CN103161487A - 一种大倾角仰采面液压支架走向稳定性方法 - Google Patents

Abstract

一种大倾角仰采面液压支架走向稳定性方法，属于煤矿综采面液压支架稳定性方法。步骤如下：（1）以单个液压支架为基准，分析影响稳定性的因素；（2）建立液压支架在自由状态下的走向仰采倾倒力学模型，得出仰采临界倾倒角的计算公式；（3）代入工作面的开采条件和液压支架相关参数，得出仰采临界倾倒角和向稳定性状态；（4）建立液压支架在工作状态下的走向仰采倾倒力学模型，得出仰采临界倾倒角的计算公式；（5）代入工作面的开采条件和液压支架相关参数，得出仰采临界倾倒角和稳定性状态，为工作面回采时应及时采取液压支架防倒措施提供理论依据。该稳定性方法，使计算结果更为准确，能够更加真实地反映客观实际，有利于及时采取有效措施。

Description

一种大倾角仰采面液压支架走向稳定性方法

技术领域

本发明涉及一种煤矿综采面液压支架稳定性方法，特别是一种大倾角仰采面液压支架走向稳定性方法。

背景技术

目前我国已探明的大倾角煤层储量占全国煤炭总储量的17%左右，主要赋存于我国西部地区和东部沿海地区。对于大倾角综采面，保障综采设备稳定性是工作面安全高效生产的重要前提，而液压支架占整套设备总重 80% 、成本 60% 以上，所以，液压支架的稳定性是大倾角煤层综采需考虑的重要问题，同时工作面在倾向角度较大的情况下，还面临着大角度俯采、仰采影响，对液压支架的稳定性又提出了更为严格的要求。我国大倾角煤层的煤炭储量约占总储量的近 1/5，产量却不到全国煤炭产量的 1/10 ，其主要原因是大倾角综采面支架—围岩事故频发，尤其是液压支架倒架事故，导致重大安全隐患甚至引发人员伤亡事故，处理事故时工人劳动强度高、工时材料消耗大，严重影响工作面的正常生产以及作业人员的安全。因此，对液压支架的稳定性进行准确地计算分析，从而制定出针对性的有效措施，是保证大倾角煤层安全高效开采的关键。

而已有液压支架稳定性分析方法未考虑工作面倾向角度对大倾角仰采工作面时液压支架走向稳定性的影响，导致计算结果偏大，结果在实际生产中未及时采取有效措施，造成仰采时液压支架发生走向倾倒，严重影响矿井的安全生产。

发明内容                                            

技术问题：本发明的目的是克服已有计算方法中的不足之处，提供一种准确、简单、可靠、实用的大倾角仰采工作面时液压支架走向稳定性方法。

技术方案：本发明的目的是这样实现的：液压支架走向稳定性方法，按照以下步骤进行：

（1）以单个液压支架为基准，分析影响液压支架走向稳定性的因素；

以单个液压支架为基准，不考虑工作面输送机、采煤机及邻架对液压支架稳定性的影响，液压支架走向稳定性的影响因素包括：工作面倾向角度和走向角度、液压支架的重心位置、重力、顶梁、前梁及底座长度参数、液压支架工作阻力、顶板对支架的作用力、底板对支架的支撑力、顶底板与支架间的摩擦力；

（2）建立液压支架在自由状态下的走向仰采倾倒力学模型，得出液压支架在自由状态下走向仰采临界倾倒角的计算公式； 

建立液压支架在自由状态下的走向仰采倾倒力学模型，仰采时支架在自由状态下处于走向倾倒失稳临界状态时满足： 

                                                                                

                            （9）

式中：h－支架高度，单位为：m；

L－支架底座长度，单位为：m；

λ ₁－支架重心高度系数，即重心高度y与支架高度h比值；

λ ₂－支架重心长度系数，即重心距离支架底座尾部的长度x与支架底座长度L的比值；

G ₂－液压支架重力G沿垂直工作面底板方向上的分力（kN），；

G ₃－液压支架重力G沿工作面走向方向上的分力（kN），

；

得出走向仰采临界倾倒角为：

                                                 （10）

式中：α－工作面倾向倾角（°）；

β－工作面走向角度（°）；

（3）代入工作面的开采条件和液压支架相关参数，得出支架在自由状态下的走向仰采临界倾倒角，同时得出液压支架在自由状态下的走向稳定性状态；

如果得出的液压支架在自由状态下的走向仰采临界倾倒角小于工作面的走向角度，液压支架一定会发生走向倾倒，应及时采取防倒措施；反之，液压支架不会发生走向倾倒，无需采取防倒措施；

