大倾角大采高综采工作面支架受载与失稳特征分析.pdf

第 43 卷第 12 期煤 炭 学 报Vol. 43 No. 12 2018 年12 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYDec. 2018 移动阅读 罗生虎,伍永平,解盘石,等. 大倾角大采高综采工作面支架受载与失稳特征分析J. 煤炭学报,2018,4312 3320-3328. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. 2018. 0891 LUO Shenghu,WU Yongping,XIE Panshi,et al. Load and instability characteristics of support in large mining height fully-mechanized face in steeply dipping seamJ. Journal of China Coal Society,2018,43123320-3328. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. 2018. 0891 大倾角大采高综采工作面支架受载与失稳特征分析 罗生虎1,2,伍永平2,3,解盘石2,3,王红伟2,3,刘宝恒2,3,李 昂2 1. 西安科技大学 理学院,陕西 西安 710054; 2. 西安科技大学 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室,陕西 西安 710054; 3. 西安科技 大学 能源学院,陕西 西安 710054 摘 要对支架的稳定性控制是大倾角大采高煤层安全、高效开采亟待解决的关键问题之一,以 2130 煤矿 25221 大倾角大采高综采工作面为研究背景,基于现场监测对覆岩破断运移规律和支架 受载特征分析的基础上,通过理论分析系统研究了采高和工作面顶板运移对支架受载与失稳特征 的影响。 结果表明,在大倾角大采高煤层开采中,受采高增大影响,顶板运移的幅度和剧烈程度及 支架工作阻力均较一般采高大倾角煤层开采时明显增大,架间推压、咬挤现象明显;当工作面顶底 板岩层稳定时,使支架保持不转动和下滑的临界工作阻力均不超过支架自重的 2 倍;但受工作面顶 板运移影响,支架亦会随着顶板的运动而运动,且其不会随着支架工作阻力的增大而消失;支架转 动下滑的幅度和失稳概率随着支架工作阻力的减小、顶板与支架间摩擦力绝对值的增大、顶板载荷 偏载程度的增大及采高的增大而增大,且其转动失稳的概率大于下滑失稳的概率。 关键词大倾角煤层;大采高;顶板;支架;稳定性 中图分类号TD355 文献标志码A 文章编号0253-9993201812-3320-09 收稿日期2018-07-06 修回日期2018-08-30 责任编辑郭晓炜 基金项目国家自然科学基金重点资助项目51634007;陕西省自然科学基础研究计划资助项目2017JQ5091;中国博士后科学基金资助项 目2018M633539 作者简介罗生虎1983,男,新疆哈密人,讲师,博士。 Tel029-85583136,E-mailluoshh06 qq com 通讯作者伍永平1962,男,陕西汉中人,教授,博士。 Tel029-85583143,E-mailwuyp xust edu cn Load and instability characteristics of support in large mining height fully-mechanized face in steeply dipping seam LUO Shenghu1,2,WU Yongping2,3,XIE Panshi2,3,WANG Hongwei2,3,LIU Baoheng2,3,LI Ang2 1. College of Sciences,Xian University of Science and Technology,Xian 710054,China; 2. Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Pre- vention Ministry of Education,Xian University of Science and Technology,Xian 710054,China; 3. School of Energy Engineering,Xian University of Sci- ence and Technology,Xian 710054,China AbstractThe stability control of support is a technical problem to be solved urgently in steeply