超大采高综放工作面板裂化片帮特征及合理护帮控制.pdf

第4 6 卷第2 期 2 0 2 1 年2 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．2 F e b ．2 0 2 1 超大采高综放工作面板裂化片帮特征及 合理护帮控制 许永祥1 ’2 ⋯，王国法1 ’2 ⋯，李明忠1 ’2 ，徐亚军1 ’2 ，韩会军1 ’2 ⋯，张金虎1 ’2 ’3 1 ．中煤科工开采研究院有限公司，北京1 0 0 0 1 3 ；2 ，煤炭科学研究总院开采研究院，北京1 0 0 0 1 3 ；3 ．煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点 实验室，北京1 0 0 0 1 3 摘要针对榆神矿区超大采高综采工作面煤壁板裂化片帮问题，基于金鸡滩煤矿超大采高综放工 作面开采技术条件，采用理论分析与工程实践相结合的方法，分析了超大采高工作面煤壁板裂化片 帮特征，研究了适宜的护帮板结构形式和合理护帮控制措施。发现板裂化片帮具有多种特征板状 板裂化、“洋葱皮状”板裂化、弹射型板裂化 俗称“炸帮” 和护帮板动载扰动下板裂化片帮，提出 并求解了整体式和分体式护帮板承载能力曲线，将护帮板承载能力曲线作为护帮板承载性能评价 指标，分别分析和对比了2 种结构形式护帮板运动特性及其与煤壁结构耦舍关系，从力学特性和运 动学特性角度得出整体式护帮板具有承栽性能优、灵活性好和结构耦合适应性强等优点，建议在满 足护帮高度要求的前提下，优先选用整体式二级护帮板结构。结合工业性生产实践，对煤壁板裂化 片帮特征及危害进行分析，提出并讨论了相应的煤壁板裂化片帮防治措施。分析和借鉴同一盘区 相邻8 ．2m 超大采高一次采全厚工作面分体式三级护帮板应用情况及其对煤壁维护效果，结合 7 ．0m 超大采高综放工作面支架一围岩结构耦合关系，认为7 ．0m 超大采高综放工作面宜采用整体 式二级护帮板。生产实践表明整体式二级护帮板能有效维护超大采高综放工作面煤壁稳定，便于 自动化控制和工作面高效开采。 关键词板裂化破坏；片帮控制；综放开采；超大采高；坚硬煤层；特厚煤层 中图分类号T D 3 5 5文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 2 0 3 5 7 1 3 I n V e s t i g a t i o no nc o a lf a c es l a b b e ds p a U i n gf b a t u r e sa n dr e a s o n a b l e c o n t r o la tt h el o n g w a Uf l a c e 、v i t hs u p e rl a r g ec u t t i n gh e i g h ta n d l o n g w a Ut o pc o a lc a “n gm e t h o d x UY o n g x i a n 9 1 ，2 r ，W A N GG u o f a l ，2 r ，L IM i n g z h o n 9 1 一，x UY a j u n l ’．，H A NH u i j u n l ，2 r ，z H A N GJ i n h u l ，2 ，3 1 ．c o 口f 删凡i n gR 酗∞r c 矗胁础M 把，∞i n oc o o z ‰ 加z 9 ∥＆脚i ，聊一增G r o 印，B e 讲昭1 0 0 0 1 3 ，劭i M ；2 ．c o n Z 胁n i 增8 m 础，∞j n nc o n z 胁∞r c 托m ￡u 把，B e 彬增1 0 0 0 1 3 ，吼i 脚；3 ．＆Ⅱ￡eK 可如6 0 m ￡o ，yo ，c D o f 肼眺增n n dc k 帆矾甜泌砌n ，B P 彬增1 0 0 0 1 3 ，吼i 眦 A b s t r a c t B a s e do nt h em i n i n gc o n d i t i o n so ft h el o n g w a l lf a c ew i t hs u p e r1 a 唱ec u t t i n gh e i g h ta n d1 0 n g w a Ut o pc o a lc a V i n g 1 月C C m e t h o da tt h eJ i n j i t a nC o a lM i n e ，C h i n a ，t h i sp a p e ra i m e da ts o l v i n gt h ep m b l e m sc a u s e db ys l a b b e d s p a l l i n ga tt h el o n g w a l lf a c ew i t hs u p e rl a r g ec u t t i n gh e i g h t ．