专题-大倾角支架稳定性研究.doc

1、专题部分大倾角支架稳定性研究摘要：在综合机械化高产高效采煤方法不断发展的今天，工作面设备在开采各个环节中的作用不断加强。大倾角工作面设备稳定与否是工作面能否顺利实现开采的关键。大倾角煤层主要是指倾角在2555。的煤层。大倾角煤层多受较剧烈地质构造运动形成，煤层顶底板遭受破坏程度大，顶底板岩石的层理与原生裂隙较发育，较易冒落。大倾角煤层采面的围岩控制方法的选择及支护设计就应遵循本身围岩运动规律和特点。同时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,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

2、基础上介绍了保证大倾角综放液压支架稳定的途径。关键词：大倾角；支架；稳定性；煤层；稳定分析Study on Stability of Hydraulic Support Used in Big Dip Angle Mining FaceAbstract:Mainly studi s on the stability of hydraulic support us d in larg dip angl mining face , analyzes the factors of impacting the hydraulic support stability, the measures of i

3、mproving the stability of the hydraulic support, the anti- skid and anti- collapse measurs and caving process measures of hydraulic support. Keywords: large dip angle; hydraulic support; stability; measure1 引言大倾角煤层主要是指倾角在2555。的煤层。当煤层的倾角大于35。时，冒落矸石滑落形成采空区的下部填满、上部悬空，从而形成不同于35。以下煤层的岩层移动规律。大倾角煤层多受较剧烈地质构

4、造运动形成，煤层顶底板遭受破坏程度大，顶底板岩石的层理与原生裂隙较发育，较易冒落。大倾角煤层采面的围岩控制方法的选择及支护设计就应遵循本身围岩运动规律和特点。在综合机械化高产高效采煤方法不断发展的今天，工作面设备在开采各个环节中的作用不断加强。大倾角工作面设备稳定与否是工作面能否顺利实现开采的关键。2大倾角支架稳定性分析2.1影响液压支架稳定性的因素液压支架的稳定是影响大倾角综放开采能否成功的关键。由于放顶煤开采支架上方面对的是松软的顶煤，导致大倾角综放开采除了单一长壁开采中遇到的难题外，还在以下几个方面影响支架稳定性：(1)大倾角综放开采中，顶煤在工作面倾角方向上各个位置的受力不同导致了顶煤

5、的冒放性不同，从而要求在工作面不同位置采用不同的放煤工艺，而且在顶煤放出过程中，支架上方顶煤移动会影响相邻支架上方顶煤的状态，进而影响相邻支架的受力状态与稳定性。(2)放顶煤支架后部的低位放煤机构在放煤过程 中受到煤流向下的分力，会对支架掩护梁及尾梁施加侧向力，使支架产生侧向摆动，从而带动支架扭斜。(3)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。2.2 提高支架稳定性的措施 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

6、降低不利因素的影响，有效提高支护系统的稳定性。 (1)合理地提高初撑力和工作阻力 合理地提高初撑力和工作阻力可有效地提高支架工作状态的稳定性，也就是现场常说的“支得牢、 稳得住”。在支架设计时，应尽量选用较大缸径立柱。 (2)尽可能选用中心距1.5m架型 在井下运输、搬家条件允许的情况下，选用中心距15In架型。底座应在保证拉后刮板输送机千斤顶空间的情况下尽量加宽。 (3)保证对顶板足够支撑强度的前提下，尽量减轻支架重量 大倾角煤层走向长壁工作面矿压显现的主要特 征是由于不均匀充填导致沿工作面倾斜方向来压顺序、持续时间、来压强度的不均衡和顶板对支架作用 的载荷较缓倾斜小。同时，由于支架重量与稳

7、定性 成反比关系，因此，只要支护强度能满足要求，应尽量减轻支架重量，以提高稳定性，同时亦有利于支架在工作面的调整和搬家。(4)适当增加初撑力和工作阻力，尽量降低对底板比压提高支架稳定性角度出发，加大支架初撑力，工作时充分利用工作阻力，移架时保持一定的阻力。加大支架阻力必须确保支架与顶底板接触状况良好，以不破坏煤层底板为前提。这主要依靠加大底 座面积，调整合力作用点位置，从而使底板比压降低来实现。 (5)严格控制采高，适当加快推进速度 控制采高也就是控制支架高度。超高开采不仅降低支架的横向稳定性，同时亦造成移架，推刮板输送机困难。因此，应在不降低工作面回采率的前提下，严格控制采高，提高支架稳定性

8、，防止架间的挤、咬现象。(6)提高工作面支护系统稳定性 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的依托。通常，排头排尾支架组可由35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。(7)采用特殊回采工艺如下行截煤，上行装煤，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。2.3大倾角综放液压支架的防倒、防滑装置 支架防倒防滑技术问题，基本上是当支架脱开顶板(降柱行走过程)时出现的，当支架支撑在顶底板之间，支架是不存在下滑问题。支架出现倒