dipping thick seam mining. Based on the geological conditions and characteristics of strata behaviors of No. 25221 working face in 2130 Coal Mine,China,the overburden migration law and load characteristics of support is analyzed with field monitoring, and the theoretical analysis is used to research the influence of mining height and roof movement on the load and insta- bility of supports. Results show that the movement amplitude and intensity of the roof and working resistance of support are higher than those of normal mining height face in steeply dipping seam,which is due to mining height increase. When the roof and floor of working face is stable,the critical working resistance of support is less than two times the weight of support. However,with the influence of roof movement,the support will also move with the movement of the 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 第 12 期罗生虎等大倾角大采高综采工作面支架受载与失稳特征分析 roof,which would not disappear with the increase of the working resistance of support. The movement amplitude and instability probability of the support are increased with the decrease of the working resistance of support and the in- crease of the friction between the roof and the support,the partial loading degree of roof load and mining height. In ad- dition,the probability of rotation instability in large mining height fully-mechanized face in steeply dipping seam is greater than that of falling instability,and this phenomenon will be obvious with the increase of mining height. Key wordssteeply dipping seam;large mining height;roof;support;stability 大倾角煤层是指埋藏倾角为 35 55的煤层, 是国内外采矿界公认的难采煤层1。 在大倾角煤层 开采中,厚度超过3 5 m 以上的煤层一般采用综放开 采,但开采效率低、开采工艺复杂等问题一直未能得 到有效解决,综采一次采全高方法可有效克服上述难 题2。 但随着采高的增大,围岩运移空间增大,支架 的受力状态及其与围岩的相互作用关系较一般采高 大倾角煤层开采时复杂,维持支架稳定的难度加 大3。 近年来,已有许多学者通过理论分析、数值计算、 物理相似材料模拟实验和现场监测等方法对大倾角 中厚煤层长壁开采、厚煤层长壁综放、煤层群联合开 采等不同开采方式下的支架受载特征4-5、架间推挤 及其累积效应6-8、围岩结构与支架的作用类型和作 用关系9、“支架-围岩”系统耦合作用机理与变异失 稳机制10-11等方面展开了研究和探索,给出了支架 稳定的判断条件和支架保持稳定工作阻力的计算方 法,提出了液压支架防滑防倒的技术措施,推动了大 倾角煤层开采支架稳定性控制理论和技术的不断进 步,并为该领域的进一步研究奠定了基础。 