葛亭煤礦1.5Mta新井設計含5張CAD圖-采礦工程.zip

葛亭煤礦1.5Mta新井設計含5張CAD圖-采礦工程.zip,煤礦,1.5,Mta,設計,CAD,采礦工程 大采高綜采技術研究 摘要：針對大采高綜采工作面采場頂板巖層的運動規(guī)律和采場礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律有其特殊性的特點，著重研究大采高綜采工作面的礦壓顯現(xiàn)特征及其規(guī)律、工作面采場圍巖應力場、位移場及圍巖塑性破壞場的分布規(guī)律以及大采高綜采工作面煤巖組合力學模型及其控制。 關鍵詞：大采高綜采，支架穩(wěn)定 ，防倒措施 引言 目前，在我國一次能量消費結(jié)構中，煤炭占75%以上。煤炭不僅是我國的基本燃料，又是重要的工業(yè)原料，電力、鋼鐵、石油加工、水泥、化學原料五大行業(yè)都離不開煤炭，因此，煤炭工業(yè)的發(fā)展直接關系到國計民生。為使我國能源戰(zhàn)略持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展，必須穩(wěn)步高效地發(fā)展煤炭工業(yè)。 我國是世界上煤炭資源最豐富的國家之一。據(jù)不完全統(tǒng)計，己知含煤面積約55000k了，探明總儲量在9000億t以上，居世界前列。自1989年，我國一直是世界第一大煤炭生產(chǎn)國和消費國，煤炭產(chǎn)量占世界煤炭產(chǎn)量的1/4以上，而緩傾斜厚煤層煤炭產(chǎn)量又占我國總產(chǎn)量的40%以上，我國很多礦區(qū)賦存有3. 5~6. 0m厚的煤層，這類煤層在邢臺、開灤、徐州、充州、淮北、阜新、雙鴨山、義馬、西山、銅川、陽泉等礦區(qū)均為主采煤層。隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展，煤炭工業(yè)日趨向大型化、集中化、高產(chǎn)高效方向發(fā)展，建設高產(chǎn)高效礦井，提高企業(yè)經(jīng)濟效益己成為煤礦企業(yè)的基本經(jīng)營理念，尤其是市場經(jīng)濟的激勵機制極大地促進了采煤技術與裝備水平的快速發(fā)展。我國在引進國外大采高裝備技術后，綜采工作面日產(chǎn)量可達萬噸，取得了舉世矚目的成績。 據(jù)目前國內(nèi)外開采技術的發(fā)展，大采高綜采是指采高在3. 5~6. 0m，工作面使用大功率雙滾筒采煤機和重型刮板運輸機割、運煤，用大噸位液壓支架(支架工作阻力、單架支護面積和支架支撐高度大)控制頂板，一次采全高的綜采技術。其設備趨于大型化、重型化和自動化，其特點是技術先進、性能可靠、裝機功率大、生產(chǎn)效率高。 對于煤層傾角小于30°的厚煤層(3.5~6.0m)開采，大采高綜采與綜采采煤法相比，具有下列優(yōu)點:煤炭資源回采率高;煤炭含研率低;回采工作面煤塵、煤的自然發(fā)火和瓦斯涌出安全性好;對于3~4m不適宜綜采開采的厚煤層，大采高具有工效高、成本低等優(yōu)點。大采高綜采與分層開采相比，具有下列優(yōu)點:工作面生產(chǎn)能力大，有利于合理集中生產(chǎn);回采工效和煤炭資源回收率高、巷道掘進率和維護量低;回采工藝和巷道布置簡化，綜采設備搬家次數(shù)少，搬家費用省，增加生產(chǎn)時間;節(jié)省材料(人工假頂材料等)和回采成本低等。 高產(chǎn)高效大采高綜采生產(chǎn)能力大、回采率高、安全條件和經(jīng)濟效益好，是目前國內(nèi)外厚煤層(3. 5~6. 0m)開采技術的主要發(fā)展方向之一，其優(yōu)勢使得在國內(nèi)外被廣泛采用。但是，經(jīng)過礦山實踐和許多專家、學者多年的現(xiàn)場觀測及理論研究發(fā)現(xiàn)，大采高綜采與一般綜采(采高<3. 5m)相比，這種新的回采工藝工作面內(nèi)支架——圍巖系統(tǒng)穩(wěn)定性差、事故率高，尤其嚴重的是高架(大采高支架的簡稱)穩(wěn)定性事故率高達19%以上，遠高于一般采高綜采面，高架的咬架、倒架事故直接引發(fā)的頂板事故及調(diào)整支架的難度、材料和工時的消耗，嚴重制約了大采高綜采效能的發(fā)揮。采場支承壓力是引起礦山壓力顯現(xiàn)的重要組成部分，其對開采煤層、頂?shù)装寮捌渥饔梅秶鷥?nèi)的煤巖層會產(chǎn)生很大的影響。