（4）建立液压支架在工作状态下的走向仰采倾倒力学模型，得出液压支架在工作状态下走向仰采临界倾倒角的计算公式；

建立液压支架在工作状态下的走向仰采倾倒力学模型，仰采时支架在工作状态下处于走向倾倒失稳临界状态时满足：

                            

                （11）

式中：L _h－支架顶梁和前梁的总长度，单位为：m；

m－支架顶梁尾部与支架底座尾部之间的距离，单位为：m；

R ₂₁－底板对液压支架的作用力，单位为：kN；

R ₂₂－顶板对液压支架的作用力，单位为：kN；

f ₂₁－液压支架与底板间的摩擦阻力，单位为：kN；

f ₂₂－液压支架与顶板间的摩擦阻力，单位为：kN；

μ－液压支架与顶底板间的摩擦系数；

得出走向仰采临界倾倒角为：

    

      （12）

（5）代入工作面的开采条件和液压支架相关参数，得出支架在工作状态下的走向仰采临界倾倒角，同时得出大倾角仰采面液压支架在工作状态下的走向稳定性状态，为工作面回采时应及时采取液压支架防倒措施提供理论依据；

如果得出的液压支架在工作状态下的走向仰采临界倾倒角小于工作面的走向角度，液压支架一定会发生走向倾倒，应及时采取防倒措施；反之，液压支架不会发生走向倾倒，无需采取防倒措施。

有益效果：由于采用了上述方案，可在建立液压支架力学模型，得出液压支架走向仰采临界倾倒和滑移角的基础上，得出大倾角仰采面液压支架的走向稳定性状态。

优点：该方法考虑了工作面倾向角度对大倾角仰采面液压支架走向稳定性的影响，使计算结果更为准确，能够更加真实地反映客观实际，有利于及时采取有效措施，避免仰采时液压支架发生走向倾倒或滑移，从而保障矿井安全生产。

附图说明

图1是液压支架在自由状态下的走向仰采倾倒力学模型。

图2是液压支架在工作状态下的走向仰采倾倒力学模型。

图中：α－工作面倾向倾角，单位为：°；

β－工作面走向角度，单位为：°；

h－支架高度，单位为：m；

m－支架顶梁尾部与支架底座尾部之间的距离，单位为：m；

L－支架底座长度，单位为：m；

L _h－支架顶梁和前梁的总长度，单位为：m；

x－重心距离支架底座尾部的长度，单位为：m；

y－重心高度，单位为：m；

G ₂－液压支架重力G沿垂直工作面底板方向上的分力，单位为：kN；

G ₃－液压支架重力G沿工作面走向方向上的分力，单位为：kN；

R ₂₁－底板对液压支架的作用力，单位为：kN；

R ₂₂－顶板对液压支架的作用力，单位为：kN；

f ₂₁－液压支架与底板间的摩擦阻力，单位为：kN；

f ₂₂－液压支架与顶板间的摩擦阻力，单位为：kN。

具体实施方式

对大倾角仰采面液压支架的走向稳定性分析为例，对本发明做进一步阐述。

实施例1：液压支架走向稳定性方法，按照以下步骤进行：

（1）以单个液压支架为基准，分析影响液压支架走向稳定性的因素；

以单个液压支架为基准，不考虑工作面输送机、采煤机及邻架对液压支架稳定性的影响，液压支架走向稳定性的影响因素包括：工作面倾向角度和走向角度、液压支架的重心位置、重力、顶梁、前梁及底座长度参数、液压支架工作阻力、顶板对支架的作用力、底板对支架的支撑力、顶底板与支架间的摩擦力；