T h ef e a t u I | ea n dm e c h a n i s mo fs l a b b e df a i l u r ea n ds p a l l i n g 收稿日期2 0 2 0 o 卜1 0修回日期2 0 2 0 一0 2 2 3责任编辑郭晓炜D o I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c nk i j c c s ．2 0 2 0 ．0 0 5 6 基金项目国家重点研发计划资助项目 2 0 1 8 Y F c 0 6 0 4 5 0 5 ；国家自然科学基金资助项目 5 1 7 0 4 1 5 7 ；中央国有资本 经营预算资金资助项目 财企[ 2 0 1 3 ] 4 7 2 作者简介许永祥 1 9 8 7 一 ，男，河南许昌人，博士研究生。T e l 0 l o 一8 4 2 6 2 1 0 9 8 4 4 ，E m a i l x u y o n 鲥a n g y e a h ．n e t 引用格式许永祥，王国法，李明忠，等．超大采高综放工作面板裂化片帮特征及合理护帮控制[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 l ，4 6 2 3 5 7 3 6 9 ． X UY o n 野i a “g ，W A N GG u o f a ，L IM i n g z h o “g ，e la 1 ．I n v e s t i g a t i o n0 nc o a lf a c es l a b b e ds p a l l i “gf e a 【u r e sa n dr e a s o n a b l ec o n t r o la h el o n g w a 儿f a c ew “hs u p e rl a r g ec u t t i “gh e i g h ta n dl o “g w a l l l o pc o a lc a v i n gm e t h o d [ J ] ．J o u m a Io f C h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 l ，4 6 2 3 5 7 3 6 9 ． 移动阅读 万方数据 3 5 8 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 a tt h e1 0 n g w a l lf h c ew i t hs u p e rl a r g ec u t t i n gh e i g h tw e I ℃e l a b o r a t e da n dt h ea p p r o p r i a t es t I u c t u I ’a 1f b 瑚o ft h ef a c es p r a g a n dr e a s o n a b l es p a l l i n gc o n t m lm e a s u r e so fc o a lf a c ew e r es t u d i e dt h r o u g hc o m b i n i n gt h er e s e a r c hm e t h o d so ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de n g i n e e r i n gp r a c t i c e ．