但已有的 研究成果主要集中于一般采高大倾角煤层开采中的 “支架-围岩”相互作用关系,其理论研究也主要是针 对支架不转动下滑临界状态下支架工作阻力的确定。 在实际工程中,工作面顶板在其自重和上覆岩层载荷 作用下沿着一条渐进于重力方向的曲线移动4,6,即 使支架的实际工作阻力远大于其临界稳定工作阻力, 支架亦会随着工作面顶板的运动而运动,造成支架侧 护千斤顶受损,严重时导致支架失稳,形成围岩灾变。 因此,在大倾角煤层开采中受工作面顶板运移影响, 支架的转动和下滑是必然的,其不会随着支架工作阻 力的增大而消失,而目前缺乏对该问题的深入研究。 据此,笔者在已有研究工作基础上,以新疆焦煤 集团 2130 煤矿 25221 大倾角大采高综采工作面为工 程背景,采用现场监测和理论分析相结合的研究方 法,系统研究大倾角大采高综采过程中采高和工作面 顶板运移对支架受载与失稳特征的影响,为解决大倾 角大采高煤层开采中“支架-围岩”系统的稳定性控 制奠定基础,且丰富了大倾角煤层开采理论。 1 工程概况 2130 煤矿 25221 工作面位于二采区 5 号煤层, 该工作面位于 15 号沟以西,16 线以东 153 m,地表高 山沟壑,呈东西狭长分布,西高东低。 工作面设计走 向长度 2 098 m,倾向长度 105 m。 工作面煤层倾角 36 46,平均 44。 煤层赋存稳定,硬度系数 0 3 0 5。 工作面煤岩特性见表 1。 表 1 工作面煤岩特性 Table 1 Characteristics of coal and rock strata 名称岩石名称厚度/ m特性 基本顶中砂岩16 59 石英为主、抗风化能 力强、层面发育 直接顶含砾粗砂岩2 32 灰白色,泥质胶结、风 化易碎 煤层5 号煤3 58 9 77 含 3 5 层夹矸,煤矸 互层 1 4 2 5 m 直接底炭质泥岩17 06灰白色,矿质胶结 基本底粗砂岩9 00节理发育,风化易碎 2 工作面支架受载特征 2 1 工作面支架测点布置及监测方法 25221 工作面采用综合机械化大采高开采工艺, 采用下行割煤上行清浮煤移架推移输送机的 工艺流程。 根据 2130 煤矿特殊的地质条件,工作面 支架额定工作阻力最终确定为 6 500 kN,选用了 60 个 ZZ6 500/22/48 四柱液压支撑掩护式支架和 3 个 ZZG6 500/22/48 过渡支架。 现场监测中沿工作面倾 向共布置了 3 个测区,分别为下部测区2,9,15,22 号支架、中部测区29,33,40 号支架以及上部测 区47,54 号支架,采用 KJ377 型矿压动态检测仪观 测工作面矿山压力,测区及测点布置如图 1 所示。 2 2 支架受载分区特征 25221 工作面矿山压力观测工作从 2012 年 6 月 开始至 2013 年 5 月结束,通过对支架工作阻力数据 的整理和分析,得到不同测区支架工作阻力及分布频 率见表 213。 现场监测结果显示 1233 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2018 年第 43 卷 图 1 测区及测点布置 Fig 1 Layout of working face and support monitoring position in steeply dipping seam 1支架初撑力介于 1 500 4 500 kN,支架工作 阻力沿工作面倾向分区特征明显,且呈现出中部区域 最大、上部次之、下部最小的基本特征。 工作面倾向 下部区域支架平均工作阻力为3 557 kN,来压期间最 大工作阻力为5 400 kN;工作面倾向中部区域支架平 均工作阻力为 4 959 kN,来压期间最大工作阻力 为 6 919 kN;工作面倾向上部区域支架平均工作阻 力为 4 710 kN,来压期间最大工作阻力为 6 547 kN。 表 2 不同测区支架工作阻力分布频率 Table 2 Support resistance and frequency in different measured areas in steeply dipping seam 测区/ 测点 阻力区 间/ kN 阻力分布 频率/ 阻力平 均值/ kN 利用 率/ 0 1 5001 4 1 500 2 5002 1 下部测区 9 号支架2 500 3 50033 13 55754 7 3 500 4 50050 7 4 500 5 50011 9 0 1 5001 3 1 500 2 5002 9 2 500 3 50011 8 中部测区 33 号支架3 500 4 50016 14 95976 3 4 500 5 50029 3 5 500 6 50033 9 6 500 7 5004 2 0 1 5002 9 1 500 2 5000 9 2 500 3 5003 9 上部测区 47 号支架3 500 4 50021 14 71072 4 4 500 5 50042 2 5 500 6 50028 3 6 500 7 5000 3 2工作面倾向中上部区域支架受载变化幅度 大,部分支架受载很小,导致“支架-围岩”系统构成 元素缺失或形成“伪系统” 13;支架工作阻力较一般 采高大倾角煤层开采时大,个别支架载荷超过支架额 定工作阻力;“支架-围岩”相互作用关系复杂,架间 推压、咬挤现象明显。 