綜放工作面支架水平力及穩定性分析

張 琦

（山西宏廈第一建設有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

綜放工作面中液壓支架的水平力是影響其結構穩定性的重要因素之一，同時也是支架選型時需要被考慮的問題，對煤礦的安全高效生產具有影響[1]。國內外研究學者對支架圍巖及支架工作阻力之間的關系，從不同角度對液壓支架水平力及作用方式進行了研究，得到工作面液壓支架的承載特性[2]。基于已有的研究成果對液壓支架的作用力大小及其來源進行了深入分析，以期對工作面現場的頂板穩定性及支架穩定性提供理論指導。

1 液壓支架水平力分析

液壓支架水平力的重要來源于支架自身結構引起的水平力和外力作用下的水平力兩部分，兩者分別稱為主動水平力和被動水平力。

1.1 支架自身水平力

支架自身結構變化所引起的水平力主要包含支架本身傾斜引起的水平力及支架之間連桿作用所引起的水平力。

包括支柱傾斜引起的水平力和支架連桿運動引起的水平力。關于液壓支架的結構特性，平衡千斤頂主要用于調節頂板的載荷，使支架與頂板之間的作用力相適應，當頂梁前端存在載荷時，液壓千斤頂受壓，使載荷向后移動，反之，載荷方向向前移動，但由于平衡千斤頂對載荷的調節能力有限，因此，在額定工作阻力相等的前提下，液壓支架梁端的支撐力要明顯大于兩柱式的液壓支架，但兩柱式支架可以提供主動水平力，有利于對工作面頂板的控制。二柱式和四柱式液壓支架的力學模型如圖1所示[1]。

圖1 液壓支架力學模型圖

其中，二柱式液壓支架主動水平力計算由式（1）確定：

式中：T1為水平力分量，kN；pD為單根支柱工作阻力，kN；αD為支柱傾斜角度。

四柱式液壓支架的主動水平力由式（2）確定：

式中：T2為水平力分量，kN；pq為前排單根立柱工作阻力，kN；αq為前排支柱傾斜角度；ph為后排單根立柱工作阻力，kN；αh為后排支柱傾斜角度。

研究結果表明，二柱式液壓支架水平力包含支架隨外部結構運動而引起的水平阻力及由于四連桿作用引起的水平拉力兩部分[3]。平衡千斤頂通過與立柱的共同作用可以實現對于頂板的支撐，研究學者通過相似模擬研究了相同工作阻力下不同類型支架的支柱傾角對水平力的影響，其結果如圖2所示。由圖2的結果可知，當支架工作阻力達到1 000 kN時，在82.8°傾角條件下二柱式支架的水平力為四柱式的1.8倍左右，而在75.4°條件下，可以達到2倍左右[2]。

圖2 不同力柱阻力下支架類型對水平力的影響

四連桿運動所引發的水平力變化形式主要為“雙紐線”的形式變化，目前的“雙紐線”形態類別主要包含平緩彎曲、傾斜彎曲機直立彎曲三種。其中，平緩彎曲在較低的位置水平位移較為顯著，傾斜彎曲一般只在一個固定的方向產生水平位移，即只會在靠近煤壁的位置產生水平摩擦力以控制頂板的位移，直立彎曲在較高位置可以產生明顯的位移。三種形態的軌跡如圖3所示，水平摩擦力由式（3）計算：

式中：T為水平摩擦力，kN；Qy為支架對頂板的有效工作阻力，kN；f為摩擦系數，取 0.15～0.3。

圖3“雙紐線”主要軌跡形態

1.2 外載荷水平力

給定載荷條件下支架的力學模型如圖4所示，頂板下沉所產生的水平位移值為Δl1，底鼓所造成的水平位移值為Δl2。當頂板下沉量Δl1達到最大值時，此時由于轉動作用而產生的水平力分量是最大的，此時的最大值定義為Q，而底鼓所引起的水平位移Δl2的存在使支架在水平方向上產生了水平推量T，其計算方法為T=Wcosθ。頂板下沉產生的水平力Qx可以通過是否存在底鼓即式（4）及式（5）進行計算。

式中：Qx為垂直力分量，kN；l為合力作用點到支架底座的距離，m；l1為支架重心到底座的距離，m；Wz為支架自重，kN；hz為支架高度，m；θ為底鼓條件下支架傾角。