I tw a sf b u n dt h a tt h es l a b b e ds p a U i n gh a sm a n yc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha ss l a b - l i k e s p a l l i n g ，o n i o n s k i n l i k es p a U i n g ，e j e c t i o n - t y p es p a U i n ga n ds p a l l i n gc a u s e db yt h ed i s t u r b a n c eo ff a c es p m g so fh y d r a u 一 1 i cr o o fs u p p o r t s ．B e a 而n gc 印a c i t yc u r v e so fb o t ht h ei n t e g r a l - t y p es p I j a ga n dt h es p l i t t y p es p r a gw e r ep r o p o s e da n d c a l c u l a t e d ，w h i c hc o u l da l s ob eu s e da sa ne v a l u a t i o ni n d e xo fb e a r i n gc a p a c i t yo ft h ef a c es p r a g ．T h ek i n e t i cc h a r a c - t e r i s t i c sa n dt h es t r u c t u m lc o u p l i n gr e l a t i o n s h i p so ft h ec o a lf a c ea n dt w ot y p e so fs t r u c t u m lf o r n l so fs p r a g sw e r ea n a - 1 y z e di n d i V i d u a l l y ．I ti sc o n c l u d e dt h a tt h ei n t e g r a l t y p es p r a gh a st h ea d v a n t a g e so fs t I D n gb e a r i n gc a p a c i t y ，e x c e l l e n t n e x i b i l i t ya n dh i g ha d a p t a b i l i t yo fs t r u c t u r a lc o u p l i n g ，w h i c hw a sa n a l y z e df } o mt h ep e r s p e c t i v eo fm e c h a n i c a lp r o p e r - t i e sa n dk i n e m a “cp r o p e n i e s ．1 ti ss u g g e s t e dt h a tt h ei n t e g r a l t y p es p r a gw i t ht w op l a t e ss h o u l db es e l e c t e di np o r i t y u n d e rt h ep r e m i s eo ft h er e q u i r e dp r o t e c t i v eh e i g h to fc o a lf a c ei ss a t i s 6 e d ．A c c o r d i n gt ot h es i t eo b s e n r a t i o n ，t h ef e a - t u r e sa n dd a m a g eo fs l a b b e ds p a l l i n go ft h ec o a lf a c ew e r ei n v e s t i g a t e d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o l l i n gm e a s u r e s w e r ep u tf b l w a r d ．