在支承壓力作用下，工作面煤壁前方煤層發(fā)生壓縮和破壞，相應的部位易出現(xiàn)頂?shù)装逑鄬σ苿右约爸Ъ苁芰ψ冃蔚戎С袎毫Φ娘@現(xiàn)，主要表現(xiàn)有：回采工作面煤壁片塌、冒頂和底鼓;沖擊地壓和煤層突出;超前巷道兩幫煤壁壓縮和片塌。煤層上方若賦存有堅硬巖層，大采高采場垮落的直接頂巖石往往不能填滿采空區(qū)，而在堅硬巖層下方出現(xiàn)較大的自由空間，折斷后的老頂巖梁難以形成“砌體梁”式的平衡，在其回轉(zhuǎn)運動的過程中，工作面前方的煤體內(nèi)形成較高的支承壓力，并在工作面引起強烈的周期來壓。因此，大采高采場老頂來壓更為劇烈、局部冒頂和煤壁片幫現(xiàn)象更為嚴重，支架沖擊載荷更為突出，這些都是影響高產(chǎn)高效大采高綜采工作面機械化水平的重要因素?；夭晒ぷ髅媸堑叵乱苿拥墓ぷ骺臻g，為了保證生產(chǎn)工作的正常進行與礦工的安全，必須對它進行維護。然而回采工作面的礦山壓力顯現(xiàn)又決定于回采工作面周圍所處的圍巖和開采條件。因此，為了確保回采工作面空間的安全，必須對回采工作面形成的礦山壓力顯現(xiàn)加以控制?？刂撇蓤龅V山壓力的基本手段之一是回采工作面液壓支架，其是平衡回采工作面頂板壓力的一種構筑物，通過液壓支架直接地支護直接頂，從而間接地對老頂?shù)幕顒悠鹨欢ǖ目刂谱饔谩? 因此，要充分發(fā)揮大采高綜采回采工藝的優(yōu)越性，以指導礦山生產(chǎn)實踐，就必須充分了解大采高綜采工作面采場礦壓顯現(xiàn)特征，全面認識采場上覆巖層的運動規(guī)律和采場支承壓力分布規(guī)律及其煤壁的破壞規(guī)律，建立大采高綜采工作面煤巖組合力學模型及其控制。其研究為大采高綜采技術在我國煤炭行業(yè)的推廣應用和發(fā)展提供有益的實踐經(jīng)驗，具有重要的工程實際意義，同時可以豐富和發(fā)展礦山壓力及巖層控制理論，具有重要的理論意義。 1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.1國外現(xiàn)狀 德國、波蘭、英國、俄羅斯、捷克、日本等國從60年代開始就發(fā)展采用大采高綜采技術。早在60年代，日本曾設計了一種6m采高并帶中間平臺的液壓支架，獲得了日本國家設計獎。德國在1970年使用貝考瑞特垛式支架成功地開采了熱羅林礦4m厚的7號煤層，德國擁有的大采高液壓支架架型包括威斯特伐利亞BC-26/26、赫姆夏特T5}0-22/60、蒂森RHS26-60BL及6320-23/4型大采高液壓支架。前蘇聯(lián)采用M120-34/49型掩護式支架、波蘭采用POMA22/46型掩護式支架、捷克使用F4/4600型支架作為大采高液壓支架。目前，國外厚煤層大采高液壓支架的最大支撐高度達7m，采煤機最大采高達5. 4m。各國的生產(chǎn)實踐表明，在一些良好的地質(zhì)和生產(chǎn)技術條件下開采較硬的煤層，大采高綜采實現(xiàn)了高產(chǎn)高效、高安全、高回收率和經(jīng)濟效益好的目標。國外一般認為:設備重型化和尺寸加大、煤壁片幫與頂板冒落、高架穩(wěn)定性、大端面順槽開掘與支護、采面運輸?shù)榷际窍拗拼蟛筛呔C采取得顯著經(jīng)濟效益和推廣應用的障礙。因此，世界主要產(chǎn)煤國至今仍在積極改進、完善大采高液壓支架，并不斷進行現(xiàn)場實踐和擴大大采高綜采的應用范圍。 1.2國內(nèi)現(xiàn)狀 我國從1978年起，開始試驗厚煤層大采高一次采全厚開采方法，至今已取得了長足進步。在神東、邢臺、開灤、鐵法、西山、徐州、棗莊等礦區(qū)得到了廣泛推廣使用，效益良好。于1978年引進德國赫姆夏特公司6320-23/45型掩護式大采高液壓支架及相應的采煤運輸設備，在開灤范各莊礦1477綜采工作面開采7號煤層，開采效果良好。1985年在西山礦務局官地礦首次進行國產(chǎn)BC520-25/47型支撐掩護式大采高液壓支架試驗，開采的8號煤層平均厚度4. 5m，傾角小于50，在采高4. 0m及II級3類頂板條件下，支架經(jīng)歷了仰斜、俯斜和斜推使用，綜采工作面3個月產(chǎn)煤11. 2萬t。1986年我國研制的BY3200-23/45型掩護式支架在東龐礦試驗成功，1987~1988年東龐礦又與北京煤機廠合作研制了改進型BY3200-23/45型和BY3600-25/50型掩護式大采高液壓支架，并成功地應用于東龐礦2號煤層開采。開灤礦務局林南倉礦采用BY3200-23/45型掩護式支架在1182綜采工作面開采8-1煤層，支架在煤層傾角6°~38°(平均傾角22°)及II級2類頂板條件下，經(jīng)歷了過老巷、斷層和無煤柱等惡劣條件的考驗，工作面平均月產(chǎn)煤4萬t。