超静定液压支架的稳定性分析

袁双喜

（山煤集团煤业管理有限公司，山西 太原 030006）

长壁法采煤过程中，当采空区推进距离逐渐变大时，悬露顶板面积加大，在自重状态下，顶板会发生弯曲，岩层内部产生大范围的裂缝，裂缝不断扩展，关键层垮落。由于岩石的抗拉强度远小于其抗压强度，所以顶板很容易被拉断，发生垮落，产生峰值载荷[1]。如果上覆岩层强度较低，液压支架有较强的切顶能力，一旦顶板垮落，液压支架初撑力不足，那么很有可能形成台阶下沉，发生压架事故。同时采场采动引起的矿压现象随着煤层倾角的增大而加剧，当工作面倾角增大到一定程度，则支架发生倾倒的概率加大，进而引起支架多种部件的损害[2]。在工作面开采过程中，支架的工作稳定性尤为重要。提高支架稳定性可进一步提升煤炭采出水平，延长支架服务年限，利于矿井的可持续发展，故本文对超静定液压支架的稳定性进行系统研究。

1 支架简化

一般情况下，液压支架既可能发生沿工作面布置方向的失稳，也可能发生沿工作面开采方向的失稳，失稳形式均可表现为倾倒以及压架等，本文重点对工作面开采方向上支架的稳定性进行研究。支架稳定性受到诸多因素的影响，比如矿压显现的剧烈程度、支架支撑特性以及煤层倾角等。在支架升高或者降低过程中，支架顶梁均未与覆岩发生接触，处于自由工作状态；当支架与覆岩接触时，顶梁会承受覆岩的作用载荷，处于工作状态[3]。在不同的状态下支架的稳定性特征必然不同，在分析支架稳定性时需要对支架模型进行合理简化。

在采场中，支架底座承载着支架及围岩作用的一定载荷，而顶梁控制着覆岩的运移变形，故液压支架的主要组成构件为底座和顶梁，而顶梁的面积与厚度均异于底座，故整个支架的中心位置并不是重心所在处，在构建支架的合理模型时，对非重点构件进行了一定程度的忽略，得到支架模型如图1所示。

当支架支撑高度较大时，支架的重心位置也会提高，从而降低了支架工作的稳定性，为了充分研究支架稳定性，模型中支架高度取最大值。图中，支架支撑高度H为6.8m，底座长度D为4.2m，底座和顶梁厚度B均为1.98m，顶深长度L为6.66m。通过proE模块的分析可得到支架的重心高度为3.7m，为图中H1的标注处，重心与支架底座末端在水平方向的距离L1为2.3m。

图1 支架模型简图

2 沿工作面推进方向支架稳定性分析

2.1 自由工作状态下支架稳定性

当煤层存在一定的倾角时，则仰采状态下和俯采状态下支架的稳定性特征不同，图2为支架自由工作时的力学模型示意图。

图2 支架自由工作时的力学模型示意图

对图2（a）中的模型进行分析，则当支架受力达到平衡时，满足公式（1）的要求：

由此可得支架倾倒的临界条件：

由公式（2）解得：

式中：

G-支架的自重应力，kN；

β-支架发生倾倒的临界角度，°；

f-支架所受的摩擦力，kN；

N-液压支架绕力，kN；

H1-支架重心高度，m；

D-支架底座长度，m；

L1-支架重心距底板的水平方向长度，m；

μ-摩擦系数。

则可计算得到俯斜开采时支架倾倒的临界角度为26.89°。同理可得到仰斜开采时支架倾倒的临界角度为28.75°。

2.2 工作状态下支架稳定性

图3为支架工作状态下的力学模型示意图。

图3 支架工作状态下的力学模型示意图

对图3（a）中的模型进行分析，则当支架受力达到平衡时，满足公式（4）的要求：

由此可得支架倾倒的临界条件：

式中：

f1-支架顶梁与顶板的摩擦力，kN；

Q-支架顶梁所受的力，kN；

其他符号同前。

对比公式（2）和公式（5）可以发现，当支架处于工作状态下，顶梁受到覆岩载荷的作用，则工作状态下支架倾倒的临界角要大于自由工作状态下支架倾倒的临界角，故处于工作状态下支架不容易发生倾倒。