T h ea p p l i c a t i o na n dt h em a i n t e n a n c ee f f b c to ft h es p l i t - t y p es p m gw i t ht h r e ep l a t e su s e da tt h ea d j a - c e n tl o n g w a Uf a c ew i t h8 ．2ms u p e 卜l a 唱ec u t t i n gh e i g h tw e r ea n a l y z e d ．C o m b i n e dw i t ht h es t m c t u r a lc o u p l i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eh y d m u l i cr o o fs u p p o n sa n ds u r r o u n d i n gr o c ka tt h e1 0 n g w a l lt o pc o a lc a v i n gf a c ew i t h7 ．Oms u p e r - l a 唱ec u t t i n gh e i g h t ，i ti sc o n c l u d e dt h a ti ti sm o r es u i t a b l et oa d o p tt h ei n t e g r a t e d t y p es p r a gw i t ht w op l a t e sa tt h e l o n g w a Ut o pc o a Ic a V i n gf a c ew i t h7 ．0ms u p e r h i g hm i n i n gh e i g h t ．P r o d u c t i o np r a c t i c es h o w st h a tt h ei n t e g r a l t y p e s p r a gw i t ht w op l a t e sc o u l de f f b c t i v e l ym a i n t a i nt h es t a b i l i t yo ft h el o n g w a l lc o a lf a c ew i t hs u p e rl a r g ec u t t i n gh e i g h t a n dI J T C C ，a n di tc o u l dm a k ec o n t r i b u t i o nt oa u t o m a t i o nc o n t r o la n dh i g h - e m c i e n tm i n ep m d u c t i o n ． K e yw o r d s s l a b b e ds p a l l i n gf a i l u r e ；f a c es p a l l i n gc o n t m l ；l o n g w a l lt o pc o a lc a V i n g ；s u p e r1 a r g ec u t t i n gh e i g h t ；h a r d c o a ls e a m e x t m t h i c kc o a ls e a m 随着近十几年来一系列开采工艺、开采装备以及 支架一围岩耦合支护理论⋯的提升，长壁超大采 高 机采割煤高度6m 以上 综采技术日臻成熟。长 壁超大采高工作面具有生产集约化程度高、开采效率 高和资源采出率高等优势，成为榆神矿区埋深较浅的 6 8m 厚煤层的主要采煤方法之一。将超大采高开 采工艺与综放开采工艺相结合的超大采高综放开采 也已进行了工业性生产试验，成功实现了榆神矿区 8 一1 4m 特厚坚硬煤层一次性安全高效、高采出率开 采㈣] 。 对于榆神矿区8 1 4m 特厚坚硬煤层综放开采 而言，可通过增大采高实现“多采少放”，增强顶煤冒 放性、促进采放协调、提高工作面开采效率和顶煤采 出率。然而，超大采高综放工作面一次采出空间大、 开采强度高、工作面覆岩动载和开采作业工序扰动均 较强，导致煤壁和端面顶板稳定性降低，制约工作面 采高进一步加大和开采效率进一步提升。 液压支架作为长壁工作面惟一的主体支护设备， 其结构特征、工作特性和控制系统的合理性是支架一 围岩耦合支护系统高可靠性和高适应性的基础保障。 