圖4 頂板下沉支架水平力模型

由圖 4及式（4）、式（5）可知，當巷道頂板出現下沉時，支架水平力隨垂直力的增大呈現出逐漸增大的趨勢，但隨支撐高度的增加則會出現逐漸降低的情況，頂板來壓時，實際情況下的水平力高于支架受力，從而使支架本身的穩定性降低，支架出現失穩，為煤礦生產帶來安全隱患。

頂板巖塊在冒落過程中產生的水平力也會對支架的穩定性產生影響，其力學模型如圖5為支架的力學模型，巖塊冒落所產生的沖擊力：

式中：K 為沖擊系數；Wk為冒落質量，kg；hk為冒落高度，m；t為沖擊時間，s；g為重力加速度，9.8 m/s。

圖5 頂板冒落巖塊水平力模型

式中：α為掩護梁與水平面之間的夾角。

從式中的結果可知，冒落巖層所產生的水平沖擊力與冒落巖塊的高度及質量的平方成正比，同時隨著夾角的持續增大，冒落所產生的沖擊力逐漸減小，同時當夾角達到90°時，冒落產生的沖擊力為零[3]。

2 支架水平力與穩定性的關系

2.1 支架自身水平力與其穩定性的關系

在綜放采場中存在兩個較為容易冒落的區域，分別為端面區和架后放煤區。整個安全生產防護區中，端面區是對整個安全生產防護起重要影響的區域，而端面失穩主要是由于端面距的存在，端面區內無支架支護，容易形成冒落拱。冒落拱的存在會導致支架的頂梁出現低頭的現象，使支架出現回轉，導致靠近采空區一側煤壁頂板壓力增大，而靠近煤壁一側的頂板壓力較小，式整個梁體的作用點向后方移動，最終導致端面距的增大。而在端面距較大的情況下，四柱式支架前排受壓增大、頂梁回轉量增大，最終使支架與圍巖之間的穩定性降低。二柱式液壓支架能夠在平衡千斤頂及立柱傾角的共同作用下改善自家頂梁的受力情況。

當頂板煤層存在較多裂隙時，可以優先選用二柱式液壓支架，該支架具有較強的穩定性，能夠有效保證支架對頂板的控制。由于二柱式液壓支架對平

巖塊滑落所產生的沖擊由由巖塊直接從采空區滑落后降落到支架上，其水平分力為：衡千斤頂的調節能力存在很大的局限性，但四柱式對于工作阻力的調節具有更強的優勢性，由此，在特厚煤層開采中適優先選用四柱式液壓支架。

2.2 傾角與穩定性的關系

支架頂梁的存在形式一般包含整體型、鉸接型及楔形三種。整體梁在支護過程中會上翹1°～3°，其余兩種梁能在上下范圍內擺動相應的角度。其中二柱式液壓支架頂梁的上翹模型如圖6所示，若上翹角為β，則支柱沿頂梁產生的應力分量為：

圖6 二柱式液壓支架上翹型模型

在實際生產情況下，頂梁的上翹角較小，即T3＞T1，當頂梁的上翹角度達到一定值時，可以有效提高頂梁對頂板的支撐力，最終實現對頂板的管理。

2.3 外載荷水平力與支架穩定性的關系

由于外載荷引起的水平力對支架穩定性的影響存在一定的差異性，當頂板下沉時會對頂板產生擠壓，同時使頂梁后部受力增大，最終實現梁呈現上翹的狀態。使支架在自身平衡控制范圍內，水平力的產生較大，有利于實現頂梁附近煤的擠壓，從而有效改善煤層破碎頂板冒落。但當支架頂梁的上翹角度過大時，支架會發生前移最終導致煤礦安全事故，冒落巖塊產生的水平力也會對支架的穩定性產生一定程度的影響。由此，在煤礦日常生產過程中，支架穩定性的提高可以通過提高初撐力、增加橫向支撐力等方法實現。

3 結論

1）液壓支架的水平力包含主動水平力和被動水平力兩種。二柱式與四柱式放頂煤液壓支架在水平力方面存在較大的差異，需要根據礦井生產的實際情況選擇合適的支架類型。

2）二柱式液壓支架產生的水平力大于四柱式。傾斜彎曲式液壓支架與煤壁間僅存在水平摩擦力作用，有利于頂板穩定性管理。

3）支架水平力與支架本身穩定性相關，自身水平力有利于其穩定性，外載荷有利有弊，因此，在生產過程中應當充分考慮冒落巖塊沖擊對支架穩定性的影響。