西山礦務局官地礦、西銘礦及雙鴨山局新安礦使用BC480-22/42型支架，總體效果良好。義馬礦務局耿村礦選用QY350-25/47型二柱掩護式支架，并于1987年10月在12061工作面安裝投產(chǎn)，總體來看義馬煤田厚煤層的工程技術條件能適應4~5m厚煤層綜采一次采全高的技術要求。此外，徐州礦務局權臺礦在“三軟”(頂軟、底軟、煤層軟)煤層，大同礦務局在“三硬”煤層條件下，分別研制了端面支撐力大、底座比壓小的ZYR3400-25/47型短頂梁插腿掩護式液壓支架及支撐能力大、切頂性能強、整體穩(wěn)定性好的TZ10000-29/47型支架，大屯徐莊礦在2004年9月開始利用新研制的大采高綜采支架回采近距離煤層下組煤。經(jīng)過10余年的發(fā)展，我國研制和生產(chǎn)的大采高液壓支架己有10余種架型，支架結(jié)構高度最高為5m，支架工作阻力最高達l0MN/架，架型有二柱掩護式和四柱支掩式兩種，前梁有挑梁式和伸縮梁式兩種，底座有插腿和非插腿式兩種，推移機構有長、短框架和帶移步橫梁的多種，護幫板長度從0. 8m增加到2. 2m。從全國使用情況看，年產(chǎn)逾百萬噸的大采高綜采隊中，最高年產(chǎn)已達170萬t，回采工效達87. 9t/工。 1.3大采高綜采技術發(fā)展趨勢 采煤機的選型上以寧大勿小為原則。近年來，采煤機的截割速度一直在增加，目前采煤機的截割速度一般在12 ~15m/min，一些新研究開發(fā)出來的采煤機的截割速度達到了24~36m/min;截割功率、牽引功率更高更大，總裝機功率將超過2400kW。 工作面液壓支架工作阻力更高、單架支護面積更大，設計手段更先進，設計使用壽命要大于60000個循環(huán)。為滿足采煤機截割深度大于1000mm的要求，增加支架頂梁的長度，以維護工作面頂板，防治冒頂;液壓支架的寬度有1. 5m和1. 75m兩種，從目前看還有加大的余地，支架中心間距可達到2000mm，可以增加大采高支架的穩(wěn)定性，以滿足增加支撐力的要求。隨著采高、工作面長度及生產(chǎn)能力的不斷增長，工作面輸送機鏈的直徑也不斷增大。刮板輸送機的輸送長度達到300m，小時運輸量可達到5000t，輸送機溜槽寬度、鏈條直徑、總裝機功率等都要增加，鏈條直徑達到48mm以上，總裝機功率達到3200kW,供電電壓可達到4160V。 2大采高支架穩(wěn)定性問題提出 實踐證明，良好的支架-圍巖關系是回采工作面高產(chǎn)高效的重要保障，良好的支架-圍巖關系意味著回采工作面頂?shù)装迨鹿噬?，支架本身穩(wěn)定性好，支架事故少。大采高綜采工作面由于采高較大，煤壁片幫的概率增大，煤壁片幫后端面距加大，極有可能造成端面冒頂，出現(xiàn)頂板事故。端面冒頂導致支架接點到煤壁的距離加大，使支架受力狀態(tài)惡化，迫使液壓支架平衡千斤頂被拉壞和頂梁抬頭，也會導致液壓支架立柱、頂梁、護幫構件出現(xiàn)嚴重的損壞，在地質(zhì)條件復雜的情況下，還有可能出現(xiàn)頂梁臺階、傾倒甚至大規(guī)模的倒架事故。如東龐煤礦使用BY20-23/45型和BY360-25/50型支架，由于生產(chǎn)地質(zhì)條件復雜和端面冒頂嚴重，液壓支架經(jīng)常出現(xiàn)頂梁臺階和支架傾倒現(xiàn)象。此外，大采高支架本身高度大，質(zhì)量大，其結(jié)構的穩(wěn)定性要比普通采高支架差，對煤層傾角，地質(zhì)構造變化較為敏感。如神華集團神東煤炭公司補連塔煤礦開采5~6m的厚煤層，賦存穩(wěn)定，該礦于2000年引進JOY8670-2.4/5.0型支架，支架運行過程中出現(xiàn)了嚴重的支架穩(wěn)定性問題，主要問題表現(xiàn)為：采高達到4.0m時，立柱向側(cè)護板打開方向（機頭方向）傾倒，立柱傾斜角度達到0°?10°，當調(diào)面或輸送機下滑時支架立柱頃倒嚴重；當人工控制調(diào)架時或調(diào)整電液控制程序后，支架出現(xiàn)立柱向反方向（機尾方向）傾倒現(xiàn)象；由于立柱傾倒， 立柱與底座連接銷損壞嚴重；護幫板過短，煤壁片幫嚴重，起不到護幫作用；由于支架無底調(diào)裝置，在工作面調(diào)向或底座偏斜時，無法調(diào)整底座方向。 2. 1大采高穩(wěn)定性事故分類 大采高支架的穩(wěn)定性問題可分為兩大類，即橫向穩(wěn)定性和縱向穩(wěn)定性。 1.橫向不穩(wěn)定 橫向不穩(wěn)定是指支架頂梁相對底座偏離原橫向設計位置，有以下3種情形： （1）頂梁與底座發(fā)生相對角位移，即支架在走向方向上扭歪。 （2）頂梁與底座發(fā)生相對線位移，即大采高支架沿傾向傾倒。 （3）頂梁平面相對底座平面有一橫向夾角，頂梁與底座不平行。 2.縱向不穩(wěn)定 縱向不穩(wěn)定是指支架頂梁相對底座偏離原縱向設計位置，有3種具體情況： （1）支架向煤壁方向頃倒。 （2）支架向采空區(qū)方向傾倒。 （3）頂梁平面與底座平面不平行，存在一個縱向夾角，其中前兩種情況為支架縱向傾倒，而頂梁平面與底座平面有一縱向夾角。它又分為3種情況： a頂梁平面走向偏離底座平面一個角度，即頂梁仰角。 b底座前部下陷，底座前傾一個角度。 c底座整體上翹一個角度。 由此可見，大采高支架的穩(wěn)定性問題是一個空間問題，屬三維穩(wěn)定性問題。本文主要研究支架的橫向穩(wěn)定性問題。 2.2影響大采離支架穩(wěn)定性的主要因素及研究方法 1.影響橫向穩(wěn)定性的主要因素 綜采工作面支架穩(wěn)定性問題影響因素眾多，可歸納為兩大類，即地質(zhì)條件與支架結(jié)構設計。在地質(zhì)條件中，煤層傾角、復雜的地質(zhì)構造、煤層強度（煤壁片幫程度）均不同程度地影響支架穩(wěn)定性。就支架結(jié)構而言，架型、初撐力、工作阻力、支架重心位置、支架的防倒防滑裝置的配置均影響支架穩(wěn)定性。上述很多因素在大采高工作面影響更為顯著。支架穩(wěn)定性應主要考慮以下幾個因素。 (1）傾角的因素。在傾角較大的工作面，支架移架時可能出現(xiàn)下滑傾倒。下滑是由于支架重力的分力大于支架底座與底板的摩擦力，傾倒則是由于支架重心超出支架底座。在實際生產(chǎn)中，由于支架頂梁間排列較密，相互間還有頂梁及側(cè)護板的約束作用，而底座間隙較大，導致底座下滑，引發(fā)支架向上頃倒。 （2）支架結(jié)構的影響。大采高支架質(zhì)量大，重心高，而支架寬度變化不大，使支架穩(wěn)定性變差。 （3）支架受力狀態(tài)。支架受力狀態(tài)與頂?shù)装鍫顟B(tài)有密切關系，也與支架架型及工作阻力有關系。頂板下沉時，如果有傾斜方向的移動，則支架受到沿傾斜方向的分力影響，這樣會帶動支架向下偏斜；如果支架控制不力，發(fā)生頂板漏冒，支架受力惡化，受偏載或失去約束，也使支架失穩(wěn)。另外，當頂?shù)装宀黄?，頂梁及底座接頂狀況差，支架支承能力無法充分發(fā)揮，頂板變形量大，可能導致頂梁間出現(xiàn)臺階，引發(fā)咬架、傾倒。當工作面頂?shù)装逵辛芩畷r，頂?shù)装迥Σ亮档?，加劇對支架傾倒的影響。 2研究方法 （1）建立大采高支架受力模型，分析支架發(fā)生橫向傾倒的原因。 （2）實驗室支架穩(wěn)定性試驗的研究，探討影響支架穩(wěn)定性諸因素之間的相關關系。 （3）提出提高支架穩(wěn)定性的措施。 3大采高支架橫向穩(wěn)定性力學模型及控制條件 3.1支架翻到力學模型 支架橫向翻倒的力學模型如圖5-1所示。支架承受頂板壓力合力Q，支架自重G，上下鄰架擠靠力與，底板合力R以及支架與頂?shù)装迥Σ亮εc，、為頂?shù)装迥Σ料禂?shù)，支架在上述力的作用下平衡。 對支架底座下側(cè)0點取力矩，有 式中 h—支架高度； a—O點到支架重心重力作用線的垂直距離； e—O點到頂板作用力的垂直距離。 3-1支架受力圖 下面分3種情況討論支架翻到情況 （1）支架重心線通過O點，此時有a=0，則 （2）支架頂板作用力合力作用線通過O點，此時有e=0，則 （3）支架頂板合力作用線超過O點，但支架重心作用線未超過O點，有 由上述公式可見，支架的翻到性除與支架重量及重心位置，煤層傾角有關外，與頂?shù)装遄饔昧绊斄簲D壓均有關系，下面以支架在工作面的不同工作狀態(tài)分析支架翻到特征。 3.2單架自由狀態(tài)翻到特征 這是支架受力最簡單的狀態(tài)，此時有，可分為兩種情況討論，即支架支頂與支架不支頂。 1.支架不支頂時的翻倒計算 此時有Q=0，據(jù)式（3-1），Rc=Ga當支架重心線通過O點時，支架處于極限平衡狀態(tài)，此時a=0，。可見，支架翻倒與傾角、底座寬度及支架重心高度有關，傾角越大，重心越高，支架越易翻倒。大采高支架底座寬度一般為1.75m，則重心高度與傾角的關系如圖3-2所示。曲線以上為翻倒區(qū)域，曲線以下為非翻倒區(qū)域。由圖可見，支架重心越高，相應極限角越小。一般而言，大采高支架重心要高于普通支架，因而傾角的要求也相應較高。 3-2 重心高度與傾角關系 2.