何風(fēng)強(qiáng)，李 宏，王東攀

(1.神華寧煤集團(tuán)石炭井焦煤公司，寧夏石嘴山753000;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013)

綜采放頂煤技術(shù)自1982年引進(jìn)至國內(nèi)，經(jīng)過30a的不斷發(fā)展和完善，已成為我國厚煤層開采的主要方法之一。綜放支架作為綜放開采技術(shù)的核心裝備，經(jīng)歷了初期的高位放頂煤、中位放頂煤液壓支架到如今應(yīng)用成熟的低位放頂煤液壓支架;架型由初期單一的四柱支撐掩護(hù)式綜放支架發(fā)展到現(xiàn)在的新型兩柱掩護(hù)式綜放支架和四柱支撐掩護(hù)式綜放支架并存。隨著工作面采深的加大和自動(dòng)化開采程度的不斷提高，對液壓支架的適應(yīng)性、穩(wěn)定性要求越來越高。大量現(xiàn)場實(shí)踐表明，目前應(yīng)用廣泛的四柱支撐掩護(hù)式綜放支架存在立柱受力不均衡、支撐效率低等問題，造成支架在大傾角、松軟煤層等地質(zhì)條件下工況差，因此有必要對立柱受力不均衡的規(guī)律和機(jī)理進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)措施。

1 四柱式放頂煤液壓支架立柱受力不均衡規(guī)律

根據(jù)近年來天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部所完成的部分綜放工作面礦壓實(shí)測觀測資料，總結(jié)了各種典型條件下綜放工作面礦壓情況 (見表1)，分別按中硬和軟弱類型對四柱支撐掩護(hù)式放頂煤支架和兩柱掩護(hù)式放頂煤支架的受力不均衡比值進(jìn)行對比分析。

表1 綜放工作面液壓支架立柱受力不均衡比值統(tǒng)計(jì)

由表1分析可得到如下結(jié)論:

(1)四柱式放頂煤液壓支架普遍存在前后立柱受力不均，前后立柱受力比值1.11～2.23，前柱受力均大于后柱。

(2)前后柱受力均衡系數(shù)由頂煤軟硬決定，同時(shí)受放煤量和煤層傾角的影響。當(dāng)頂煤為中硬(煤層堅(jiān)固性系數(shù)f＞1.5)時(shí)，前后柱受力比值在1.11～1.36，且隨著煤層硬度的提高而趨于受力均衡。在松軟頂煤 (f＜1.5)條件下，前后柱受力不均衡表現(xiàn)突出，且不均衡系數(shù)隨放煤量和煤層傾角的增大而增大。

(3)兩柱掩護(hù)式放頂煤支架左右立柱受力相對均衡，支撐效率高于四柱支掩式放頂煤支架。

為了進(jìn)一步研究在不同頂煤和架型下，放頂煤工藝對立柱受力均衡性的影響，分別以石炭井煤礦2474工作面代表大傾角松散煤層、鐵北礦右四片工作面代表中硬煤層、平朔井工一礦4108工作面代表兩柱式掩護(hù)式放頂煤支架開采中硬煤層。根據(jù)實(shí)測立柱初撐力和工作阻力變化曲線分析放煤工藝對立柱受力均衡性的影響 (見圖1～圖6)。

圖1 石炭井2474工作面前后立柱初撐力

圖2 鐵北礦右四片工作面前后立柱初撐力

圖3 平朔井工一礦4108左右立柱初撐力

圖4 石炭井2474工作面前后立柱受力變化曲線

圖5 鐵北礦右四片前后立柱受力變化曲線

圖6 平朔井工一礦4108左右立柱受力變化曲線

由圖1～6可知，石炭井2474工作面初撐力前后立柱平均比值1.59，放煤后前后立柱循環(huán)末阻力平均比值2.23，受力不均衡系數(shù)明顯增大，且中部支架受力不均衡性更加突出，這與中部放煤量大有關(guān);鐵北礦右四片工作面前后立柱初撐力平均比值1.28，放煤后循環(huán)末阻力前后立柱平均比值1.20，變化不明顯;平朔井工一礦4108工作面左右立柱初撐力比值平均1.08，放煤后左右立柱循環(huán)末阻力比值平均1.13，基本沒有太大變化。

綜合分析，可得出如下結(jié)論:放頂煤工藝對支架立柱受力不均衡有較大影響，尤其在松散頂煤條件下，放煤工藝加劇了四柱支撐掩護(hù)式支架立柱受力不均衡性，而兩柱放頂煤支架立柱受力不均衡性受放煤工藝影響相對較小。

