论采场支架的动载.pdf

⑦ 1 1 论采场支架的动载 潞安 矿务局 郭金 刚扬仁顺张国庆 中国矿业大学 缪协兴、 ／1 rj A ’ 摘要本文的研究表明采场支架动栽来源于两个方面，即老硕的竞然失稳和 冒空直接顶 上部岩块垮落对支架的冲击， 动栽乐数可高迭 1 0 量级。 而采场支架的正常工作栽荷也来源于 机 ⋯ ．苎 型． 支 架⋯ 力 勘 娥 ／ 关 键 词动 载 荷艘 顶 媒支 架矿 山 压 力 笨 力 史 衣 ／ 』 -7 尊 一 J l 引言 ’ 。 。、 随着采矿工程的发展，采煤方式和支护形式正在不断地改进，因而新的矿压现象也在不 断地出现。特别是综采放顶煤技术的兴起，使人们对采场支架受力的本质、支架与直接顶的 关系 、支架与老顶的相互作用及支架上负 载岩层与 动载影响等需作更深一步的研究 _ l J 。 例 如 ， 放顶煤开采时一次采出厚度大， 若再以采高的 4 8倍岩柱重量估算放顶煤支架受力， 将远大 于分层开采时的支架受力。实践中，支架的实环工作阻力并没有达到这种估算值，仅为它的 6 0 左右。但是 ，后放式支架出现 了新的破坏 形式 ，普遍出现了底座耳板撕裂和后连杆插销 剪 断的严重破坏 ，王庄矿 、东滩矿 、兴隆矿 鲍店矿和南屯矿等都有类 似的现象 发生 。因而 对采场支架载荷来源及其特性等 需作 深入 的研究 ，才能不断地完善采场矿压理论，并对改进 和设计新的综放支架提供可嚣的理论依据 。 2 传统的支架动载计算 t 采场支 架工作载荷与覆岩活 动之问的关系是采场矿 压的主要研究 对象之一 采场支架载荷 可广义地分 为两 类 ，即静载和 动载 。从 图 1 采场 支架 与上 覆岩层结构模 式 可见 ， 静载是指支架上方直接顶 且 放 顶煤 开采时 为顶 煤 加直 接顶 的重量 和老顶 B回转运动时迫 使直接顶变 形而传递到支架上的那部分变形压力。由于直接顶较为 破碎 ，形成结构 的可能性 较小 ，因而普遍认 为直接 顶 J 4 块 的重量将全部 由支架承 受。支架对老 顶结构 运动的控 訾 萎 薹 器 萎 望 图 采 场 支 孥 与 上 覆 岩 层 结 构 模 式 顶 回 转 运 动 时 迫 使 直 接 顶 变 形 而 传 递 到 支 架 上 的 那 部 分 一 ⋯ ⋯ ⋯⋯ 一 ⋯ ⋯ 变形压力称 为给 定变形压力 ] 。 动载应包括直接顶 冒落对支架 的冲击载荷和老顶突然失 稳 包 括 回转失稳和滑落失稳对支架的突加载荷两部分 。 传统矿压理论 中把采场支架工作载荷也分为两部分一部分为直接顶的重量，另一部分 为老 顶来压 时对支架 的作用力 ，并称之 为动载 。鉴于 这样 的载荷划分原则 ，采场支架工作载 ． 7 2 ． 1 9 9 5 ． №3 4 矿山压 力与顶板管理 维普资讯 荷计算公式可由较 为简单 的推导过程而得到 。 如直接顶的 冒落高度 以填满采空 区为准，则直接顶 的厚度 三 可 以用下式估算 。 三M Ko 2k ， 即 2 h 1 式 中 采高 ； Ko 岩层的松 散系数，一般 为 1 ． 2 5 ～ 1 ． 5 O 。 若将 Ko 1 ． 2 5 ～1 ． 5 0代人 1 式得 一 2～ 4 M 2 这样 ，支架上方直接顶 的重量 Q为 Q 一 曲∑耵 一 2～ 4 aM ／ 3 式 中 支架顶粱长度 ； b 支架宽度 } y 直接顶岩 体容重 。 