王国法等H 一采用数值模拟方法分析了液压支架铰接 前梁和整体顶梁2 种顶梁结构对煤壁片帮的影响，得 出整体顶梁更有利于抑制煤壁片帮；庞义辉等”1 认 为护帮板对煤壁的作用力难以阻止煤壁发生拉裂破 坏，但可以抑制拉裂后的破坏体发生滑移失稳；徐亚 军∞1 基于压杆模型研究不同约束条件下煤壁失稳形 式，得出软弱煤层易发生剪切破坏和滑移失稳、硬和 中硬煤层多发生溃曲破坏和弯曲失稳；刘俊峰等‘7 o 对大采高智能化开采煤壁全过程精准控制技术进行 研究，有效解决了智能化开采煤壁控制难题；张银亮 等旧。对液压支架常用护帮机构结构形式进行分析， 认为分体结构护帮板能有效延缓煤壁产生破坏的时 间，是大采高液压支架理想结构形式；尹希文等∽o 认 识到大采高工作面煤壁片帮存在结构失稳现象，并利 用压杆稳定性原理分析煤壁片帮形式和深度；王家臣 等叫根据煤体弹性模量、泊松比及边界条件的不同 提出压剪、拉剪及拉裂3 种煤壁破坏形式，并指出硬 煤多发生后2 种破坏形式；常聚才等采用M o h r c o u l o m b 准则推导出煤壁水平位移量、破裂区和塑性 区半径的解析表达式，认为工作面支承压力集中系 数、机采高度及支架护帮阻力是煤壁片帮的可控关键 因素；刘闯等2o 采用数值模拟方法对大采高液压支 架初撑力与额定工作阻力合理比值进行研究，得出此 比值为0 ．6 5 ～0 ．7 0 时液压支架具有最佳的运行工 况；宋高峰等。13 。采用能量原理中基于位移变分原理 的利兹法 R i t zm e t h o d 分析煤壁破坏机理，并利用煤 万方数据 J 作而板裂化片帮特徂及合列 扩，帮控制 壁稳定性三维相似模拟实验平台研究“顶板一支架一 煤壁”系统的协调变形规律。 以往的研究阐释了不同煤层地质赋存特征和不 同开采J 艺条件下煤鼙片帮特征和机删，分析了支架 初撑力、I 二作阻力以及顶梁和护帮板结构形式等闪素 对煤壁稳定性的影响，f L l 末涉及超大采I 高综放工作面 煤蹙板裂化片帮和护帮板结构形式对板裂化片帮控 制方面的研究。笔者基f 金鸡滩煤矿超大采『岛综 采 一盘区西翼 和综放 一舷区东翼 I 作面生产实 践，对超大采高综放工作而煤壁板裂化片帮特征及护 帮板结构形式对煤 建稳定性影响进行研究。 1 工作面煤壁板裂化特征及危害 1 ．1 板裂化片帮特征及机理概述 图l 为超大采商一次采伞厚。I 作砷i 图l a 和 超人采高综放工作面 H1 1 牛产实践中观测剑 的煤壁板裂化破坏i 、现场观测发现煤蹙板裂化破坏 特征分为板状板裂化、“洋葱皮状”板裂化、弹射，艘板 裂化 俗称“炸帮” 和护帮板动载扰动下板裂化片帮 形式。支架一『嗣岩耦合支护状态较良好情7 兄下，煤 崔 板裂化片帮深度通甚j 叫、于5 0 0m m ，最大一般不超过 8 0 01 1 1 m b 超人采“综放I 作曲煤壁板裂化破坏 阁l超大采高T 作面煤壁板裂化片帮 F i g ．1 S l a I b e t lh u c k l I l l gs I a l l i n ga ff h P ‘’a lf I 。P 、v j l l ls u I P 1 ． 1 l l g ec L l l 【i 1 1 91 1 P i g h l 对现有岩体板裂化破坏研究成果归纳总结，发 现岩体板裂化破坏通常具有下列部分特征【1 4 。22 | ① 板裂化破坏多发辟j 在深井脆性硬岩J 1 挖过程，属高 地应力卸荷破坏，变形特征属脆性破坏类型，板裂 破坏面平行于开挖自⋯面；②极裂化片帮属结构失 稳类型，板裂化破坏强度低于岩体单轴抗压强度， 通常为4 0 ％～6 0 ％的单轴抗压强度；③板裂化破 坏面多平行于最大主』衄力力‘向，B p 板裂化破坏裂隙 扩展力 向为最大主应力方巾J ；④板裂化破坏面受岩 体结构嘶影响，结构面通常为层理、割理和劈理等 弱面；⑤板裂化破坏町发生在岩爆过程I I j ，属于应 变能瞬f n J 释放的脆性J 、征变，州破裂，弹射出的岩块呈 板裂状。 长蹙超大采高工作面煤壁板裂化片帮机理分析 已，j 行撰文讨论，本文仪做简要概述。l 訇2 为煤罐板 裂化片帮破坏力学机理，即煤壁内纵向不连续内生裂 隙 割理 在采动』、证力下损伤逐渐累积，并扩展贯通 为板，板结构在不同应力环境下发生相应的板裂屈曲 破坏。煤壁板裂化破坏是在结构诱导 内网 和J 畦力 驱动 外闪 共同作用下发牛的。 l 』。