大倾角综放液压支架整架结构稳定性分析及控制措施

煤 炭科技

COAL SCIENCE & TECHNOLOGY MAGAZINE

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文章编号：1008-3731 (2018)02-0139-04

大倾角综放液压支架整架结构稳定性分析及控制措施

张健

渊山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西吕梁033600)

摘要:大倾角综采工作面液压支架受煤层条件、自身结构件强度和控制系统可靠性影响， 存在倾倒、滑移及扭斜等失稳问题，对综采工作面采煤效率产生了很大影响。为此对综采工 作面液压支架液压结构稳定性控制系统进行了研究，提高大倾角综放液压支架对煤岩的适 应性，实现大倾角综采面的高效生产。关键词:大倾角;液压支架;稳定性中图分类号:TD355.4

文献标志码:B

Stability analysis and control measures of whole structure of fully-mechanized top coal caving hydraulic

support with large inclination angle

ZHANG Jian

(Xiegou Coal Mine, Shanxi Xishan Jinxing Enegy Co., Ltd.袁 Luliang 袁 Shanxi 袁 033600)

Abstract: The hydraulic support of the large dip angle fully-mechanized face is affected by the coal seam condi­tions, the strength of the self structural parts and the reliability of the control system, and there exists the insta­bility of the toppling, slip and twist, which has a great influence on the coal mining efficiency of the fully-mech­anized coal mining face. Therefore, the hydraulic structure stability control system of the hydraulic support on fully-mechanized mining face was studied to improve the adaptability of the high dip angle fully-mechanized hy­draulic support to the coal and rock, and to realize the high efficiency production of the large dip angle fully- mechanized mining face.

Key words: big dip angle; hydraulic support; stabilityCLC number: TD355.4

Document identification code: B

液压支架是急倾斜煤层工作面最主要的支撑 设备，其稳定性不仅受到煤岩运移规律和矿压显现 特性的影响，还与支架整架结构稳定性有关[1-4]。大 倾角综采工作面煤岩运移过程中支架受力状态不 断发生变化，必然使支架整架结构出现滑移、倾倒 与扭架的主要失稳现象，导致工作面短时间内无法 正常运行，制约安全生产。因此，研究大倾角综采面

支架结构稳定性，对提高综采面整体支护能力具有 重要意义。i

大倾角综放液压支架横向结构稳定性影

响因素分析及控制措施

对于大倾角煤层综放采场，横向失稳是液压支 架失稳研究中必须考虑的因素，通常指液压支架在

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静态支撑与动态支护条件下，沿其对称中心面的法 相面出现的支架失稳现象。1.1工作面倾角

工作面倾角作为综放工作面最直接的特征因 素，是支架出现倾倒和下滑的关键因素。由于倾角 的存在，使支架整体产生倾斜，重心超出底座边缘 的几率增加，另外孔轴配合间隙引起的支架结构偏 移，将进一步加剧支架倒架倾向。在大倾角综采面， 煤层倾斜角度较大，此时支架自重会产生向下的倾 向下滑力，使支架产生倾向下滑的趋势，由于顶底 板与液压支架摩擦力的存在，下滑力与摩擦力之间 满足平衡条件，支架可以维持自身稳定性，当支架 滑动力大于抗滑力时，支架就会倾向滑移，出现滑 架现象。为此，可将采煤面设计成伪斜开采，从而减 小支架在采煤面上的布置角度。伪斜开采空间布置 方式如图1所示，OAFG面表示大倾角采煤面，为工 作面倾角，为煤层伪倾斜角，从图上可得，茁 < 琢，故 伪斜开采方式可明显降低采煤面倾向角度。

(a)平面(b)立体

图1伪斜工作面平面及立体

1.2各构件间配合间隙

急倾斜煤层液压支架各构件铰接点孔轴配合 间隙能引起结构件之间的横向偏移，在支架自身大 尺寸条件下，进一步增加结构偏移量，导致支架重 心偏移，受力状态发生变化，严重影响支架横向平 衡状态。液压支架横向偏移如图2所示。