（2）建立液压支架在自由状态下的走向仰采倾倒力学模型，得出液压支架在自由状态下走向仰采临界倾倒角的计算公式； 

建立液压支架在自由状态下的走向仰采倾倒力学模型，仰采时支架在自由状态下处于走向倾倒失稳临界状态时满足： 

                                 

                            （9）

式中：h－支架高度，单位为：m；

L－支架底座长度，单位为：m；

λ ₁－支架重心高度系数，即重心高度y与支架高度h比值；

λ ₂－支架重心长度系数，即重心距离支架底座尾部的长度x与支架底座长度L的比值；

G ₂－液压支架重力G沿垂直工作面底板方向上的分力（kN），

；

G ₃－液压支架重力G沿工作面走向方向上的分力（kN），；

得出走向仰采临界倾倒角为：

                            

                     （10）

式中：α－工作面倾向倾角（°）；

β－工作面走向角度（°）；

（3）代入工作面的开采条件和液压支架相关参数，得出支架在自由状态下的走向仰采临界倾倒角，同时得出液压支架在自由状态下的走向稳定性状态；

如果得出的液压支架在自由状态下的走向仰采临界倾倒角小于工作面的走向角度，液压支架一定会发生走向倾倒，应及时采取防倒措施；反之，液压支架不会发生走向倾倒，无需采取防倒措施；

（4）建立液压支架在工作状态下的走向仰采倾倒力学模型，得出液压支架在工作状态下走向仰采临界倾倒角的计算公式；

建立液压支架在工作状态下的走向仰采倾倒力学模型，仰采时支架在工作状态下处于走向倾倒失稳临界状态时满足：

                            

                （11）

式中：L _h－支架顶梁和前梁的总长度，单位为：m；

m－支架顶梁尾部与支架底座尾部之间的距离，单位为：m；

R ₂₁－底板对液压支架的作用力，单位为：kN；

R ₂₂－顶板对液压支架的作用力，单位为：kN；

f ₂₁－液压支架与底板间的摩擦阻力，单位为：kN；

f ₂₂－液压支架与顶板间的摩擦阻力，单位为：kN；

μ－液压支架与顶底板间的摩擦系数；

得出走向仰采临界倾倒角为：

    

      （12）

（5）代入工作面的开采条件和液压支架相关参数，得出支架在工作状态下的走向仰采临界倾倒角，同时得出大倾角仰采面液压支架在工作状态下的走向稳定性状态，为工作面回采时应及时采取液压支架防倒措施提供理论依据；

如果得出的液压支架在工作状态下的走向仰采临界倾倒角小于工作面的走向角度，液压支架一定会发生走向倾倒，应及时采取防倒措施；反之，液压支架不会发生走向倾倒，无需采取防倒措施。

（1）本方法适用于大倾角/急倾斜工作面（煤层倾角在20°~65°）；

（2）自由状态为液压支架顶梁未与顶板接触时；

（3）工作状态为液压支架支撑顶板时期，不包括顶板来压、冒顶等特殊时期；

（4）考虑工作面倾向角度对仰采时液压支架走向稳定性的影响；

（5）建立液压支架在自由状态和工作状态下的走向仰采倾倒力学模型；

（6）建立静力学平衡方程，得出液压支架在自由状态下和工作状态下走向仰采临界倾倒角的计算公式；

（7）根据工作面的开采条件和液压支架参数，得出支架工作状态下的走向稳定性状态；

（8）顶板对液压支架的作用力R ₁₂、R ₂₂等于液压支架的工作阻力。

一个仰采工作面倾向角度α为28~39°，平均30°；走向角度β为15~25°；采高h为2.8 m。工作面选用ZZ7600/18/38型支撑掩护式支架，重力G为250kN，重心高度系数λ ₁和重心长度系数λ ₂分别为0.5和0.4，额定工作阻力为7600 kN，支架顶梁尾部与支架底座尾部之间的距离m为0.95 m，支架底座长度L为3.05 m，支架顶梁和前梁的总长度L _h为4.507 m，液压支架与顶板间的摩擦阻力μ为0.3。 

