王明奎

（晉城金成礦山建筑工程有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

引言

大采高技術(shù)的應(yīng)用不僅使我國厚煤層開采效率得到大幅度提高，而且實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。雖然大采高技術(shù)有著效率方面的優(yōu)勢，但是對煤層的開采地質(zhì)條件有著較高的要求，煤層傾角是其中最重要的影響因素。由于大采高技術(shù)中使用的液壓支架的重量是普通液壓支架的十幾倍甚至幾十倍，因此保證液壓支架工作過程中的穩(wěn)定性非常重要[1-2]。液壓支架主要受到巖層的重力作用和自身的重力作用，圍繞液壓支架的受力進(jìn)行展開，分析了煤層傾角對于液壓支架穩(wěn)定性的影響。

1 液壓支架穩(wěn)定性力學(xué)模型

大采高液壓支架的自重對其穩(wěn)定性有著顯著的影響，為此分析了液壓支架的重在傾向和走向方向的受力情況，如圖1所示。

從圖1可見，液壓支架穩(wěn)定性應(yīng)該是由走向角度和傾向角度共同決定的。液壓支架在三個方向上的分力可以由公式（1）（2）計(jì)算得到。

圖1 液壓支架的自重受力情況

式中：α、β分別為傾角和俯采角；G為支架自重力，N；G1、G2、G3分別表示G在三個方向的分力，N。

1.1 液壓支架傾向穩(wěn)定性分析

根據(jù)液壓支架的受力情況建立了液壓支架走向和傾向方向的穩(wěn)定性力學(xué)模型。

1.1.1 液壓支架發(fā)生傾向傾倒時穩(wěn)定性分析

對液壓支架的傾向進(jìn)行受力分析，如圖2所示。

圖2 支架傾向傾倒受力分析示意圖

建立支架受力的平衡方程：

將式（2）和式（1）代入到（3）中，可得到支架傾倒的臨界角[3]α的計(jì)算公式：

式中：R11、R12分別為反支力和工作阻力，N；f11、f12分別為頂板和底板的摩擦力，N；h為采高，m；b為支架寬度，m。

1.1.2 液壓支架發(fā)生傾向滑移時穩(wěn)定性分析

對液壓支架的傾向進(jìn)行受力分析，如下頁圖3所示。

圖3 支架傾向滑移受力分析示意圖

建立支架受力平衡方程：

將式（2）和式（1）代入到（6）中，可得到支架滑移的臨界角α是計(jì)算公式：

式中：R21、R22分別支撐力和工作阻力，N；f21、f22分別為摩擦力，N。

1.2 液壓支架走向穩(wěn)定性分析

1.2.1 液壓支架走向傾倒時穩(wěn)定性分析

支架在正常開采時期的走向傾倒力學(xué)模型（俯采）如圖4所示。

圖4 支架走向傾倒受力分析示意圖

建立支架受力平衡方程：

由式（9）可得工作面俯采時的臨界角β的計(jì)算公式：

式中：F為煤壁的支撐力，N；d為頂梁長度，m；L為底座長度，m；m為頂梁尾部與底座尾部的距離，m；x為支架重心位置距底座尾部距離，取L/3。

1.2.2 液壓支架走向滑移時穩(wěn)定性分析

支架在正常開采時期的走向滑移力學(xué)模型（俯采）如圖5所示。

圖5 支架走向滑移受力分析示意圖（俯采）

建立支架受力平衡方程：

由式（13）可得工作面俯采時的臨界角β的計(jì)算公式：

由式（14）可知，支架在工作狀態(tài)時的走向俯采臨界滑移角與支架自身重量、工作面傾向角度成反比，與摩擦系數(shù)、支架支撐力、煤壁對支架的支撐力成正比[4]。

2 液壓支架穩(wěn)定性的影響因素分析

以上建立了工作面回采期間液壓支架穩(wěn)定性的力學(xué)模型。下面將利用建立的模型對大峪煤業(yè)103綜采工作面回采期間液壓支架的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。大峪煤業(yè)103綜采工作面采高（h=5.0 m）、支架重力（G=220 kN）、支架寬度（b=1.2 m）、支架支撐力（R12=4 500、5 200 kN）、摩擦系數(shù)（μ=0.25）。將這些參數(shù)帶入到式（4）（7）（10）和（14）中，可以得到臨界支護(hù)阻力和工作面傾角以及俯采角的關(guān)系，如下頁圖6所示。

由下頁圖6-1可見，隨著采高的增加，液壓支架在傾向不傾倒所需的臨界阻力近似線性增加的。在采高一定時，液壓支架的傾角越大，所需的臨界支護(hù)阻力也就越大。由下頁圖6-2可以發(fā)現(xiàn)，隨著俯采角的增加，所需的臨界支護(hù)阻力也會增加。俯采角對支架傾向不滑移所需最小支護(hù)阻力的影響也較為明顯。但當(dāng)傾角增大到一定程度以后，俯采角的影響有所減小。

圖6 傾角和俯采角對液壓支架臨界支護(hù)阻力的影響分析

3 實(shí)例分析

根據(jù)上述分析的結(jié)果可知，在大峪煤業(yè)103綜采工作面的開采條件下，液壓支架不發(fā)生傾倒和滑移所需的支護(hù)阻力如表1所示。

表1 大采高支架所需的臨界支護(hù)阻力