大倾角大采高综采矿压显现与一般采高大倾角 煤层开采时存在差异的主要原因在于 1在煤层倾角影响下,直接顶破断岩块全部下 滑充填工作面倾向下部区域,且受采高增大影响,顶 板破断岩块的冲击载荷增大,在其垮落、下滑过程中 与周围岩体碰撞,破碎程度严重,造成工作面倾向下 部区域的充填密实程度较一般采高大倾角煤层开采 时大。 2沿工作面倾向自下而上冒落矸石与支架的 距离逐渐增大,冒落矸石堆边缘与底板的接触线和支 架与底板的接触线之间形成夹角 一般倾角煤层开 采中二者为平行线,如图 1 所示,且随着采高增大, 两者之间的夹角随之增大,加剧了顶板压力沿倾向分 布的不均衡性。 3受采高增大影响,围岩的运移空间增大,顶 板运移的幅度和剧烈程度较一般采高大倾角煤层开 采时明显增大。 围岩结构具有下部层位低、中上部层 位高的多阶梯岩体结构特征,工作面中上部区域空顶 范围增大,“支架-围岩”系统受载多变。 3 支架稳定-失稳力学分析 3 1 “顶板-支架-底板”相互作用关系 在大倾角煤层开采中,影响支架稳定性的因素众 多,包括煤层倾角、顶底板运移规律、架间推挤、矸石 冲击、工作面布置方式等,这其中工作面顶板是影响 支架稳定性的重要因素1,6。 工作面顶板在其自重 和上覆岩层载荷作用下沿着一条渐进于重力方向的 曲线移动,其在倾向剖面内的运移方式主要包括下 沉、转动及其组合形式14,如图2 所示。 图中,x 轴沿 工作面倾斜方向,z 轴沿垂直煤层方向。 图 2 工作面顶板运移特征 Fig 2 Migration features of working face roof in steeply dipping seam 当工作面顶板发生运动或与支架有相对运动趋 势时,其与支架的接触方式及其对支架的施载特 征大小、方向和作用点随之发生改变,支架行为亦 随之发生变化。 支架在倾向剖面内的基本运动方式 2233 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 第 12 期罗生虎等大倾角大采高综采工作面支架受载与失稳特征分析 包括沉陷、下滑和转动包括顺倾向和逆倾向转动。 在实际工程中,支架对顶板的行为响应方式一般表现 为上述基本运动方式的组合。 同时,当支架位态发生 变化时,支架与底板的接触方式及底板对支架的施载 特征亦发生变化,如图 3 所示。 图 3 支架与底板相互作用关系 Fig 3 Interaction between the support and floor 可以看出,工作面顶板、支架和底板始终处于相 互作用、相互制约的动态系统中15,当顶板运移状态 发生变化时,顶板与支架及支架与底板间的相互作用 关系随之改变。 在工作面“顶板-支架-底板”系统 中,顶板的运动是必然和主动的,而支架的受载与转 动下滑及底板对支架的载荷作用特征则是被动的。 这里将底板假设为弹性地基,则单个支架在一 般受载状态下的倾向力学模型如图 4 所示。 其中, 顶板对支架的载荷包括法向载荷支架工作阻力 P和切向载荷顶板与支架间摩擦力 FR两部分, 且受顶板运移影响,摩擦力 FR的取值介于-P1 P1kN;底板对支架的载荷亦包含法向载荷和切向 载荷支架与底板间摩擦力 FF两部分,且受支架 运 动 影 响, 摩 擦 力 FF的 取 值 介 于 - P Gcos 2 P Gcos 2kN。 图 4 中, 为煤层倾角,; 为支架转角,; a 为支架宽度,m;b 为支架高度,m;h0为支架重心高 度,m;x1为顶板法向载荷 P 作用位置,m;k0为底板 地基系数,kN/ m3;x2为底板法向载荷合力 FN作用位 置,m;G 为支架重量,kN;Si-1和 Si1为相邻支架作用 载荷,kN。 由于在大倾角煤层综采过程中,架间作用 力远小于支架与顶底板间的摩擦力,以下假设相邻支 架间作用载荷相等,重点分析工作面顶板不同运移状 态下支架的行为响应。 结合 25221 工作面的具体工 况,下述模型中计算参量的取值见表 3。 图 4 支架沿倾向力学模型 Fig 4 Mechanical model of support at inclined direction 表 3 模型中相关物理参量 Table 3 Related physical parameters in the model 参量名称参量值 支架宽度 a/ m1 6 支架底座长度 c/ m3 支架重心高度 h0/ mb/2 支架重力 G/ kN159 8 底板地基系数 k0/ kNm -3 1 0105 支架初撑力 P0/ kN3 000 支架与顶板间摩擦因数 10 3 支架与底板间摩擦因数 20 3 3 2 临界失稳状态下支架受载特征 以下根据图 4 所示力学模型,在顶底板岩层保持 稳定的情况下,确定使支架保持稳定的临界工作阻 力。 