大倾角大采高工作面正常开采时期支架稳定性分析

doi:10.3969/j.issn.2676-9943.6017.06.068

能源技术与管理Energy Technology and Management2017年第42卷第6期

Vol.42 No.(5

大倾角大采高工作面正常开采时期支架稳定性分析

王飙22

(1.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司晋城金成矿山建筑工程有限责任公司，山西晋城048006;2.中国矿业大学

矿业工程学院，江苏徐州221116)

[摘要]以高庄矿3上509大倾角大采高工作面具体地质条件为基础，分别从倾向和走向方

向对工作面正常开采时期支架稳定性进行了力学分析。分析结果表明，3上509工作 面支架不倾倒所需最小支护阻力为283.59 kN，支架不滑移所需最小支护阻力为 183.75 kN，即工作面在正常开采时期，支架保持稳定的最小工作阻力应不小于 283.59 kN。因此，工作面使用额定工作阻力为6 600 kN的支架能够满足正常开采 时期支架稳定性要求。

[关键词]大倾角；大采高；正常开采时期；支架稳定性；力学计算

[中图分类号]TD355+.3 [文献标识码]B [文章编号]1672-9943(2017)06蛳0076蛳04

0引言

我国大倾角煤层开采的发展水平远低于缓倾

架倾向和走向的稳定性力学中进行分析计算，则 忽略了走向角度和倾向角度分别对支架倾向稳定 性和走向稳定性的影响。以往的支架稳定性分析 忽略了此因素，计算得出的临界倾倒角偏大。

斜煤层，且在实际生产过程中存在许多有待解决 的技术难题[1]。本文以高庄矿3上509大倾角大采 高工作面具体采矿地质条件为基础，对大倾角大 采高工作面正常开采时期的支架倾向和走向稳定 性进行力学分析，以便为工作面安全高效开采提 供理论指导。

1高庄矿3上509工作面概况

高庄矿3上509工作面为-430 m水平西五

图1

自重作用下支架受力分布情况

采区东翼最深的一个工作面，工作面所采煤层为

二叠系山西组3上煤层，煤层总体为一单斜构造， 煤层厚度基本稳定。根据工作面内的钻孔资料及 开切眼实际揭露情况，煤层厚度3.75〜6.6 m，平均 厚度5.6 m，局部含有2层厚约0.3 m的夹矸。煤 层最大倾角31°，最小倾角12°。工作面内地质构 造较为发育，其中FS507-3、DF9及DF3 3个断层对工 作面回采影响较大。3上509工作面采用走向长壁 (俯采角10°)—次采全高采煤方法，所使用的大 采高液压支架为ZY6600-65.5/55型两柱掩护式 液压支架。

在本文的支架稳定性分析中，为了使计算结 果更为准确，并保证一定的安全系数，将Q和G3 的合力值作为Q和G3分别代入支架倾向和走向 的稳定性力学中进行计算。

由图1中的几何关系及力学简化分析可知： G1~ G3~G X 姨 1 -cos6a• cos6yS

G6=G • cosa • cosyS

式中:a为工作面倾角;为俯采角；G为大采 高支架自重力；G1为G在工作面倾斜方向的分 力;G6为G沿煤层法线上的分力；G3为G在工作 面走向方向上的分力。

2大倾角工作面支架稳定性力学模型建立

大采高液压支架在自重作用下的受力分布如

图1所示。从图1中可以看出，由于支架稳定性是

倾向和走向6个角度共同作用的，若将G (工作 面倾斜方向）和G(工作面走向方向)分别代入支

3大倾角工作面正常开采时期支架稳定

性分析

3.1正常开采时期支架倾向稳定性分析

(1)支架倾向倾倒力学分析。支架在正常开

2017年12月Dec., 2017

王飙大倾角大采高工作面正常开采时期支架稳定性分析

力，如图3所示。

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采时期的倾向倾倒力学模型如图2所示。

图3支架倾向不倾倒所需的临界支护阻力变化

由图3可知，随着工作面采高增大，支架在工

Rii.底板对支架支撑力;Ri2.支架支护阻力；Gi.支架自重在工作面倾斜方向分力；G2.支架自重沿煤层法线的分力;a.工作面倾角； h.工作面采高;b.支架宽度;fii.支架与底板摩擦力;

fi2.支架与顶板摩擦力

作状态下倾向不倾倒所需的临界支护阻力呈近似 线性增加，倾角对临界支护阻力的影响也较为明 显。

(2)支架倾向滑移力学分析。支架在正常开 采时期的倾向滑移力学模型如图4所示。

图2支架倾向倾倒力学模型

由图2可以得出下列等式：/ii+/i2=Gi Rii=G2+R i2

Ri2b+/i2h+乎-乎=0

由式⑴可得出支架临界倾倒角为：

fi2=lM2hM-2R i2h(b ++xK)