支架支頂時的翻倒計算 支架通過升降實現(xiàn)工作面推進中的支護。支架升架時，對頂板施加主動支撐力，其值為0~Qch，其作用力的方向垂直于支架頂梁，對支架而言，受到頂板的反作用力為0~Qch隨頂板下沉，支架達到工作阻力時，支架受到頂板壓力Q作用，其垂直于頂梁的分力Qy由支架工作阻力Qk平衡，支架同時受到平行于頂梁的分力Qz。當支架降架時，對于大多數(shù)頂板尤其是破碎頂板而言，支架受到頂板的重力，其值為Qr~0，方向垂直向下。顯而易見，支架升架過程中由于受到垂直于頂梁的力，此力及由此產(chǎn)生的摩擦力均有利于阻止支架翻倒，而支架在支護狀態(tài)及降架時，受到頂板垂直方向的作用力，此力沿頂梁平面向下的分力促使支架翻倒。下面僅分析被動受力的翻倒特征。 按力矩平衡分析，有以下幾種情況： (1)頂板合力作用線及支架自重作用線均位于O點上側(cè)，此時支架不會翻倒。 (2)頂板壓力合力作用線通過O點，但自重作用線未超出O點，支架不會翻倒，但如果Q>>G，則可能接近于臨界狀態(tài)。 (3)頂板壓力作用線位于O點下側(cè)，而自重作用線位于O點上側(cè)，是否翻倒應視Q及G的比值而定，據(jù)式3-4有 上式中，R為支架受底板的反作用力，。如果處于翻倒的臨界狀態(tài)，取c=0；如果未處于臨界狀態(tài)，c為0~B/2之間的某一值。Qy為垂直于頂梁平面的Q值分力，。f1為頂板與頂梁的摩擦系數(shù)，它隨接觸條件不同有較大的變化范圍，取0.3。 當未處于臨界狀態(tài)時，有 當處于臨界狀態(tài)時，有 假定頂梁沿傾斜方向受均布載荷，則 整理得 在式（3-5）中，應有 即 當小于下限值，則頂板作用力Q及自重G作用線均未超出O點；當大于上限值，則上述二力均超出了O點。在式3-7中，令，當h值取3、4、5、6、7m時，值得變化范圍見表3-1 表3.1 不同h值時值變化 h/m 3 4 5 6 7 /(°) 16.3~36.1 12.3~28.7 9.9~23.6 8.3~20 7.12~17.4 由表3-1可見，隨采高增加，的上下限值均呈減小趨勢，如采高6m時，頂板壓力Q作用線在為8.3°以下時，才不會超出O點，而當超過20°時，兩線均超出了O點，比采高3m時的下限值及上限值分別減少了8°及16°，可見采高對傾角是很敏感的。 在上述傾角范圍內(nèi)，支架是否會翻倒，由式（3-6）確定。如果左側(cè)值大于右側(cè)值， 則支架翻倒，反之，支架不會翻倒，臨界值即為式（3-6）。Q值的變化范圍為0~Qg，令，Qg=8000KN，G=250KN，則的變化范圍為0~32；當=0時，相當于支架不受頂板作用力，其翻倒狀態(tài)前已述及。由式（3-6）確定的h—α關系如圖3-3及表5-2。 表5.2 極限值α的計算表 h/m 0 0.5 1 10 20 30 3 36.1 33.14 32.25 30.8 30.7 30.6 4 28.7 27.98 27.78 27.47 27.4 27.4 5 23.6 24.62 24.9 25.34 25.37 25.38 6 20.03 22.28 22.9 23.88 23.95 23.98 7 17.4 20.56 21.45 22.8 22.9 22.95 圖3-3 h與α的關系 圖3-4 B與α的關系 以上計算過程中假定支架寬度取1.75m，顯然，支架寬度會影響到支架的翻倒特征。下面取支架寬度B分別為1.75、1.8、1.85、1.9、1.95、2.0m分別計算采高3、6m時的α與B的關系，如圖3-4所示。顯然，支架越寬，不論采高大小，極限角越大；采高大，極限角增加的幅度??；采高小，極限角增加的幅度大。隨著支架載荷的增加，寬度的影響減小。如當h=6m時，當=0即支架為自由狀態(tài)時，支架寬度從1.75m增大到2.0m，極限角從20.03°增大到22.6°，增加了 2.57°；當=1即外載荷與支架重量相等時，極限角從22.9°增加到24.34°，增加了1.44°；當 = 10時，增加量為1.1°。同樣，當=0、1、10時，考察在h=3m、h=6m的極限角時，隨B的增大，h的變化規(guī)律如圖3-5所示?？梢?，隨支架寬度增加，支架極限高度也呈直線增加，當=0，α為20.03°時，支架寬度為1.75m，極限高度是6m，當支架寬度達到2.0m，極限高度可達6.86m，支架寬度每10cm對極限高度的貢獻率為34cm；當=1，α為22.9°時，支架寬度1.75m的極限高度為6m，支架寬度達2.0m時，極限高度為6.87m，架寬每10cm對極限高度的貢獻率與=0時基本相同；當=10，α為23.8°時，支架每10cm的貢獻率為37.2cm。