雎掣塑型堂型塑困 板靠l 板结构l 藿观H 采动J 、i 力环境 舅蘸卜运噩氩 与； l 叫兰竺堕 i 塑垒茎墨】 匝亟亚巫 H2 煤壁板裂化片帮力学机州 r i g ．2 M e 。h d l l i c a l1 1 1 e h a l l i s n l f ‘ a lf 0 ‘e8 l m l l i n gf o i l L l I ‘P 1 ．2 煤壁板裂化片帮危害及防治 局部小范围板裂化片帮对工作面正常生产影响 较小，小范围局部可控板裂化片帮依靠矿山压力和自 重片落，在一定程度上减小r 采煤机割煤时的能耗， 有利于提高采煤机割煤速度。另一方面，考虑到煤壁 稳定性与坚硬顶煤冒放性相矛盾的问题，应允许1 二作 面发生小范围可控片帮，以保汪顶煤冒放性。 现场监测表明煤壁板裂化片帮多发生在顶板来 压时的I 作面中部，片帮深度一般介于3 0 ～5 0 0 洲n ， 蔺 区 一 万方数据 煤炭学报 通常并不影响工作面正常牛产，但片帮严莺时可造成 以下危害①由于工作面较长 3 0 0m ，短时问内多 处大面积片帮将导致工作面刮板输送机煤流量增大 而过载 图3 a ，影响刮板输送机正常运行，降低 工作面开机率和生产效率；②片落的扁平狭长板状 大块煤壁 图3 1 难以顺利进入转载机，难以被破 碎机破碎，易卡塞刮板输送机和转载机，造成煤流堆 积而过载；⑧工作面高处大块煤壁倾倒式板裂化片 帮 图3 c 和弹射型板裂化片帮 “炸帮” 会对采 煤机、液压支架立柱、刮板输送机和电缆槽等设备以 及人员造成危害；④片帮后煤壁不平整或大量片帮 导致梁端距增大，使护帮板‘j 煤壁结构耦合状态差， 彳i 利于护帮板对煤壁稳定性维护。 c 倾倒式极裂化”帮 斛3j } 有一定危。．哪勺煤 削反裂化片帮 F i g ．3 H a z a r d L l ss l a l h e is 1 a I l j n go fc o a If h c e 针对煤壁板裂化片帮呵能造成的危害，需采取村 J 、逆措施对煤壁板裂化片帮进行防治，具体措施如下 ①合理机采高度的控制。机采割煤高度是煤壁稳定 性维护的关键可控因素之一，对于综放工作面而言， 合理的机采高度既要有利于煤壁的稳定性，又要有利 于顶煤的胃放性。②减少煤壁无支护时问。超前采 煤机2 ～3 台支架收回护帮板，加快护帮板动作速度， 采煤机割煤后及时护帮、护顶和拉架。③加快工作 面推进速度，减少煤壁内裂隙损伤的长时问累积，及 时移架以减小端面顶板空顶时间和空顶而积。④增 加支架初撑力和1 作阻力，提升支架一围岩支护系统 整体强度和刚度，缓解煤壁压力。⑤液压支架设置 防护网／帘，防止煤壁弹射型板裂化片帮 “炸帮” 对 牛产人员和设备造成危害。⑥加强一线职工没备操 作技能培训和责任意识，保障工作面支架支顶有力和 护帮到位。 除上述措施外，护帮板结构与煤壁结构耦合关系 对煤罐稳定性维护也起重要作用，合理的护帮板结构 形式f ，1 『提高支架对围岩的适应性，有利于维护不同工 况下煤壁稳定性。 2 液压支架护帮板结构分析 煤壁板裂化片帮通常是一个由表及里层层渐进 的破坏过程，护帮板l 】J 对煤壁自由面施加一定的主动 支护约束力，使煤壁处于。t 向应力状态，一方面能阻 止已发生板裂化破坏的煤壁片落或弹射 “炸帮” 伤 人，，j 一方面护帮板的护表作用呵以防止煤壁发生f 白 表及里层层剥落的渐进式板裂化破坏。冈而，护帮板 对煤壁板裂化片帮能起到一定的减缓作用，但护帮板 收回时，板裂破坏的煤壁处于无支护状态，此时煤壁 是否片落取决于板裂破坏后煤壁的受力状态和自身 稳定性。 超大采高工作面液压支架护帮板结构形式多样， 根据伸缩梁 前探梁 与护帮板结构结合形式不同可 分为整体式和分体式护帮板，根据护帮板的板结构数 造臼f 分为二级和三级护帮板。图4 为超大采高工作 【酊分体式三级护帮板 图4 a 和整体式二级护帮 板 图4 1 与围岩耦合作用示意。机械结构的形 式和相关参数决定结构特性，不同结构形式护帮板虽 然作用相似，但其力学和运动学特性存在一定差异， 具体分析如下。 2 ．1 护帮板结构力学特性分析 从护帮板结构受力角度分析，煤壁结构的变形破 坏程度和平整程度差异导致煤壁与支架护帮板接触 状态不尽相同，煤壁和护帮板实际耦合状态复杂多 变，难以精确建模量化求解。许多学者将煤壁对护帮 万方数据 第2 垮许永祥等超人采高综放l 作而板裂化片帮特征及合理护帮控制 板作用力假设为均布载荷或梯形分布载荷，并进一步 化简为点载荷和相应的力矩进行力学简化计算。