3 支架稳定工作的影响因素分析

通过上述的分析可知，支架工作稳定性的影响因素主要表现为以下几个方面：

（1）采场围岩的地质环境

这里的地质环境指煤层倾角、支架底座与底板岩层间的摩擦性以及顶梁与覆岩的摩擦性。支架倾倒的临界角随着煤层倾角的增大而减小，说明支架工作的稳定性在降低。当采场顶底板与支架间的摩擦性增强时，临界角增大，支架工作的稳定性提高。

（2）设计支架尺寸

支架尺寸主要包括支架宽度、重心高度以及底座和顶梁的长度等方面。

当支架宽度较大时，意味着支架放置更为平稳，工作稳定性更高。但在矿井生产中，过大的支架宽度会影响开采效率，故支架宽度应该选一合理值。大采高条件下选择支架宽度宜为2.05m，而普通采高下支架宽度选择为1.5m即可满足生产的需求。

支架支撑高度以及底座和顶梁的长度均会影响支架重心位置。支架工作的稳定性随着支架重心的提高而降低。另一方面，当工作面仰斜开采和俯斜开采时，支架重心的纵向位置对两种情况下支架工作稳定性的影响程度不同。故在煤层倾角以及开采的方式不同时，应适当调整支架重心位置。

当支架重心位置不变时，底座和顶梁的长度越大，支架工作的稳定性越高。同时两者长度的选择应综合考虑三机配套以及采场开采的影响。

（3）其他重要因素

其他重要因素主要为销轴空隙、工作面推进速率以及覆岩完整性水平。

支架内部的销轴之间存在空隙，而空隙的大小某种程度上削弱支架的稳定性水平。

当工作面覆岩硬度较大时，如果推进速率过快，则坚硬顶板的突然垮落会对支架顶梁造成强烈的冲击现象，从而降低顶梁工作的稳定性，容易引起压架等事故；当工作面覆岩硬度较小时，顶板岩层几乎随采随落，此时应提高工作面的推进速率，这样可较大程度减小覆岩对支架的作用载荷，提高支架稳定性水平。

覆岩完整性水平决定着支架与覆岩间接触面的大小，当覆岩完整性较低时，支架顶梁与覆岩无法充分接触，则支架在覆岩载荷作用下容易受力不均匀，从而影响支撑特性的发挥。

4 支架失稳的防治措施分析

通过上述对支架稳定工作的影响因素进行分析可得到支架失稳的一系列防治措施。主要包括：

（1）优化支架顶梁和底座的尺寸，在不同的开采条件下适度调整支架重心的位置。

（2）不同的开采条件下采场采动引起的覆岩矿压显现不同，为了提高支架对覆岩运移变形的控制程度，确定合理的支护强度和初撑力是必要的。

（3）当煤层倾角较大时，可以增加支架的防滑防倒措施，从而提高支架的工作稳定性。超静定液压支架的装配特征如图4所示。

图4 超静定液压支架的装配特征示意图

5 结束语

在工作面开采过程中，支架的工作稳定性尤为重要。提高支架稳定性可进一步提升煤炭采出水平，延长支架服务年限，利于矿井的可持续发展，故本文对超静定液压支架的稳定性进行系统研究。主要结论如下：

（1）通过proE模块的分析可得到支架的重心高度为3.7m，重心与支架底座末端在水平方向的距离为2.3m。

（2）俯斜开采时支架倾倒的临界角度为26.89°，仰斜开采时支架倾倒的临界角度为28.75°；当支架处于工作状态下，顶梁受到覆岩载荷的作用，则工作状态下支架倾倒的临界角要大于自由工作状态下支架倾倒的临界角，故处于工作状态下支架不容易发生倾倒。

（3）支架工作稳定性的影响因素包括：采场围岩的地质环境、设计支架尺寸、销轴空隙、工作面推进速率以及覆岩完整性水平等。