3 2 1 临界下滑失稳情况下的工作阻力 支架不下滑失稳的条件是其抗滑力大于滑动力, 即 FR F F Gsin 1 在支架的临界下滑失稳状态下,支架与顶底板岩 层间的摩擦力可表示为 FR P12 FF P Gcos 23 由式1 3可得使单个支架保持不下滑失稳 的临界工作阻力 Pcr1可表示为 Pcr1 Gsin - cos 2 1 2 4 3 2 2 临界转动失稳情况下的工作阻力 支架不转动失稳的条件是其抗转动力矩大于转 动力矩,即 Px1 Gcos a 2 F Rb FNx2 Gsin h05 3233 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2018 年第 43 卷 在保持支架不转动失稳的临界最坏情况下,支架 抗转动力矩中的支架工作阻力 P 作用于 D 点x1 0,底板法向载荷合力 FN作用于 A 点x2 0,则 式5可简化为 FRb Gcos a 2 Gsin h06 由式2,6可得使支架保持不转动失稳的临 界工作阻力 Pcr2可表示为 Pcr2 G2h0sin - acos 21b 7 这里取支架高度 b4 m,则由式4,7可得确 保支架不下滑和转动失稳的临界工作阻力随煤层倾 角的变化关系如图 5 所示。 由图 5 可知,支架在自由 状态P0 kN下的下滑临界角为 17,转动临界角 为 31;确保支架不下滑和转动失稳的临界工作阻力 都随着煤层倾角的增大而增大,且在相同煤层倾角条 件下,支架的临界下滑工作阻力大于其临界转动工作 阻力;确保支架稳定的临界工作阻力远小于支架的实 际工作阻力,且其一般不超过支架自重的 2 倍。 图 5 煤层倾角对支架临界工作阻力的影响 Fig 5 Influence of coal seam angle on critical working resistance of support 3 3 初撑状态下支架受载特征 在大倾角煤层开采中,为确保支架稳定,支架在 移架后会通过防滑和防倒千斤顶调整支架位态,这里 假设支架在移架调整后位态良好,无转动,底板对 支架的法向载荷为均布载荷,如图 3a所示。 由弹 性地基理论16可得底板法向载荷合力 FN可表示为 FN ack0z08 式中,z0为支架沉陷量,m。 则根据图 4 所示力学模 型,由平衡条件可得 FR F F - Gsin 09 ack0z0 - P 0 - Gcos 010 P0 a 2 - x 1 Gsin h0- FRb 011 由式9 11可得初撑状态下支架沉陷量 z0 及其与顶底板间摩擦力 FR和 FF可表示为 z0 P0 Gcos k0ac 12 FR P0a - 2x1 Gsin h0 2b 13 FF Gsin - P0a - 2x1 Gsin h0 2b 14 这里取支架高度 b4 m,则由式13,14可得 初撑状态下支架与顶底板间的摩擦力随顶板载荷作 用位置 x1的变化关系如图 6 所示。 由图 6 可知,支 架与顶板间的摩擦力 FR随着 x1的增大而减小,而支 架与底板间的摩擦力 FF随着 x1的增大而增大;只有 当 x1的取值介于 0 688 0 816 m 时,支架与顶底板 的摩擦力 FR和 FF的方向相同沿 x 轴正方向,且 大小介于 0 Gsin kN;支架与工作面顶板岩层的接 触方式对支架及底板的受载特征有显著影响。 图 6 顶板载荷作用位置对支架受载的影响 Fig 6 Influence of load position of roof on support loading 3 4 工作状态下支架受载与失稳特征 采动过程中,受工作面顶板运移影响,支架与顶 底板岩层的接触方式及受载特征均发生改变,支架位 态亦随之发生改变。 以下根据图 4 所示力学模型,分 析工作状态下支架的受载与失稳特征。 3 4 1 支架沉陷绕 O 点转动,无提离 设支架在顶板运移过程中 O 点沿 z 方向的下沉 量为 zO,绕 O 点的转角为 。 支架无提离支架底座 倾向上下边缘未离开底板时,底板对支架的法向载 荷可表示为梯形载荷,如图 3b所示。 由弹性地基 理论16可得支架底座倾向上下边缘位置处的分布载 荷 qB和 qA为 qBzO- a 2 sin k0c15 qAzO a 2 sin k0c16 由式15,16可得支架在该位态下底板对其 法向载荷的合力 FN及其作用位置 x2可表示为 FN ack0zO17 x2 a 12 6 - asin zO 18 4233 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 第 12 期罗生虎等大倾角大采高综采工作面支架受载与失稳特征分析 则由图 4 所示力学模型,可得支架在该位态下的 平衡条件为 FR F F - Gsin - 019 ack0zO- P - Gcos - 020 a3ck0 12 sin P a 2 - x 1 Gh0sin - - FRb 021 由于支架的重力远小于支架的工作阻力,为理论 求解方便,在以下分析中忽略支架转角 对其重力 投影量的影响。 