图2

支架横向偏移示意

一方面可在液压支架生产过程中，结合国内外 先进的孔、轴加工制造技术，优化销轴、连杆孔、底 座孔的加工工艺，缩小孔轴的配合间隙，减小连杆 与底座轴向配合间隙，限制连杆轴向游动;另一方 面，各构件连接处的板筋、耳板选择强度较高的材 料，并对连接处进行局部热处理，增大构件连接处 的屈服强度，降低材料因外力导致的塑性变形，减 小支架自身配合间隙引起的顶梁偏移，减小移架支 持力，使移架顺利，增加工作面的采煤效率。1.3底座宽度和支架高度

底座宽度决定大倾角煤层液压支架倒斜力臂 及防倒斜力臂，从而影响支架倒斜及防倒斜力矩关 系，支架重心位直的高低由支架高度决定，如果重 心位置高度增加，支架上部的力所产生的倾倒力矩 增大，从而稳定性降低，因此液压支架自身高度与 底板大小要综合考虑。原液压支架底座宽为1.5 m，

优化后底座宽为1.6m，对底座施加端集中载荷，优 化前底座应力有效值为178 MPa，最大应变量 1.024 mm，优化后底座应力有效值为165MPa，最 大应变量0.941mm，通过对优化结果前后对比可 知，适当增大底座比宽，可提高其稳定性。底座优化 前后对比如图3所示。

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图3

底座优化前后对比

1.4支架与顶底板间的摩擦因数

在急倾斜煤层工作面，液压支架与顶底板摩擦 系数对预防滑架具有关键作用，在工作面支架支撑 压力一定的情况下，接触摩擦因数越大，抗滑力越 大。静摩擦系数由接触面的粗糙程度决定，由于大 倾角液压支架工作过程中要求快速移架，如果对底 板进行粗糙处理，必定降低移架速度，而且增加了 空顶时间，不利于顶板稳定性的维护，一般最简单 的方法是在液压支架底板焊接纵横交错的钢筋，形 成一个防滑网。考虑到大倾角煤层顶底板的波动 性，可对液压支架底座结构进行相关设计，底座接 缝处与筋板外形采用弧线形设计，或者在底板焊接 相互交错的钢筋，形成底座防滑网，如图4所示，从 而增大支架底座与顶板之间的接触面积，使支架底 座更好地适应底板的变形波动。

图4

液压支架底座防滑网2

大倾角综放液压支架纵向结构稳定性控

制措施

2.1调整支架高度、底座宽度和摩擦系数

从提高底板摩擦系数、降低重心高度等方面提

高大倾角综放液压支架的纵向稳定性的方式与横 向稳定性相同，即通过粗加工或刻交叉纹的方式增 大底座底面的粗糙度；重心高度对大倾角综放液压 支架横向及纵向稳定性影响的机理相同，因此降低 重心高度的措施相同，如图5所示，实线表示优化前 的支架重心铅垂位置，虚线代表优化后的支架重心 铅垂位置。降低顶梁、掩护梁等结构的重量，相应地 增加底座基础重量，可使支架重心位置降低，而降低 顶梁、掩护梁重量的前提是要保证强度、刚度、硬度 等不会降低。随着工作面开采高度的增加，支架重心 会不断升高，而选用轻量化、高强度的钢材就成为降 低支架重心高度、保证支架支撑强度的有效手段，因

此研究1 000 MPa甚至更高强度的板材是提高大倾 角综放液压支架稳定性的重要方式，相应的高强度 板材加工及焊接工艺研究也需要同步进行，以实现 高强度板材的综合机械性能及承载能力。

图5支架重心位置变化曲线

2.2合理控制端面距

端面距是衡量支架与煤壁系统稳定性的直接 因素，在开采过程中，随着支架高度的变化以及冒 落顶煤对支架掩护梁的作用力，使支架背离煤壁向 后仰斜，导致支架端面距增加较多，则煤壁前方空 顶面积增大，顶板失去支架的有效支撑，出现不同 程度的冒落;如果端面距减小较多，则顶梁前端离 煤壁较近，采煤机开采过程中容易切割顶梁，对机 械设备造成损坏，因此要求梁端距变化要小，合理 的端面距可以有效提高支架支护强度以及采煤效 率。在合理控制梁端距的过程中，首先要保证支架 有效接顶，合理控制好支架在移架过程中的倾斜角 度，以免造成支架在移架时出现较大回转;其次要