本 文将煤壁对护帮板的反作用力简化为点载荷进行受 力分析，通过力和力矩平衡力‘程求解护帮板承载能力 曲线 类似支架顶梁承载能／J 曲线 ，并将护帮板承 载能力曲线作为护帮板承载性能评价指标。 F i g ．4S ⋯ 2 ．1 ．1 整体式护帮板受力分析 事l 作皿护帮板结构 1 1 1 9 、va l f a c e 、、⋯1h u I 】P l J a l g en l I Im g1 1 e i g 整体式护帮板受力分析如图5 所示，以D 点 为坐标原点建立随角坐标系杆l D D 、杆2 D 剐、杆3 B C 、杆4 D C 构成四连杆机构；尸 为煤壁对护帮板的反作用力合力，k N ；F 为一级护 帮板液压缸对铰接点B 的作用力，k N ；p 为一级护 帮板液压缸与水平方向夹角， 。 ；R 。为杆件i 对 0 0 0 h 一 I { 一1 0 0 l 0 式巾，戈∽‰，戈。，y ”x 。“，戈∽y 。分别为图5 b q ，D ， B ，c ，D 点坐标，x ”y ，，为煤壁对护帮板反作用力合力 P 作H j 点坐标；尺。，R 、 R 】2 、，R 2 3 。尺H 、，尺圳、，尺- 2 、，尺1 3 、， 0 一l 0 0 1 杆件． 的作用力 i ，／取值为l ，2 ，3 ，4 ；尺，，为杆件／ 对杆件i 的反作用力，且尺。， 一尺弘根据几何拓扑 关系采用解析法求解四连杆机构受力较繁琐，而 采用矩阵法并利用M A T L A B 软件_ { | _ I 关函数I J J ‘实现 自动求解心卜。因而，只需对整体式护帮板结构进 行受力分析，列出相戍力和力矩平衡方程，并以矩 阵形式表达 一1 c o sp F s i l l 臼 O 0 0 0 O 0 0 尺1 二 R 】2 尺1 1 尺1 3 R 尺3 4 R 4 I R 。 P 、 尺‰，尺。。， 分别为图5 1 J 中干1 件i 刘。杆件．朋勺作用 力 i ，，取值为1 ，2 ，3 ，4 在』和．’方向的分量．f 。为 煤壁对护帮板反作』} j 力合力， 的戈方向分 采i大 超雌 S 4 。 降．Ⅲ 1 ， 0 0 0 0 O O 一 ●0 戈 0 0 0 O O 0 0 ． X y 0 0 0 0 O 0 一 。 0 y X O 0 0 一r 』 l 一 0 0 0 ●0 0 0 T 一 0 0 ●0 0 0 0 竹 0 0 ●0 0 0 0 0 0 0 ●0 0 0 0 0 0 0 0 O 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 O 0 0 0 0 0 O 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 盱 一 0 ． 0 0 0 0 O 0 一 ． O 0 0 0 O 0 0 拧 万方数据 煤炭 学报 2 0 2 1 ‘I i 第4 6 卷 量；F c o s9 ，F s i n 目为一级护帮板液压缸对铰接点B 的作用力F 的上，J 方向分量。 小p U 连朴结构伸缩梁 b 义／J 分机 H5整体式4 『1 T 帮板受力分析 F j g ．5 F o j _ I ‘Pa n a l y H j sf fj ”“1 9J ．d l t y p eJ l ‘‘rs p r d g 以金鸡滩煤矿一盘Ⅸ东翼7 ．0n ，超大采高综放 T 作面z Y 2 1 0 0 0 ／3 5 ．5 ／7 0 D 型液压支架整体式二级 护帮板具体参数为例，式 1 中各点坐标值为- ， 0 ， ，rJ 0 ， ≮H 一5 1 ．8n l l l l ， J 。，i 二一2 7 1 ．7 n 1 1 ，．Y 。 一2 2 2 ．9n l n l ，yr 一2 6 3 ．7n l n l ，戈 一9 8 ．2 n 1 I T l ，y D 一5 8 ．01 1 1 『1 1 ，』P 一3 7 1 ．71 1 1 l ，一23 4 0 ．0 n n P k 。当合外力，J 超过护帮板承载能力时，一级护帮板液压缸“扁{ J j 艮” 收回。冈此，分体式护帮板承载能力曲线由一级护帮 板液压缸最大力矩进行讣算，即P M ，／“，即P 与L ，．成反闲数关系 图9 ，“取值范嘲为4 7 0 ～ 29 0 01 1 1 1 1 1 ． 