传统矿压理论认为， 老顶来压时对支架的动载作用可用直接顶重量乘动载系数 1 来估算， 则 支架受到 的最大工作载荷 P m应 为 一 】 j Q rt 2～ 4 a b M ／ 4 大量的实测结果表明 ， 一般 为 2左右 ，则 一 4～ 8 a b M ／ 5 文献 z 对我国 7 1个较有代 表性 的综 采工作面 支架工作阻力实测统计表 明， 一般 支架载荷 均 在 5 式估算 的范围之 内。但是 ，这仅指采高为 2 ～3 m 左右范围 内的工 作面支架 ，如对一 次采全高的综放工作面t载荷仅 达到 5 式计算值的 6 O 左右。 j ； 3动 载 的 力 学 含 意 一 { l_ ； 动载荷与静载荷是两个 力学 概念。静载荷是 指从零 开始缓h 慢地增加到最终数值 ，且不 再变 化的载荷。若 载荷 明显地随时上 间变化 ，或者受载物体本身有加 速度 运动，均 属动载荷 。常见 的动载荷形式有突加载荷、冲击载荷和交变载荷等。 如果直接顶或老顶垮落时离支架有一段距离，则会对支架 造成一定的冲击作用 ， 其动载系数与支架刚度和垮落距有关。 如 图 2 a 。重物对 变形体 的冲击模 型所 示 ，重物 的重量为 Q 1离 变形体 的高度为h 。重物 自由下落， 将对 产生冲击变形 山。 则 图 ∞，如 被轻轻 置于 上 ，受 Q作用 ， 将产 生静 力压 缩 变形 4。显然有 山 ，并设 ‘ r 一 6 式 中 即为动载 系数 。 Q ‘ ‘ b 图 2 冲击载荷横型 上 宁 设 的动能 为 7 势能为 ， 的 变形 能为 则 由能量守恒定律可得 ’ V U a 7 因为冲击物体 的初速度 和终速度 均为零 ，即 矿山压力与嘎板管理1 9 9 5 ． №3 4 7 3 一 维普资讯 。 0 8 由势能原理可得 V Q h 9 Q的等效力 所做 的变形功 u 为 一 1 。 由式 8 ～ 1 0 代人 7 式得 。 Q A 1 1 再 由线弹性范围 内载荷 、变形和应 力的 比例关系可得 一 会 Q A ⋯ 把 1 2 式代 人 1 1 式可得 篷 一 2 一 2 一 0 1 3 由 1 3 可得 。’’。。。。。。。。。。。一 岛 一 1 √ 1 碧 岛 1 4 由 1 4 式 与 6 式 比较可得 一 I √ 1 1 5 在 1 5 式中，若 一0 ，即为突加载荷 ，其动载系数为 r ／ 2 。假设 老顶突然失稳 ，其重 量将全部 由支架承担，则根据实测情况，支架突加载荷相当于直接顶重．因而失稳老顶岩体 相 当于一半直接顶厚 若设 支架的剐度 日 一8 1 0 。 N．支撑高度 为 2 m．并 有重 为 1 0 0 0 N的岩 块 离 支 架 高 为 2 m 冲 击 支 架 ， 则 有 翟 一 2 ． 5 X 1 0 - Sm 这 样 ． 由 式 1 5 计 算 可 得 动 载 系 数 1 ≈l 0 。 ．冲击载荷将高达 1 9 0 0 k N 实践表明， 放 顶煤开采后 ，增加了支架上方围岩冒空的 可能性 。特别对后放式液压 支架而言 ，其掩护梁 受冲击的可能性将大 大增 加 ．