（1）液压支架在自由状态下的走向稳定性状态

代入工作面的开采条件和液压支架相关参数（其中α=39°），得出支架在自由状态下的走向仰采临界倾倒角为：

=14.05°

计算得出支架在自由状态下的走向仰采临界倾倒角为14.05°，小于工作面的最小走向角度15°，则工作面仰采时液压支架在自由状态下会发生走向倾倒，必须及时采取走向防倒措施。

式中：α－工作面倾向倾角（°）；

β－工作面走向角度（°）；

（2）液压支架在工作状态下的走向稳定性状态

代入工作面的开采条件和液压支架相关参数（其中α=39°），得出支架在工作状态下的走向仰采临界倾倒角为；

 

将额定工作阻力7600 kN代入以上公式，得出的走向仰采临界倾倒角不存在，则液压支架在额定工作状态下不会发生走向倾倒，不用采取走向防倒措施。

Claims (1)

1.一种大倾角仰采面液压支架走向稳定性方法，其特征是：液压支架走向稳定性方法，按照以下步骤进行：

（1）以单个液压支架为基准，分析影响液压支架走向稳定性的因素；

以单个液压支架为基准，不考虑工作面输送机、采煤机及邻架对液压支架稳定性的影响，液压支架走向稳定性的影响因素包括：工作面倾向角度和走向角度、液压支架的重心位置、重力、顶梁、前梁及底座长度参数、液压支架工作阻力、顶板对支架的作用力、底板对支架的支撑力、顶底板与支架间的摩擦力；

（2）建立液压支架在自由状态下的走向仰采倾倒力学模型，得出液压支架在自由状态下走向仰采临界倾倒角的计算公式； 

建立液压支架在自由状态下的走向仰采倾倒力学模型，仰采时支架在自由状态下处于走向倾倒失稳临界状态时满足： 

                                                                                

                            （9）

式中：h－支架高度（m）；

L－支架底座长度（m）；

λ ₁－支架重心高度系数，即重心高度y与支架高度h比值；

λ ₂－支架重心长度系数，即重心距离支架底座尾部的长度x与支架底座长度L的比值；

G ₂－液压支架重力G沿垂直工作面底板方向上的分力（kN），；

G ₃－液压支架重力G沿工作面走向方向上的分力（kN），

；

得出走向仰采临界倾倒角为：

                            

                     （10）

式中：α－工作面倾向倾角（°）；

β－工作面走向角度（°）；

（3）代入工作面的开采条件和液压支架相关参数，得出支架在自由状态下的走向仰采临界倾倒角，同时得出液压支架在自由状态下的走向稳定性状态；

如果得出的液压支架在自由状态下的走向仰采临界倾倒角小于工作面的走向角度，液压支架一定会发生走向倾倒，应及时采取防倒措施；反之，液压支架不会发生走向倾倒，无需采取防倒措施；

（4）建立液压支架在工作状态下的走向仰采倾倒力学模型，得出液压支架在工作状态下走向仰采临界倾倒角的计算公式；

建立液压支架在工作状态下的走向仰采倾倒力学模型，仰采时支架在工作状态下处于走向倾倒失稳临界状态时满足：

                            

                （11）

式中：L _h－支架顶梁和前梁的总长度（m）；

m－支架顶梁尾部与支架底座尾部之间的距离（m）；

R ₂₁－底板对液压支架的作用力（kN）；

R ₂₂－顶板对液压支架的作用力（kN）；

f ₂₁－液压支架与底板间的摩擦阻力（kN）；

f ₂₂－液压支架与顶板间的摩擦阻力（kN）；

μ－液压支架与顶底板间的摩擦系数；

得出走向仰采临界倾倒角为：

          （12）

（5）代入工作面的开采条件和液压支架相关参数，得出支架在工作状态下的走向仰采临界倾倒角，同时得出大倾角仰采面液压支架在工作状态下的走向稳定性状态，为工作面回采时应及时采取液压支架防倒措施提供理论依据；

如果得出的液压支架在工作状态下的走向仰采临界倾倒角小于工作面的走向角度，液压支架一定会发生走向倾倒，应及时采取防倒措施；反之，液压支架不会发生走向倾倒，无需采取防倒措施。

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