煤礦井下液壓支架的載荷分布與失穩(wěn)特性研究

劉美玲

（同煤集團(tuán)煤峪口礦技術(shù)科， 山西 大同 037001）

引言

煤炭作為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)性能源資源，在人類社會中扮演著重要的位置，為了提升煤炭產(chǎn)量，滿足經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展需求，各煤炭生產(chǎn)企業(yè)不斷增加煤炭的采掘深度，隨著地質(zhì)條件的愈加復(fù)雜，對綜采作業(yè)時的支護(hù)要求越來越高。由于井下綜采作業(yè)時作用在液壓支架上的載荷受多重因素影響，呈現(xiàn)不規(guī)律的特性，因此極易造成液壓支架的失穩(wěn)。本文以某礦某綜采面液壓支架為研究對象，對其支護(hù)過程中的載荷分布?xì)w類進(jìn)行研究，對其失穩(wěn)特性進(jìn)行分析，為優(yōu)化液壓支架支護(hù)結(jié)構(gòu)，提升液壓支架支護(hù)穩(wěn)定性奠定了基礎(chǔ)，具有十分重要的意義。

1 井下液壓支架的受載特性分析

某礦某綜采面，其長度為2 117 m，工作面的傾角為39°～47°，平均煤層傾角約為44°，煤礦井下煤層的存賦條件穩(wěn)定性高，煤層的硬度系數(shù)約為0.4，煤層基本頂為中砂巖結(jié)構(gòu)，其平均厚度約為14.4 m，直接頂為粗砂巖結(jié)構(gòu)，其平均厚度約為2.12 m。

該綜采面上采用了大采高綜采作業(yè)工藝，所選用的液壓支架為四柱掩護(hù)式液壓支架，其額定工作阻力約為6 400 kN，為了對工作時液壓支架的受載特性進(jìn)行研究，本文利用礦壓動態(tài)監(jiān)測儀[1]對液壓支架支護(hù)組內(nèi)上部（編號為54、47 的液壓支架）、中部（編號為40、33、29 的液壓支架）和下部（編號為22、15、9、2 的液壓支架）的應(yīng)用支架的受載情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，監(jiān)測各區(qū)域的液壓支架變化如圖1 所示。

圖1 不同區(qū)段液壓支架測點(diǎn)分布

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可知，液壓支架工作時的阻力沿著工作面的傾向呈現(xiàn)顯著的分區(qū)特征[2]，并且在下部區(qū)域最小，其正常支護(hù)作業(yè)時的工作阻力約為3 227 kN，來壓期間的最大工作阻力約為4 255 kN。中部區(qū)域最大，其正常支護(hù)作業(yè)時的工作阻力約為4 887 kN，來壓期間的最大工作阻力約為6 994 kN。

由監(jiān)測結(jié)果分析可知，在液壓支架支護(hù)組內(nèi)，上部的大部分液壓支架工作時的受載情況很小，由此造成了支護(hù)過程中的圍巖- 支架穩(wěn)定系統(tǒng)實(shí)際上并未起到作用，導(dǎo)致形成了“偽支護(hù)平衡”，液壓支架工作時的阻力比一般液壓支架支護(hù)時的阻力更大，在實(shí)際使用過程中極易造成液壓支架組間的推壓和咬架現(xiàn)象。

2 載荷作用下支架的失穩(wěn)特性分析

根據(jù)煤礦井下的實(shí)際地質(zhì)情況，其煤層平均傾角約為44°，頂板上的法向載荷作用在支架上的位置距離支架前梁的端部約為支架寬度的一半（支架寬度約為1 600 mm），此情況下液壓支架的支護(hù)高度約為4 000 mm，在支護(hù)過程中的頂板載荷FR對支架底板上載荷作用位置x 的影響如下頁圖2 所示，對液壓支架的轉(zhuǎn)角φ 的影響[3]如下頁圖3 所示。

由圖2 可知，作用在底板上的載荷位置隨著頂板載荷的增加而增大，即頂板載荷越大，液壓支架底板上的偏載越嚴(yán)重。液壓支架在工作過程中保持穩(wěn)定不失穩(wěn)的條件為載荷作用在支架底座上的位置要大于零小于液壓支架的寬度（1 600 mm），在此范圍內(nèi)頂板載荷的范圍隨著液壓支架工作阻力P 的增加而增加，且此情況下的摩擦力將小于達(dá)到失穩(wěn)臨界點(diǎn)時候的最大靜摩擦力。

圖2 頂板載荷對支架底板作用位置的影響示意圖

圖3 頂板載荷對支架工作傾角的影響

由圖3 可知，隨著頂板載荷FR的增加，液壓支架的工作轉(zhuǎn)角會逐漸增加，但液壓支架受力在轉(zhuǎn)動過程中底座與地面分離前的摩擦力的取值范圍會隨著液壓支架支護(hù)阻力P 的增加而增大，由于在實(shí)際應(yīng)用的過程中液壓支架和底板之間的摩擦力的范圍要大于頂板載荷FR，而且由于在穩(wěn)定支護(hù)的過程中液壓支架的頂梁所受的載荷要小于其最大靜摩擦力[4]，因此液壓支架在傾斜支護(hù)過程中的轉(zhuǎn)動失穩(wěn)的可能性要大于下滑失穩(wěn)的可能性。

3 結(jié)論

針對現(xiàn)有液壓支架在煤礦井下支護(hù)過程中頻繁出現(xiàn)的受載支護(hù)失穩(wěn)現(xiàn)象，本文結(jié)合某礦井下實(shí)際地質(zhì)情況，對液壓支架在支護(hù)過程中的載荷分布情況進(jìn)行了監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對其失穩(wěn)特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明：

1）液壓支架工作時的阻力沿著工作面的傾向呈現(xiàn)顯著的分區(qū)特征，并且在下部區(qū)域最小，中部區(qū)域最大。

2）在煤礦井下綜采作業(yè)的過程中，受到開采過程中的擾動和頂板移動的影響，液壓支架的支護(hù)狀態(tài)會不斷變化，隨著支護(hù)高度的影響，液壓支架支護(hù)過程中轉(zhuǎn)動下滑和失穩(wěn)的概率隨著支護(hù)高度的增加而增大，使其旋轉(zhuǎn)失穩(wěn)的概率大于下滑失穩(wěn)的概率。

3）在井下支護(hù)過程中需要重點(diǎn)對支護(hù)區(qū)域頂板的礦壓進(jìn)行監(jiān)測，特別是重點(diǎn)針對支架群中的上部頂板活動區(qū)域，及時采取加固方案，并及時調(diào)整液壓支架的支護(hù)狀態(tài)，防止出現(xiàn)支護(hù)失穩(wěn)現(xiàn)象。