G(b2+h2)cosyS

R21.底板对支架支撑力;R22.支架支护阻力；G1.支架自重在工作面倾斜方向分力；G2.支架自重沿煤层法线的分力;a.工作面倾角； h.工作面采高;b为支架宽度;/11.支架与底板摩擦力;

/12.支架与顶板摩擦力

其中：

M=姨 G2(b2+h2)-4R2i2(^h+b)2由式(2)可知，增加支架宽度b和减小支架高 度h(工作面采高），支架的临界倾倒角随之变大， 有利于工作面支架的稳定。临界倾倒角随支架自

重G和俯采角度增大而减小，因此在保证支架有 足够强度的条件下，适当减小支架自重和走向俯 采角度有利于支架倾向方向的防倒。同时，支架临 界倾倒角还随摩擦系数M的增大而增大，即增大 摩擦系数有利于支架倾向方向的防倒。另外，当增 大支架支撑力时，支架临界倒角将随之增大，即增 大支架支撑力有利于支架倾向方向的防倒。

将高庄矿3上509工作面采高（h=5.5m)、支 架宽度(b = 1.5 m)、支架重量(G=260 kN)、摩擦系 数(/x=0.3 )、支架支撑力(Ri2=5067、6600 kN)带入 式(2)计算可知，在此条件下，工作面支架不会发 生倾倒。支架在工作状态(最大倾角3i°，俯采角 i0°)时不倾倒所需最小支撑力为283.59 kN。

根据式(2)可计算得出支架在工作状态下不 同采高、倾角情况时的不倾倒所需的临界支护阻

图4支架倾向滑移力学模型

由图4可以得出下列等式：

f21+f22=G1R 21=G 2+R 221 /21=l^R2+/22h+斗G1h R21b

飞 Y

(3)

=0

由式⑶可得出支架临界倾倒角为：

一

[M-(4^2+3)R22

4G(^2+i)cosyS

( 4)

其中：

M= V^GV+GMR^/x2

由式(4)可知，增加支架支护阻力和支架与煤 层顶底板间的摩擦系数、减小支架自重(在保证支 架有足够强度的条件下）和走向角度有利于支架 在倾向方向的防滑。

将高庄矿3上509工作面相关参数代入式(2)

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能源技术与管理Energy Technology and Management

N=16GL6+9Gh6

2017年第42卷第6期

Vol.42 No.(5

中计算可得出支架在工作状态下不同俯采角、倾 角情况时的倾向临界滑移角，如图5所示。

由式(6)可知，支架在工作状态时的俯采临界 倾倒角与支架自身重量、采高、工作面倾向角度成 反比，与摩擦系数、底座长度、支架工作阻力、煤壁 对支架的支撑力成正比。

将高庄矿3上509工作面相关参数(支架支撑 力R66=5067、6 600 kN)带入式(6)，并令F=0(因煤 壁对支架作用力较小，此处计算忽略其对支架稳 定性的影响），可得出支架在工作状态下临界倾倒

图5支架倾向不滑移所需最小支护阻力

角不存在，由此可知俯采支架在初撑或工作状态 时不会发生倾倒。高庄矿煤层走向俯采角度为 20°，R66(此处可表示为最小支撑力或带压移架力） 最小值为56.6 kN时，支架在走向方向才不会发 生倾倒。

3.6.6支架走向滑移力学分析

支架在正常开采时期的走向滑移力学模型 (俯采)如图7所示。

由图5可知，在支架工作状态时不同倾角倾 向不滑移所需的最小支护阻力呈线性增加，俯采 角对支架倾向不滑移所需最小支护阻力的影响也 较为明显。但当倾角增大到一定程度以后，俯采角 的影响有所减小。

3.2正常开采时期支架走向稳定性分析 3.2.1支架走向倾倒力学分析

支架在正常开采时期的走向倾倒力学模型 (俯米)如图6所示。

R62.底板对支架支撑力;R66.支架支护阻力;;S.俯采角；

G6.支架自重沿煤层法线的分力；

G3.支架自重沿工作面走向方向的分力;d.支架顶梁长度；

R62.底板对支架支撑力;R66.支架支护阻力;A俯采角；

G6.支架自重沿煤层法线的分力；

G3.支架自重沿工作面走向方向的分力;d.支架顶梁长度；

F.煤壁对支架的支撑力；

m.支架顶梁尾部与支架底座尾部之间的距离；

L.支架底座长度;x.支架重心作用位置距底座尾部距离，取L/3 ； h.工作面采高;f62.支架与底板摩擦力;f66.支架与顶板摩擦力

F.煤壁对支架的支撑力；

m.支架顶梁尾部与支架底座尾部之间的距离;L.支架底座长度; x.支架重心作用位置距底座尾部距离，取L/3; h.工作面采高；

f62.支架与底板摩擦力;f66.支架与顶板摩擦力

图7支架走向滑移力学模型(俯采）

由图7可以得出下列等式：

J61+f66+f=G3J61=MR61^ F66=^R66 R62—G6+R66

(7

图6支架走向倾倒力学模型(俯采）

由图6可以得出下列等式：

Jr62+f66+F=G3R6i=G6+R66

(5)