經(jīng)計算，當 = 0、1、10，采高3.0m，B = 1.75m時，每10cm支架寬度的貢獻率為17.2cm?？梢?，隨采高減小，支架寬度的貢獻率降低。 圖5-5 B與h的關系 3結(jié)論 綜合單架翻倒力學模型計算分析，可得出以下結(jié)論： （1）支架在支護狀態(tài)下，翻倒極限角與重心高度呈雙曲線關系，相同采高情況下，重心越高，極限角越小，當重心高度小于2.5m時，微量的重心降低，可使極限角有較大的增加。因此，降低重心高度是防止支架翻倒的重要措施之一。 （2）支架呈支護狀態(tài)時，支架翻倒不僅與重心高度有關，同時與支架實際支撐高度h有關，h與極限角α呈曲線關系。總的規(guī)律是支架高度越大，極限角越小。 （3）支架采高與極限角的關系受頂板外載荷影響，當支架升架到初撐狀態(tài)時，支架受到頂板對支架垂直于頂梁的作用力，此力有助于防止支架翻倒；當支架處于被動支撐狀態(tài)時，支架由于受到頂板重力沿平行于頂梁傾向分力的影響，極限角α值隨采高的變化有不同的變化規(guī)律。當采高小于4.2m時，隨頂板壓力的增加，α值呈降低趨勢，但α值降低的幅度越來越小?？梢?，支架抗翻倒的能力排序是：支架受垂直于頂梁的作用力（初撐力）→支架不受頂板力（自由狀態(tài)）→支架受頂板重力（被動支護狀態(tài)）。支架達到工作阻力后的支護過程中，翻倒的傾向性最大，但由于有鄰架擠靠力的作用，反而不易翻倒。易發(fā)生翻倒的時候是降架及移架過程中，支架逐步脫離頂板，外載荷降低，如果降架過多，頂板破碎，加之工作面管理跟不上，導致支架頂梁間隙過大，則可能由于受到頂板巖石重力作用而導致支架翻倒。當采高大于4.2m時，隨頂板壓力增大，極限角增大，且采高越高，極限角隨外載荷增大幅度越大，在此情況系下，自由狀態(tài)（不接頂）最易翻倒，因此，接頂移架是必須的。 （4）在支架寬度取1.75m，重心高度取支架高度的0.4倍情況下，不同采高的極限角度變化情況如下：采高4.0m時，α<12.3°，支架不會翻倒；當α>28.7°時，支架翻倒；當12.3°<α<28.7°，為支架敏感區(qū)域，與頂板重力、支架自重比值義有關，頂板壓力越大，越易翻倒?？紤]到支架易在降架時發(fā)生翻倒，將=1時即頂板重力與支架自重相等時的極限角定為該種情況下的極限角，其值為α4=27.8°；采高5.0m時，9.9°<α<23.6°，不接頂為臨界值，α5=23.6°；采高6.0m時，8.3°<α<20°，不接頂為臨界值，α6 =20°；采高7.0m時，7.12°<α<17.4°，不接頂為臨界值，α7=17.4°?？梢婋S著采高加大，其上下限角均變小，且范圍也變小。這從另一個角度說明大采高支架對角度很敏感，很易從穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定狀態(tài)，說明對煤層角度的變化適應性較差，防止翻倒的主要措施是接頂移架。 （5）支架寬度是影響翻倒的又一因素，采高越大，增加支架寬度能有效提高支架高度的上限值。換言之，寬架適應煤層傾角的范圍較大。因此，在大采高情況下，增加支架寬度有其實際意義。在現(xiàn)有支架寬度下，增設架間連接千斤頂，相當于增加底座寬度，能有效防倒。 (6)支架重量在支架不接頂時與翻倒特征無關，但當支架受頂板重力時，翻倒特征與支架重量有關。當h>4.2m，自重越大，值越小，極限角變小，支架易翻倒；當h<4.2m，值越小，極限值變大，對防止支架翻倒有利。因此h>4.2m時，應設法減輕支架重量，h<4.2m時，可增大支架重量，但重量因素影響較小，因而通過提高支架重量而提高支架抗翻倒能力是不合理的。 綜上所述，從抗翻倒能力角度分析，大采高支架結(jié)構上應為低重心，寬底座，輕重量；從適應地質(zhì)條件看，頂板應為中等穩(wěn)定，頂?shù)装迤鸱兓?；從操作上，移架時應低降架，快移架，快升架。 3.3多架翻到特征 多架與單架受力狀態(tài)的區(qū)別是，工作面支架一般排列緊密，頂梁將受到上下相鄰支架的作用力Ts及Tx。在工作面正常的支護狀態(tài)下，當支架未超過翻倒極限角時，每個支架均處于穩(wěn)定狀態(tài)而不會翻倒，此時Tx=Ts，即支架頂梁受上下鄰架作用力相等，一般為零；反之，當超過極限角時，支架翻倒，支架必須承受上鄰架由于翻倒趨勢給予本架的作用力了Ts，同時也給予下鄰架作用力Tx。假定上端頭第一架支架發(fā)生翻倒趨勢，為阻止其翻倒第二架支架必須提供Tx，表達式為。 