蚕 5 寨 蟮 辎 挚 图9 分体式护帮板承载能／J 川i l 线 F i g ．9l j P a r i n g ‘a p a ’ic yc u lv po f8 I l i t t y I Pf h ，8 p r a g 2 ．1 ．32 种结构形式护帮板承载能力对比分析 由整体式和分体式护帮板承载能力对比图 图 1 0 可知整体式护帮板在距铰接点1 ．2 5m 以内的承 载能力和承载范嘲优于分体式护帮板，而在距铰接点 1 ．2 5n 以外区问略低于分体式护帮板，但两者相差 不大，整体介于1 0 ～2 0 0k N ，并逐渐缓慢递减，表明 2 种结构形式护帮板末端承载能力均较弱。 陶1 2 种结构J 眵式护帮板取载能力分析 1 1 ’i g ．1 【 T T l l m l l i s l l l l ‘J f1 P a r i ”g ‘ a p a ’i l y1 e t w I ．P n1 w ，f y l l P H f h t ‘Ps l a 印 2 ．2 护帮板结构运动学特性分析 对于2 种结构形式的护帮板，忽略结构件间铰接 问隙及霞力影响，在护帮下．斤顶佴J 出速度恒定 8 0m n ／s 条件下，通过整体式和分体式护帮板的摆 动角速度对比分析其运动学特性，对比结果 图1 1 表州①2 种结构形式的护帮板均为动作起始处角 速度大儿变化较大，接近垂直护帮状态 护帮板角度 为9 0 。 时速度较低且变化小大，f l r 减缓护帮动作对 煤 辖的冲击；②整体式护帮板运动速度相对较快，通 过小四连杆结构实现大幅度摆动，动作用时短、行程 万方数据 煤炭学报 2 0 2 1 { } i 第4 6 卷 小、灵敏度高。 一 乙 划 摆 晕 滩 晕 【习1 12 利唾占构形式护帮板运动特性对比 F 嘻1 l t ⋯1 1 1 扪⋯1o f lk i n e t i ’ 。} 1 a l 州州“【‘s1 吣v P P n ⋯ I y p P s ff I ’t ’8 1 Ia 龄 分体式护帮板伸缩梁和护帮板为分体式，单独动 作，互不干涉，动作时间长，灵活性差。简单铰接的结 构形式导致分体式护帮板行程角度范围小于1 8 0 。， 使用上受限。相对分体式护帮板而言，整体式护帮板 结构简单、灵活，易实现联动控制。四连杆铰接的结 构形式使整体式护帮板挑起力矩大，并能保证挑起和 收回角度，对工作面围岩适应性强。 综上对比，整体式护帮板力学 承载性能 和运 动学特性均优于分体式护帮板。 2 ．3 二级护帮板和三级护帮板对比分析 煤矿安全规程规定“当综采工作面采高超 过3n 、或片帮严重时，液压支架必须有护帮板，防 止片帮伤人”。对于护帮板结构高度设计而言，目 前尚无明确要求，通常不小于最大采高的1 ／3 n 一般 经验值 。护帮高度随着工作面最大采高的增加而 增加，护帮板的板结构数量也相应增加，现有护帮 板级数有一级、二级和三级。超大采高T 作面 机 采高度大于6 ， 一般采用二级或二i 级护帮板以满 足护帮高度需要。 二i 级护帮板是在二级护帮上再铰接一级护帮板， 进一步增加护帮高度，减小无支护煤壁的面积。然 而，三级护帮一般要加阻尼装置，以免三级护帮收回 太快而对三级护帮千斤顶造成损害，且二、三级护帮 之间有随动效果，控制装置比较复杂。因此，考虑到 结构的复杂性和操作的方便性，对于煤壁稳定性强的 坚硬煤层，在满足护帮高度的条件下，可优先选择二 级护帮板。 3 护帮板与煤壁结构耦合关系 护帮板结构与煤壁和端面顶板结构耦合关系和 作用效果直接影响煤壁稳定性，液压支架护帮板一方 面对煤壁进行主动维护，防止煤壁片帮和片落后的煤 壁对设备及人员造成危害；另一方面，可利用护帮板 和伸缩梁对煤壁及顶板进行维护，预防顶板发q i 渐进 式破坏，在支护滞后情况下，利』{ j 护板帮和伸缩梁及 时护顶，阻止片帮和冒顶范围进一步扩大。 ￡卜产中常观测到煤壁发生明显破坏却未失稳片 落的现象，且多发生在顶板来压不强烈的情况下，该 现象解释如下如图1 2 所示，覆岩大结构可形成组合 悬臂梁或砌体梁结构，组合悬臂梁或砌体梁结构稳定 时能承受部分覆岩随动层载荷，使作用与支架和工作 面围岩组成的“小结构”f 的役岩载荷较小，当组合 悬臂梁或砌体梁结构失稳时则会对1 二作面围岩和支 架组成的“小结构”形成动载冲击，导致“小结构”稳 定性降低，