则由式19 21可得支架在该位 态下 O 点的下沉量 zO、转角 及其与底板的摩擦力 FF可表示为 zO Gcos P ack0 22 arcsin P6a - 12x1 12Gsin h0- 12FRb a3ck0 23 FF Gsin - FR24 3 4 2 支架沉陷绕 A 点转动,B 点提离 设支架随顶板运移过程中 A 点沿 z 方向的下沉 量为 zA,绕 A 点的转角为 。 支架绕 A 点转动 B 点提 离支架顺倾向转动,支架底座倾向上边缘脱离底 板时底板对支架的法向载荷可表示为三角形载荷, 如图 3c所示。 由弹性地基理论16可得作用于支 架底座倾向下边缘即 A 点的分布载荷 qA和三角 形载荷作用长度 lA可分别表示为 qA z Ak0c 25 lA zA tan 26 由式25,26可得支架在该位态下底板对其 法向载荷的合力 FN及其作用位置 x2可表示为 FN k0c 2 z2 A tan 27 x2 zA 3tan 28 根据图 4 所示力学模型,可得支架在该位态下的 平衡条件为 FR F F - Gsin 029 k0c 2 z2 A tan - P - Gcos 030 k0c 6 z3 A tan2 - Px1- FR b Gsin h0- Gcos a 2 0 31 由式29 31可得支架在该位态下 A 点的下 沉量为 zA,转角 及其与底板的摩擦力 FF为 zA 4P Gcos 2 3k0c2Px1- 2Gsin h0 Gcos a 2FRb 32 arctan8P Gcos 3/ 9k0c2Px1- 2Gsin h0 Gcos a 2FRb233 FF Gsin - FR34 3 4 3 支架沉陷绕 B 点转动,A 点提离 设支架随顶板运移过程中 B 点沿 z 方向的下沉 量为 zB,绕 B 点的转角为 。 支架绕 B 点转动 A 点提 离支架逆倾向转动,支架底座倾向下边缘脱离底 板时底板对支架的法向载荷亦可表示为三角形载 荷,如图 3d所示。 由弹性地基理论16可得作用于 支架底座倾向上边缘即 B 点的分布载荷 qB和三 角形载荷作用长度 lB可分别表示为 qB z Bk0c 35 lB- zB tan 36 则支架在该位态下底板对其法向载荷的合力 FN 及其作用位置 x2可表示为 FN- k0c 2 z2 B tan 37 x2 a zB 3tan 38 根据图 4 所示力学模型,可得支架在该位态下的 平衡条件为 FR F F - Gsin 039 - k0c 2 z2 B tan - P - Gcos 040 - k0c 6 z3 B tan2 Pa - x1 - FR b Gsin h0 Gcos a 2 0 41 由式39 41可得支架在该位态下 B 点的下 沉量为 zB、转角 及其与底板的摩擦力 FF为 zB- 4P Gcos 4/ 3k0c2FRb - 2Gsin h0- Gcos a - 2Pa - x142 arctan - 8P Gcos 3/ 9k0c2FR b - 2Gsin h0- Gcos a - 2Pa - x12 43 FF Gsin - FR44 图 7 为当 44,x1a/2 m,b4 m 时顶板载荷 对支架受载与失稳的影响,图 7 中的数字为对应不同 情况下支架临界转动失稳底板载荷作用位置 x2 0 或 x2a时的纵坐标值,下同。 由图 7 可知 1使支架保持不转动失稳0 x2 a的支 5233 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 煤 炭 学 报 2018 年第 43 卷 图 7 顶板载荷对支架受载与失稳的影响 Fig 7 Influence of roof load on load and instability of support 架与顶板间摩擦力 FR的取值范围随着支架工作阻 力的增大而增大,且其取值边界不会达到最大静摩擦 力P1。 例如,当支架工作阻力 P 分别为 4 000, 5 000 和 6 000 kN 时,对应的最大静摩擦力依次 为1 200,1 500 和1 800 kN,但其取值范围依次 为-784 856,-987 1 056 和-1 184 1 256 kN,如 图 7a所示。 2由于支架与底板间摩擦力 FF的取值范围一 般大于支架与顶板间摩擦力 FR的取值范围,且使支 架保持不转动失稳的摩擦力 FR的取值不会达到其 最大静摩擦力,因此在大倾角大采高煤层开采中支架 转动失稳的概率大于其下滑失稳的概率。 