据波函数的收敛特性（在９０到０的范围内，在等高下降时，半径上的各点横轴坐标变化量递减），Ｓ段运输机在以ａ为圆点， θ 角为弧度的圆弧下落过程中，随着 θ 角的减小，运输机水平向右的位移逐渐减小。也就是运输机在下山过程中向右的位移量是收敛地，每循环依次减小。而与之相连的支架随着真斜角 α不断增大，支架推移的水平向右位移量ｌｓｉｎ α 是开放地，每循环逐次增大。由于运输机与支架的连接结构，在循环推进过程中运输机的位移量将逐渐不能满足支架推移的位移量，运输机与支架出现急剧的内力互作用。支架出现顶不动溜，运输机出５０１樊彤菲综采工作面液压支架倒架的力学论述２０２０年７月第７期现开口等现象。（５）支架与运输机开始角力，随着支架真斜角 α 不断增大，支架的与运输机的夹角逼近临界角。支架顶梁之间的间隙不断减小，摩擦力加剧，支架在拉移过程中出现“ 头慢脚快” ，底座上扬的现象。而在下山过程中，支架的推移梁连接于运输机将先于支架底座出现下山角度。２种情况导致支架推移梁与底座分离。因支架的向右推移量大于运输机位移量，支架的推移梁移降到支架左侧底座，推移梁彻底脱轨，角力结束。支架不再受到运输机的反作用力，所有脱轨支架只受到重力的偏转力矩，支架与运输机的夹角快速达到临界角度。（６）因Ｓ段、Ｂ段支架都出现了向右的真斜角，整部运输机必定向右窜动。而支架的底座宽度小于顶梁，在顶梁“ 抱死” 的时候，支架底座还将有一定的活动间隙。运输机的水平向右窜动过程中，支架底座也将随运输机有了一定距离的位移。支架开始向左倒架。４结语支架发生倒架的因素主要有真斜角的增大逼近临界角、运输机因变坡产生的收敛窜动以及支架推移位移步调不一致而发生的角力。在实际的综采工作面倒架时，上述情况多是同时发生，同时作用。即坡段支架真斜角的增大，运输机的窜动，推移梁与支架底座的角力同时存在。从文中论述可以看出，在倒架发生前若运输机有一个下滑的趋势；即运输机向左窜动，则坡段支架的真斜角将会得到抑制。若倒架发生前运输机有上窜的趋势，即运输机向右窜动，则坡段支架的真斜角将会增大。这种情况也正好说明容易上窜的较大支架更容易发生倒架。而综采工作面液压支架倒架是一个受力累积过程，有比较复杂的力学原因。要防止支架倒架需要控制好支架的真伪斜角，降低伪斜角，杜绝真斜角［１  ３］。主要的预防措施包括合理调整运输机窜动。对于运输机下滑工作面采用多次小斜采调整。防止伪斜角度过大，同时运输机窜动出现真斜角，真伪叠加逼近临界角［６］。对于运输机上窜工作面采用减小与等高线夹角的斜采推进，减小运输机两头落差，同时要防止运输机因局部落差变化对支架施加急剧的偏转力矩，提前调整运输机窜动，降低支架的真斜角度［４  ５］。参考文献［１］陈宁．综采工作面液压支架倒架机理及防治措施［Ｊ］．矿业装备，２０１９（３）１１０  １１１．［２］赵潇越．综采工作面液压支架倒架原因分析及预防措施［Ｊ］．机械管理开发，２０１９，３４（２）２９３  ２９４．［３］邱世杰．大采高综采工作面液压支架倒架原因及预防措施［Ｊ］．机械管理开发，２０１８，３３（３）１８２  １８３．［４］肖曲．大采高综采工作面液压支架倒架原因及预防［Ｊ］．内蒙古煤炭经济，２０１６（７）１１０  １１１．［５］白金海．综采工作面液压支架倒架原因及处理［Ｊ］．江西煤炭科技，２０１６（２）２４  ２６．［６］任治飞．综采工作面液压支架倒架的原因及纠正［Ｊ］．机械管理开发，２０１６，３１（１１）１９２  １９３．（收稿日期２０２０  ０５  ０８櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄）（上接第１０３页）距为３０ｍ，基本顶初次来压影响距离平均约为６．６ｍ，初次来压影响时间平均约为８．９ｈ；此外，据工作面液压支架数据表明，在工作面基本顶来压期间内，液压支架平均阻力为５０５２ｋＮ，与支架设计工作阻力６０００ｋＮ相比仍有一定的富余阻力。因此，综合工作面矿压观测结果分析，所采用的超前深孔预裂爆破坚硬顶板的方式可达到工作面煤层顶板在回采前提前破坏，随工作面推进后自然垮落，且能保证回采工作面安全无隐患的目的。５结论（１）８６０５综采工作面顶板坚硬且吸水率较低，综合考虑采用超前深孔预裂顶板的方式对顶板进行提前破坏处理。（２）结合８６０５综采工作面采高布置，确定对该工作面顶板的爆破深度为煤层以上垂直高度９ｍ范围。（３）经工作面顶板超前预裂爆破后，工作面直接顶与基本顶来压情况稳定，且在顶板来压期间内，工作面煤壁稳定，液压支架工作正常。参考文献［１］吕玉佳．坚硬厚层顶板弱化前后采场矿压显现规律研究［Ｊ］．当代化工研究，２０２０（４）３８  ３９．［２］赵猛，张晓明，王楠，等．深部坚硬顶板厚煤层开采冲击矿压规律及防治技术［Ｊ］．煤矿安全，２０２０，５１（１）８９  ９３．［３］杨世春．坚硬顶板综采面初采深孔预裂爆破技术研究［Ｊ］．江西煤炭科技，２０２０（１）３１  ３５．［４］温有财．坚硬顶板预裂爆破强制放顶数值分析［Ｊ］．山东煤炭科技，２０１９（１０）５９  ６０，６４，７２．［５］高小强，谢永昌，于宏溪．综放工作面厚层坚硬顶板深孔预裂爆破技术研究［Ｊ］．煤炭技术，２０１９，３８（９）８２  ８５．［６］赵海峰．恒源煤业１５１３０３工作面坚硬顶板深孔预裂爆破技术研究［Ｊ］．煤矿现代化，２０１９（６）１７１  １７４．（收稿日期２０２０  ０４  ０１）６０１总第６１５期现代矿业２０２０年７月第７期