因而 出现 了支 架后 四连杆系统遭破坏 的可能性 4 给定 变形压 力 传统支架载荷计算公 式 中将老 顶运动对支架 的作 用称 之为动裁 ，并 简单地用动裁 系数 加 以估算 。事实上，老顶对支架的作用必须要 由直接顶来传递 ，医而对 支架的作用还将 与直 接顶 的整体抗变形能力有关 老顶的运 动是绝对 的， 不会 因为支架 的支撑 而造 成反 向运 动。 支 架通过直接顶对老顶的作用仅仅只会改变老顶的运动速度， 降低老顶来压对工作面的冲击。 由 于老顶下沉 是绝对的 ， 将 以给定变形的形式 作用于直接顶 ． 所以文献n 称之为给定变形压力 。 老顶及其老顶上部岩层的压力如全部要支架承受，一般支架是不会有如此高的支护能力 的。 这部分压力主要 由老顶 自身结构的平衡来承受． 较多情况下老顶的结构形式为砌体梁。 如 图 1 老顶结构 B块的变形运动形式将分为正常的回转运动和m-m与转动失稳两种。在工作面 顶板管理 中，要求将老顶结 构严格 地控 制在正常 回转运动状态 中，必颓 避免其失 稳。老顶结 构 的失稳 ，将对 支架 造成无 法承 受的压力 ， 往 往引起工作面 事故 ， 属 支架的非正常工作载荷 。 7 4 1 9 9 5№3 ～4 矿 山压力与碗板管理 维普资讯 文献啪经过严格的力学推导得到 ，支架所承受 的给定变形压力 ，可用下 式计算 。 一 些 1 6 式 中E直接顶 的弹性模量 ； n直接顶 的断裂线倾角 ； 老顶 占的回转 角； 支架 的回缩角 。 从 1 6 式可 以看到 ，给定变形压力 与直接顶的整体抗变形能力 E有关 ，并且与采高 成反 比。这从理论上证明 ，支架 的工作载荷与采高并 非成简单的线性 正 比关系 ，而呈非线性 的双 曲线关系。因而可以说明 ．放顶 煤开采时支架工作载荷不一定会太于分层开采 时的 支架 工作载荷 5结语 传统支架载荷估算公式中 ，将老顶的作 用简单 地用动载 系数解释 ，是一个较 为模糊的理 论概念，只能运用于采高为 2 ～3 m左右的工作面支架 对于综放工作面而言，实测表明将产 生严重误差 。老顶对 支架 的作用由直接顶传递 ，为给定 变形压力 ，并非动载 。 采 场支架所 承受 的动载可分为两种 。一种 为突加载荷，是指支架上方 的直接顶或老顶突 然与岩体松脱， 全部重量将突然转移到支架上， 其动载系数为 2 。 另一种为冲击载荷， 是指距 支架有 一段 高度 的岩 块垮落后落在支架上 ， 产生 冲击作用 ， 其动载多 数可高达 1 0 。 量级 。 放顶 煤 开采后 ，增加 了支架受 冲击载荷的可能性 。 采 场支架的正常工 作载荷来源于直接顶 的重量和 老顶的给定变形压力 但采场 支架也常 常会受到动载的影响，老顶的失稳和直接顶冒空后上部岩体的冒落对支架的冲击将对支架产 生严重危险，也是 工作面 支架事故 的主要 根源 。在对采场覆 岩的支护管理 中 应严格控 制动 载的产生。 参考文献 1 钱鸣高、刘听成矿山压力厦其控制 修订本 煤炭工业出版社 ，l 9 9 2 2 钱鸣高等．再论采场矿山压力理论 中国矿业大学学报．2 3 3 ．1 9 9 4 3 钱 鸣高 ，缪 协兴直接顶变形 与支架 载荷 的关 系研究． 中 国矿 业大学第 3届 国际 采矿 会议 ] 9 9 6 责任编辑尤 里 矿 山压力与项柱 管理] 9 9 5 ． №3 47 5 维普资讯