Fh+f66h+R66 [L-m~Y =0

Fh+f66h+R66(L-m)+ 6^^6^~- ^6\" =〇

由式(5)可得出俯采临界倾倒角为:yS=arccos其中：

M=R66m-LR66-Fh-R66/xh

64LM+3hN-36M

解之可得：

GV+I^MSaM

yS—arccos

G(u,6+2)cosa

6)

其中：M=F+6/xR66

(8)

Ncosa

由式(8)可知，支架在工作状态时的走向俯采

2017年12月Dec., 2017

王飙大倾角大采高工作面正常开采时期支架稳定性分析

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临界滑移角与支架自身重量、工作面倾向角度成 反比，与摩擦系数、支架支撑力、煤壁对支架的支 撑力成正比。

将高庄矿3上509工作面相关参数（支架支 撑力R2=5067、6 600 kN)带入式(8)，并令F=0,可 得出支架在工作状态下临界滑移角不存在，由此 俯采支架在工作状态时不会发生滑移。高庄矿煤 层走向俯采角为10°，R22最小值为183.75 kN支 架才不会发生滑移。

由上述的倾向和走向力学计算可知，在高庄 矿3上509大倾角大采高工作面地质条件下，工 作面正常开采时期支架不发生倾倒滑移所需最小 支护阻力如表1所示。

表1

工作面正常开采时期支架工作状态计算结果

单位:kN

状态倾向走向俯采

临界倾倒支护阻力

283.5952.2

临界滑移支护阻力

172.95183.75

面正常开采时期支架稳定性进行了力学分析。分 析结果表明，高庄矿3上509工作面在正常开采时 期支架不倾倒所需最小支护阻力为283.59 kN(取 正常开采时期倾向和走向临界倾倒支护阻力的最

大值)，支架不滑移所需最小支护阻力为183.75 kN (取正常开采时期倾向和走向临界滑移支护阻力 的最大值），即工作面在正常开采时期，支架保持 稳定的最小工作阻力应不小于283.59 kN。因此，高 庄矿3上509工作面使用额定工作阻力为6 600 kN 的支架能够很好地满足工作面正常开采时期支架 稳定性的要求。

[参考文献]

[1] 李文昌.大采高大倾角综采工作面设备配套与开采技

术[].河北煤炭，2008(3):30-31.

[2] 邓建设，吴风刚，吕修明，等.大倾角大采高综采技术[].

煤矿开采，1998(12):58-59.

[3] 王永东，田银素.大采高液压支架使用中存在的问题

与对策[ ].煤炭科学技术，2002，30 (增刊1): 47-49.

[作者简介]

J

J

4结论

结合高庄矿3上509大倾角大采高工作面具

王飙(1969-)，男，工程师，毕业于河南理工大学，主要

体采矿地质条件，从倾向和走向方向分别对工作

从事采矿工程、矿山建设方面的技术研究工作。

[收稿日期：2017-10-18]

(上接第75页）的水平变形量仅为0.6

mm，说明

实充填采煤技术时，在进行固体密实充填的过程 中，会导致成本有所增加，但更便于沿空留巷，能 够达到无煤柱采煤的效果，可以有效增加开采效 益。③采用固体密实充填采煤方法，能够充分利用 煤矿开采过程中所产生的矸石、粉煤灰以及黄土

2086工作面在采用固体密实充填开采方法进行

煤炭开采作业过程中，对地表的建筑物以及地表 设施产生的影响非常小。

距离/m

0

500

1000

1500

等固体废弃物，不仅有利用改善这些固体废弃物 的循环再利用效率，同时还能够保护矿井周围的 环境不受污染，具有显著的生态效益。

[参考文献]

[1] 聂寅升.分析井下煤矸分离和综合机械化固体充填米

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[3] 李猛，张吉雄，邓雪杰，等.含水层下固体充填保水开

采方法与应用[].煤炭学报，2017( 1): 127-133.

[作者简介]

4结语

固体密实充填采煤技术的发展尤为迅速，其

应用范围在不断扩大。就目前整体的应用效果来 看，固体密实充填采煤技术拥有下列特征:①固体 密实充填采煤技术的应用不会受制于地质条件， 只要适用综合机械化采煤技术的矿井，几乎都能 够应用固体密实充填采煤技术。②在应用固体密

周丹（1981-)，男，助理工程师，毕业于太原理工大学 采矿工程专业，主要从事煤矿采煤技术工作。

[收稿日期：2017-07-18]