令h=6m，hg/h=0.4,f1=0.3,B=1.75，G=250KN，，則當超過與相對應的極限角是，Tx值如圖3-6所以。 在此情況下，Tx值與α值及有關，值越大，擊頂板壓力越大，下架承受上架的側(cè)向力越大；超過1后，Tx值急劇增長。第二架支架對第三架支架的推力為，第n-1架2支架對第n架支架的推力，整個工作面支架要實現(xiàn)平衡，下端頭最后一架支架必須提供的側(cè)向推力。家丁工作面長200m，布置115架支架，則α與的關系見表3-3。 圖3-6 α與Tx的關系 表3.3 α與的關系 0 1 10 α/(°) 20 25 30 22.9 28 33 23.8 29 34 /KN 0 1058 2116 0 3876 7659 0 29210 57500 由表3-3可見，當超過極限角度時，隨頂板壓力增加，下端頭最后一架用于平衡支架的側(cè)向推力急劇增大，當=10，即頂板壓力為2500KN，超過極限角10°時，必須在工作面下端頭市價57500KN的側(cè)向力，這在實踐中沒有可操作性?？紤]全工作面最困難的情況，取=30，即權工作面每架支架全部受到7500KN的頂板壓力，此時極限角為23.98°，約24°，此時工作面?zhèn)认蛄鶠?。隨著頂板壓力的降低，側(cè)向力將有所加大。當極限角為24°是，與關系見表3-4。 表3.4 α=24°時，與的關系 0 1 10 20 30 /KN 848 833 693 518 0 由表3-4可見，需提供的側(cè)向力為848KN，這在實踐中是能夠?qū)崿F(xiàn)的。因此，當h=6m，G=250KN時，可取=30時的臨界角24°作為臨界角。同理，采高5、7m的臨界角可定為25°及23°。當采高小于4.2m時，在4.0m左右對極限角的影響較小。取=0，研究α超過極限值時的，見表3-5。 表3.5 h=4m，=0時，與的關系 α/(°) 28.7 33 38 /KN 0 988 2124 可見，當α超過極限角10°左右時，需要推力2000KN左右，這在工作面是能夠?qū)崿F(xiàn)的。按推力不超過1000KN考慮，采高4m，當有側(cè)推力作用時，理論上極限角度可以高于自由狀態(tài)時5°，即可達到4°。 3.4支架受側(cè)向力與單架支架情況下支架翻倒特征比較 支架高度小于4.2m且在4m左右時，支架的翻倒受義的影響較小，即與頂板壓力狀態(tài)關系不大。在自由狀態(tài)時（支架不受其他支架影響），=30，極限角為27.4°，取27°，當超過自由狀態(tài)極限角后，隨著角度增大，支架受到相鄰支架側(cè)向力的影響，但從研究結(jié)果看，只需在下端頭第一架給予一個較小的力，即可滿足支架平衡要求而不翻倒，如當提供980KN的力，極限角可達到33°，提供2124KN的力，極限角即可達到38°?？紤]到支架地質(zhì)構造變化、工作面管理等因素，工作面可能出現(xiàn)支架自由狀態(tài)的情況，因此，采高4m時，極限角為27°。 當采高大于4.2m后，極限角受義的影響隨采高加大而增加，越大，即頂板壓力越大，極限角越大，自由狀態(tài)時為5.0、6.0、7.0m的極限角分別是23.6°、20.03°及17.4°。當超過自由狀態(tài)極限角后，支架受側(cè)向力的影響隨角度增大而增大，且受的影響很大，頂板壓力越大，采高越高，產(chǎn)生的側(cè)向力越大，據(jù)此確定的極限角在采髙5.0、6.0、7.0m時的值為25°、24°、23°。同樣考慮移架，地質(zhì)構造的影響，工作面支架可能出現(xiàn)自由狀態(tài)，因此，將自由狀態(tài)時采高為5.0、6.0、7.0m時的極限角分別確定為23.6°、20.03°及17.4°。 從側(cè)向力角度分析防翻倒措施，當采高較小時（h<4.2m），只要在側(cè)向方向上施加一較小的力，即可起到很好的抗翻倒作用；當采高較大時（h>4.2m），相應的力要遠大于采高小時，且頂板壓力越大，該力越大，因此應采取綜合措施防翻倒，如下端頭施加推力，上端頭施加拉力，工作面分段設防倒千斤頂?shù)取? 4 結(jié)論 （1）支架在支護狀態(tài)下，翻倒極限角與重心高度呈雙曲線關系，相同采高情況下，重心越高，極限角越小，當重心高度小于2.5m時，微量的重心降低，可使極限角有較大的增加。因此，降低重心高度是防止支架翻倒的重要措施之一。 （2）支架呈支護狀態(tài)時，支架翻倒不僅與重心高度有關，同時與支架實際支撐高度h有關，h與極限角α呈曲線關系?？偟囊?guī)律是支架高度越大，極限角越小。 （3）支架采高與極限角的關系受頂板外載荷影響，當支架升架到初撐狀態(tài)時，支架受到頂板對支架垂直于頂梁的作用力，此力有助于防止支架翻倒；當支架處于被動支撐狀態(tài)時，支架由于受到頂板重力沿平行于頂梁傾向分力的影響，極限角α值隨采高的變化有不同的變化規(guī)律。當采高小于4.2m時，隨頂板壓力的增加，α值呈降低趨勢，但α值降低的幅度越來越小。可見，支架抗翻倒的能力排序是：支架受垂直于頂梁的作用力（初撐力）→支架不受頂板力（自由狀態(tài)）→支架受頂板重力（被動支護狀態(tài)）。支架達到工作阻力后的支護過程中，翻倒的傾向性最大，但由于有鄰架擠靠力的作用，反而不易翻倒。易發(fā)生翻倒的時候是降架及移架過程中，支架逐步脫離頂板，外載荷降低，如果降架過多，頂板破碎，加之工作面管理跟不上，導致支架頂梁間隙過大，則可能由于受到頂板巖石重力作用而導致支架翻倒。當采高大于4.2m時，隨頂板壓力增大，極限角增大，且采高越高，極限角隨外載荷增大幅度越大，在此情況系下，自由狀態(tài)（不接頂）最易翻倒，因此，接頂移架是必須的。 （4）在支架寬度取1.75m，重心高度取支架高度的0.4倍情況下，不同采高的極限角度變化情況如下：采高4.0m時，α<12.3°，支架不會翻倒；當α>28.7°時，支架翻倒；當12.3°<α<28.7°，為支架敏感區(qū)域，與頂板重力、支架自重比值義有關，頂板壓力越大，越易翻倒。考慮到支架易在降架時發(fā)生翻倒，將=1時即頂板重力與支架自重相等時的極限角定為該種情況下的極限角，其值為α4=27.8°；采高5.0m時，9.9°<α<23.6°，不接頂為臨界值，α5=23.6°；采高6.0m時，8.3°<α<20°，不接頂為臨界值，α6 =20°；采高7.0m時，7.12°<α<17.4°，不接頂為臨界值，α7=17.4°。可見隨著采高加大，其上下限角均變小，且范圍也變小。這從另一個角度說明大采高支架對角度很敏感，很易從穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定狀態(tài)，說明對煤層角度的變化適應性較差，防止翻倒的主要措施是接頂移架。 （5）支架寬度是影響翻倒的又一因素，采高越大，增加支架寬度能有效提高支架高度的上限值。換言之，寬架適應煤層傾角的范圍較大。因此，在大采高情況下，增加支架寬度有其實際意義。在現(xiàn)有支架寬度下，增設架間連接千斤頂，相當于增加底座寬度，能有效防倒。 (6)支架重量在支架不接頂時與翻倒特征無關，但當支架受頂板重力時，翻倒特征與支架重量有關。當h>4.2m，自重越大，值越小，極限角變小，支架易翻倒；當h<4.2m，值越小，極限值變大，對防止支架翻倒有利。因此h>4.2m時，應設法減輕支架重量，h<4.2m時，可增大支架重量，但重量因素影響較小，因而通過提高支架重量而提高支架抗翻倒能力是不合理的。 綜上所述，從抗翻倒能力角度分析，大采高支架結(jié)構上應為低重心，寬底座，輕重量；從適應地質(zhì)條件看，頂板應為中等穩(wěn)定，頂?shù)装迤鸱兓?；從操作上，移架時應低降架，快移架，快升架。 參考文獻 [1]郭寶華，涂敏.淺談我國大采高綜采技術.中國礦業(yè)，2003, 12(10), 40-42 [2]劉濤.厚煤層大采高綜采技術現(xiàn)狀.煤炭工程，2002 (2)，4-8 [3]武建國.大采高綜采工作面與巷道圍巖控制技術研究.太原理工大學碩士學位學問論文，2004 [4]夏均民.大采高綜采圍巖控制與支架適應型研究.山東科技大學碩士學位論文，2004 [5]弓培林，靳鐘銘.大采高采場覆巖結(jié)構特征及運動規(guī)律研究.煤炭學報，2004,29 (1)，7-11 [6]郝海金，吳健，張勇等.大采高開采上位巖層平衡結(jié)構及其對采場礦壓顯現(xiàn)的影響.煤炭學報，2004, 29 (2)，137-141 [7]郝海金，張勇，陸明心.緩傾斜厚煤層大采高開采工作面礦壓研究.煤，2002,12 (2)，11-13 [8]王貴虎，周更廷.大采高傾斜長臂綜采面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究.礦業(yè)安全與環(huán)保，2005，32 (3)，67-70 [9」劉錦榮，何富連.大采高綜采工作面支架一圍巖系統(tǒng)穩(wěn)定性探討.煤礦開采，1995 (3)，36-40 [10]川姜福興，王同旭，潘立友等。礦山壓力與巖層控制.北京:煤炭工業(yè)出版社，2004 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