2 立柱受力不均衡機(jī)理分析

根據(jù)頂煤體應(yīng)力狀態(tài)和巖體屈服破壞準(zhǔn)則，松散頂煤可分為3個(gè)區(qū)域 (見圖7)，即彈性區(qū)A、塑性區(qū)B和散體區(qū)C。以超前支撐壓力峰值為界劃分彈性區(qū)A和塑性區(qū)B;以頂煤破斷面為界劃分為塑性區(qū)B和散體區(qū)C。頂板壓力由頂煤傳遞至支架，合力作用點(diǎn)位置由塑性區(qū)B和散體區(qū)C決定。由于散體區(qū)C頂煤剛度小，存在“讓壓”效應(yīng)，傳力效果差，因此頂煤主要承載區(qū)是塑性區(qū)B，而塑性區(qū)B的大小與頂煤垮落角有關(guān)。頂煤垮落角與頂煤力學(xué)性質(zhì)相關(guān)，頂煤越硬、越穩(wěn)定則垮落角越小，一般小于90°;反之，頂煤越軟，穩(wěn)定性越差，則垮落角等于或大于90°。當(dāng)頂煤為中硬時(shí)，垮落角小于90°，塑性區(qū)B范圍大，頂煤有效承載面積大，載荷合力作用點(diǎn)M1位于支架前后立柱中間，前后立柱受力相對較均衡;反之，當(dāng)頂煤松軟時(shí)，垮落角小于90°，頂煤破斷面前移，有效承載面積縮小，載荷合力作用點(diǎn)由M1前移至M2(見圖7)，造成前立柱壓力大于后立柱，且頂煤越軟，載荷合力作用點(diǎn)越靠近煤壁，前柱承受的載荷比重越大，后立柱承受的載荷比重越小，前后柱受力不均衡性越明顯，當(dāng)頂煤硬度系數(shù)f＜1.5時(shí)，前后立柱受力不均衡系數(shù)超過1.5。

圖7 四柱式支架頂煤分區(qū)及合力作用點(diǎn)轉(zhuǎn)移示意

當(dāng)頂煤放出時(shí)，頂梁后方的頂煤部分滑落到放出空間，使支架切頂線前移，導(dǎo)致前立柱阻力增大，后立柱阻力降低，前后立柱受力不均衡性增大。在松散頂煤和大傾角條件下，由于工作面采用偽仰斜布置，頂梁后方頂煤更易滑落，由此造成支架切頂線進(jìn)一步前移，前后立柱受力不均衡性更加明顯。

3 結(jié)論與建議

(1)四柱式放頂煤液壓支架普遍存在前后立柱受力不均。前后柱受力不均衡系數(shù)由頂煤軟硬決定，同時(shí)受放煤量和煤層傾角的影響，尤其在松散頂煤條件下，過量放煤將加劇四柱式支架立柱受力不均衡性。

(2)兩柱掩護(hù)式放頂煤支架左右柱受力相對均衡，支撐效率高于四柱支掩式放頂煤支架。

(3)頂煤塑性區(qū)作為有效承載區(qū)，范圍由頂煤硬度和垮落角決定，立柱受力由載荷合力作用點(diǎn)的位置決定，放煤時(shí)，由于后部頂煤的放出，支架載荷合力作用點(diǎn)位置前移，造成后柱壓力較前柱壓力降低大，且大傾角和松軟頂煤條件下，受力不均衡性更加突出。

(4)建議利用液壓支架立柱受力不均衡的規(guī)律，優(yōu)化前后立柱缸徑，適當(dāng)提高前柱缸徑、縮小后柱缸徑，有效提高梁端支撐能力，并使支架有較大向前水平分力。

(5)為改善支架的受力狀態(tài)和提高支撐效率，建議在大傾角、松軟煤層條件下進(jìn)行兩柱掩護(hù)式放頂煤支架的試驗(yàn)研究。

［1］張 震.兩柱及四柱放頂煤支架適應(yīng)性對比分析［J］.煤炭工程，2012(3):80－82.

［2］楊培舉，劉長友.兩柱式綜放支架的承載規(guī)律及工藝研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2010，27(4):512－516.

［3］張 震，閆少宏，尹希文，等.基于平衡千斤頂受力分析下的兩柱綜放支架適應(yīng)性研究 ［J］.煤礦開采，2012，17(1):65－67.

［4］于海湧，吳東風(fēng).放頂煤工作面支架受力特征及分析 ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，1995(10):461－465.

［5］康立軍，綜放開采頂煤應(yīng)變軟化特性對支架載荷限定作用的研究 ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，1998，23(2):140－143.

［6］孟小軍.ZY12000/28/620型掩護(hù)式支架適應(yīng)性試驗(yàn)研究［J］.煤礦開采，2011，16(1):76－78.

［7］馬端志.四柱支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架支護(hù)性能分析［J］.煤礦開采，2010，15(5):66－68.