例如,当支 架工作阻力 P 分别为 4 000,5 000 和 6 000 kN 时,摩 擦力 FF的取值范围依次为-1 235 1 235,-1 535 1 535 和-1 835 1 835 kN,而当支架处于临界转动 失稳时摩擦力 FF取值依次为 886 - 754,1 089 -954和 1 286-1 154kN。 3底板载荷作用位置 x2随着摩擦力 FR的增 大呈线性增大,即底板载荷的偏载程度随着摩擦力 FR绝对值的增大而增大,但其增长率随着支架工作 阻力 P 的增大而减小,如图 7a所示。 4支架转角 随着摩擦力 FR绝对值的增大呈 非线性增大,但使支架保持转动无提离的摩擦力 FR 的取值范围随着支架工作阻力 P 的增大而增大,且 支架一旦出现一侧提离,支架转角将迅速增大,如图 7b所示。 图 8 为当 44,P5 000 kN,b4 m 时顶板载 荷作用位置对支架受载与失稳的影响。 由图 8 可知 图 8 顶板载荷作用位置对支架受载与失稳的影响 Fig 8 Influence of load position of roof on load and instability of support 1当支架工作阻力 P 保持不变时,使支架保持 不转动失稳的摩擦力 FR的取值范围的大小不变,但 其取值区域随着顶板载荷作用位置 x1的增大而左 移,如图 8a所示。 2底板载荷作用位置 x2随着顶板载荷作用位 置 x1的增大而增大,如图 8a所示;而支架转角 随着顶板载荷作用位置 x1的增大而减小,如图 8b 所示。 图 9 为当 44,P 5 000 kN,x1a/2 m 时采 高对支架受载与失稳的影响。 由图 9 可知 1随着采高的增大,使支架保持不转动失稳的 支架与顶板间摩擦力 FR的取值范围在逐渐减小,当 支架高度分别为 4 和 6 m 时, 其取值区间依次 为-987 1 056 和-646 715 kN,如图 9a所示。 2当支架高度 b2 m 时,摩擦力 FR为最大静 摩擦力1 500 kN 时支架仍保持不转动失稳,而当摩 擦力 FR为最大静摩擦力时,由水平方向的平衡关系 可 得 支 架 与 底 板 间 摩 擦 力FF应 为 1 602 -1 398kN,不在其取值-1 535 1 535 kN,即支架 下滑失稳,因此与大倾角大采高煤层开采相反的是在 一般采高大倾角煤层开采中,支架滑移失稳的概率大 6233 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 第 12 期罗生虎等大倾角大采高综采工作面支架受载与失稳特征分析 于其转动失稳的概率。 3底板载荷作用位置 x2随着摩擦力 FR线性 增长的斜率随着支架高度 b 的增大而增大,如图 9a所示;支架转角 亦随着支架高度 b 的增大而 增大,如图 9b所示。 图 9 采高 b 对支架受载与失稳的影响 Fig 9 Influence of mining height on load and instability of support 由上述分析可以看出,在大倾角大采高煤层开采 中,受顶板运移影响,支架亦会随着顶板的运动而运 动;且受采高增大影响,支架转动下滑的幅度远较一 般采高大倾角煤层开采时大。 支架转动下滑的幅度 和失稳概率随着采高的增大、支架工作阻力的减小、 支架与顶板间摩擦力绝对值的增大及支架偏载程度 的增大而增大,且支架转动失稳的概率大于其滑移失 稳的概率。 因此,在大倾角大采高煤层开采中,应对 工作面进行全时矿压监测,重点针对工作面倾向中上 部区域顶板运动活跃、支架受载与行为多变等特点, 加强预警,一旦出现支架载荷骤增及支架位态不良等 情况时,应立即采取措施加护工作面顶底板岩层,并 及时调整支架位态。 应当指出,底板作为工作面“顶板-支架-底板” 系统的重要构成元素,底板在采动应力和支架载荷等 因素影响下亦会产生破坏滑移,并导致工作面“顶 板-支架-底板”系统失稳,限于篇幅,本文仅探讨了 顶板载荷和采高对支架稳定性的影响,底板对其稳定 性的影响将另文论述。 4 结 论 1在大倾角大采高煤层开采中,受采高增大影 响,顶板运移的幅度和剧烈程度及支架工作阻力均较 一般采高大倾角煤层开采时大,“支架-围岩”相互作 用关系复杂,架间推压、咬挤现象明显。 2确保支架不转动和下滑的临界工作阻力均 随着煤层倾角的增大而增大,在相同煤层倾角条件 下,支架的临界下滑工作阻力大于其临界转动工作阻 力,但其一般不超过支架重量的 2 倍。 3顶板对支架的法向和切向载荷都对支架的 稳定性有显著影响,且使支架保持稳定的支架与顶板 间摩擦力的取值范围随着支架工作阻力的增大而增 大,但其随着采高的增大而减小。 4底板法向载荷的偏载程度随着顶板切向载 荷绝对值的增大而线性增大,但其增长率随着支架工 作阻力的减小及采高的增大而增大,且其随着顶板载 荷偏载程度的增大而增大