9、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。 (1)支架防倒措施 如果支架的重心铅直线在支架底座内，支架是不会倾倒的，如果铅直线在底座外部，支架就会倾倒。支架极限倾倒角为24.2。，考虑安全系数时，支架在倾角大于20。的工作面会出现倾倒。支架在使用中力争控制在支架倾倒角之内，如果工作面实际倾角等于或大于倾倒角时，支架要加防倒装置，其主要措施：保证支架顶梁间没有间隙，使它没有倾倒的空间；支架侧护板千斤顶、侧推弹簧使支架顶梁相互靠紧，始终保持有足够的扶正力，防止倒架。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

10、架作支点，用千斤顶调整该支架位置。 (2)支架防滑措施支架在前移过程中是否会下滑关键是支架下滑力与支架摩擦力相互作用的结果。如果下滑力大于摩擦力则支架下滑；否则不下滑。支架下滑极限角为18.6。一般来说，工作面倾角大于l5o就要采取防滑措施。减少支架下滑的措施：将工作面布置导向为伪斜，减小工作面实际倾角；推移杆全程推移杆和底座间隙控制在l020mm(单侧)。在任 意位置，推移杆和底座问间隙不变，控制输送机下滑。控制推刮板输送机的顺序来调整输送机的位 置。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。将输送机和支架间设置防输送机下滑装置，每隔5架一组，推移输送机时

11、，通过控制防滑千斤顶动作，牵动输送机上移。 2.4放煤工艺控制 在放顶煤开采中，放煤量与放出体轴偏角存在着复杂关系。大倾角特厚煤层综放工作面由下向上放煤时，容易造成放出椭球体轴偏角增大，放煤量增加，工作面上部支架容易失稳。顶煤运移规律通过放煤工艺影响支架稳定性，为了防止前部输送机下滑，工作面采用下行截煤，上行装煤推刮板输送机移架的操作方式，其目的是防止前部输送机的下滑，同时支架前部由于和输送机的连接同时也可抵消一部分下滑量，而支架后部由于没有相应的抵消下滑措施导致支架后部产生下滑。为了保证不过量放煤，防止支架失稳，采取由上向下间隔顺序放煤。在支架不失稳的情况下，改为由下向上间隔顺序放煤。试验结

12、果认为，从上向下放煤时，支架稳定性较好，但容易混入矸石。因此，为了加强上段工作面管理，保持支护系统稳定，工作面上段由上向下间隔顺序放煤；其余地段整体按由下向上间隔顺序放煤，有利于顶板的垮落和放顶煤， 放煤量较大。在大倾角的地质条件下，由于大倾角的影响，所产生的前方支承压力的范围是非线性、不对称的，使得在工作面不同位置，顶煤的破碎程度也会有所不同，相应地也应该分析在大倾角特厚煤层地质条件下的顶煤运移规律，从而能够采取最适合的放煤方 式，达到提高顶煤的放出率、降低含矸率和保持支架稳定性的要求。开采深度对巷道围岩的影响十分复杂，除与巷道的围岩性质密切相关外，如受采动影响的巷道，则与护巷方式和周围采动

13、状况等也有密切关系。根据我国的研究成果，可得开采深度与巷道维护之间的一般关系如下：(1) 岩体的原岩应力即上覆岩层重量，是在岩体内掘巷时巷道围岩出现应力集中和周边位移的基本原因。因此，随开采深度增加，必然会引起巷道围岩变形和维护费的显著增长。(2) 巷道的围岩变形量或维护费用随采深的增加近似的呈线性关系关系增长。(3) 巷道围岩变形和维护费用随开采深度的增长的幅度，与巷道围岩性质有密切关系，围岩愈松软，巷道变形随采深增长愈快，反之，围岩愈稳定，巷道变形随采深增长愈慢。(4) 巷道围岩变形和维护费用的增长率还与巷道所处位置及护巷方式有关，开采深度对卸压内的巷道影响最小，对位于煤体内巷道及位于煤体

14、-煤柱内巷道的影响次之，对两侧均已采空的巷道影响最大。3静力学角度研究大倾角支架稳定性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 .结合王家山煤矿分析如下：王家山煤矿四层煤呈单斜构造,煤层走向N80WN80E近似东西,倾SE或SW ,倾角2935,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

15、稳定,煤层底板之上普遍有厚01811120 m的泥岩夹层,顶板之下有厚016110 m的高炭泥岩的伪顶,极易垮落,四层煤黑色沥青光泽,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110 ,煤层裂隙发育程度2类.四层煤44407工作面倾角在3543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。3.1、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

16、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) ) ,此时有式中, h为支架高度;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a半个支架高度从式 (2)可以看出b与成反比.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117310 m ,宽