煤礦井下液壓支架的載荷分布與失穩特性研究

劉美玲

（同煤集團煤峪口礦技術科， 山西 大同 037001）

引言

煤炭作為國民經濟發展的基礎性能源資源，在人類社會中扮演著重要的位置，為了提升煤炭產量，滿足經濟社會的發展需求，各煤炭生產企業不斷增加煤炭的采掘深度，隨著地質條件的愈加復雜，對綜采作業時的支護要求越來越高。由于井下綜采作業時作用在液壓支架上的載荷受多重因素影響，呈現不規律的特性，因此極易造成液壓支架的失穩。本文以某礦某綜采面液壓支架為研究對象，對其支護過程中的載荷分布歸類進行研究，對其失穩特性進行分析，為優化液壓支架支護結構，提升液壓支架支護穩定性奠定了基礎，具有十分重要的意義。

1 井下液壓支架的受載特性分析

某礦某綜采面，其長度為2 117 m，工作面的傾角為39°～47°，平均煤層傾角約為44°，煤礦井下煤層的存賦條件穩定性高，煤層的硬度系數約為0.4，煤層基本頂為中砂巖結構，其平均厚度約為14.4 m，直接頂為粗砂巖結構，其平均厚度約為2.12 m。

該綜采面上采用了大采高綜采作業工藝，所選用的液壓支架為四柱掩護式液壓支架，其額定工作阻力約為6 400 kN，為了對工作時液壓支架的受載特性進行研究，本文利用礦壓動態監測儀[1]對液壓支架支護組內上部（編號為54、47 的液壓支架）、中部（編號為40、33、29 的液壓支架）和下部（編號為22、15、9、2 的液壓支架）的應用支架的受載情況進行實時監測，監測各區域的液壓支架變化如圖1 所示。

圖1 不同區段液壓支架測點分布

根據監測結果可知，液壓支架工作時的阻力沿著工作面的傾向呈現顯著的分區特征[2]，并且在下部區域最小，其正常支護作業時的工作阻力約為3 227 kN，來壓期間的最大工作阻力約為4 255 kN。中部區域最大，其正常支護作業時的工作阻力約為4 887 kN，來壓期間的最大工作阻力約為6 994 kN。

由監測結果分析可知，在液壓支架支護組內，上部的大部分液壓支架工作時的受載情況很小，由此造成了支護過程中的圍巖- 支架穩定系統實際上并未起到作用，導致形成了“偽支護平衡”，液壓支架工作時的阻力比一般液壓支架支護時的阻力更大，在實際使用過程中極易造成液壓支架組間的推壓和咬架現象。

2 載荷作用下支架的失穩特性分析

根據煤礦井下的實際地質情況，其煤層平均傾角約為44°，頂板上的法向載荷作用在支架上的位置距離支架前梁的端部約為支架寬度的一半（支架寬度約為1 600 mm），此情況下液壓支架的支護高度約為4 000 mm，在支護過程中的頂板載荷FR對支架底板上載荷作用位置x 的影響如下頁圖2 所示，對液壓支架的轉角φ 的影響[3]如下頁圖3 所示。

由圖2 可知，作用在底板上的載荷位置隨著頂板載荷的增加而增大，即頂板載荷越大，液壓支架底板上的偏載越嚴重。液壓支架在工作過程中保持穩定不失穩的條件為載荷作用在支架底座上的位置要大于零小于液壓支架的寬度（1 600 mm），在此范圍內頂板載荷的范圍隨著液壓支架工作阻力P 的增加而增加，且此情況下的摩擦力將小于達到失穩臨界點時候的最大靜摩擦力。

圖2 頂板載荷對支架底板作用位置的影響示意圖

圖3 頂板載荷對支架工作傾角的影響

由圖3 可知，隨著頂板載荷FR的增加，液壓支架的工作轉角會逐漸增加，但液壓支架受力在轉動過程中底座與地面分離前的摩擦力的取值范圍會隨著液壓支架支護阻力P 的增加而增大，由于在實際應用的過程中液壓支架和底板之間的摩擦力的范圍要大于頂板載荷FR，而且由于在穩定支護的過程中液壓支架的頂梁所受的載荷要小于其最大靜摩擦力[4]，因此液壓支架在傾斜支護過程中的轉動失穩的可能性要大于下滑失穩的可能性。

3 結論

針對現有液壓支架在煤礦井下支護過程中頻繁出現的受載支護失穩現象，本文結合某礦井下實際地質情況，對液壓支架在支護過程中的載荷分布情況進行了監測，根據監測結果對其失穩特性進行研究，結果表明：

1）液壓支架工作時的阻力沿著工作面的傾向呈現顯著的分區特征，并且在下部區域最小，中部區域最大。

2）在煤礦井下綜采作業的過程中，受到開采過程中的擾動和頂板移動的影響，液壓支架的支護狀態會不斷變化，隨著支護高度的影響，液壓支架支護過程中轉動下滑和失穩的概率隨著支護高度的增加而增大，使其旋轉失穩的概率大于下滑失穩的概率。

3）在井下支護過程中需要重點對支護區域頂板的礦壓進行監測，特別是重點針對支架群中的上部頂板活動區域，及時采取加固方案，并及時調整液壓支架的支護狀態，防止出現支護失穩現象。