保证支架护帮板准确动作，且护帮液压千斤顶要在 移架结束之前开始动作，从而有效缩短空顶时间， 使前壁得到及时支护，对于采高较大的综采面，可

配备二级护帮装置。不同端面距下的综采面状态如 图6所示，在端面距为0.75 m时，支架整体支护状 态正常，未发生大幅度煤体下落和前壁失稳现象;

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当端面距达到1.0 m时，工作面煤壁出现失稳现 象，并伴随明显的煤体冒落，由此确定葛亭煤矿工 作面端面距不得超过0.75 m。

3

结

语

基于葛亭煤矿ZF5600/16.5/26型支架，从架体结构稳定性和综采面支护系统稳定性的角度，提出 综采面整体稳定性控制措施，并设计与支架架型相 匹配的防倒滑装置，有效调整了支架状态，具有较 强适应性。

参考文献：

[1] 苏林军，朱峰.放顶煤液压支架的创新与发展[J].煤炭科学技

术，2011,39(4): 84 - 88.

(a)端面距为0. 75 m

[2] [3] [4]

杨鹏.山西煤炭企业可持续发展研究[J].科技创新与生产力， 周海丰.神东矿区建设世界一流矿井探索与实践[J].煤炭科学技 李炳涛.国产化高端综采液压支架的发展[J].煤矿机械，2008，29 2015(3)： 9 - 10.术，2015(s2):26 - 28.(9)：3-5.

作者筒介：张健(1985—)，男，吉林白城人，2010年毕业于中国矿业大学采矿工程专业，山西西山晋兴能源有 限责任公司斜沟煤矿技术员。

(b)端面距为1.0 m图7

不同端面距的端面状况

(收稿日期院2018-04-10)

(3)矿井的瓦斯防治工作应严格遵守《防治煤 与瓦斯突出规定》，突出危险区坚持双“四位一体” 综合防突措施，确保在煤层消除突出危险性以后， 方可进行采掘活动。

(上接第131页）

表4煤层

贺西煤矿4煤突出性鉴定指标汇总指标破坏类型

4煤

+580 m以下

放散初速度坚固性系数f最大瓦斯压力

临界值芋、郁、吁100.50.74

实际值域-吁17. 60.211.8

对比分析达到临界值大于临界值达到临界值大于临界值

参考文献：[1]

国家安全生产监督管理局.煤与瓦斯突出矿井鉴定规范[M ].北 京:煤炭工业出版社，2006.

[2] 韩建设，刘军，黄元乐，等.单项指标法鉴定煤与瓦斯突出性的成

功应用[J].煤炭科技，2017(1):64- 67.[3] [4]

国家安全生产监督管理局，国家煤矿安全监察局.防治煤与瓦斯 国家安全生产监督管理总局.煤的瓦斯放散初速度指标(Ap)测 突出规定[M].北京:煤炭工业出版社，2009.定方法[M ].北京:煤炭工业出版社，2010.

依据《煤与瓦斯突出矿井鉴定规范》、《防治煤 与瓦斯突出规定》、《煤矿瓦斯等级鉴定暂行办法》， 综合分析贺西煤矿4煤标高+580 m以下鉴定范围 内煤体有煤与瓦斯突出危险性。5

结

语

作者简介：张登峰（1988—)，男，山西平遥人，2011年贺西煤矿4煤标高+580 m以下鉴定区域

毕业于山西煤炭职业技术学院矿井通风与安全专业，山西

内有煤与瓦斯突出危险性。

汾西矿业集团水峪煤业有限责任公司助理工程师。

(2) 矿井在今后生产过程中，应加强矿井瓦斯

(1)

地质工作，及时掌握煤层地质、瓦斯随开采深度的 变化规律。

(收稿日期院2018-03-23)