支撑掩护式液压支架与覆岩作用力分析

马平辉

（中国煤炭科工集团太原研究院，山西 太原 030006）

·试验研究·

支撑掩护式液压支架与覆岩作用力分析

马平辉

（中国煤炭科工集团太原研究院，山西 太原 030006）

根据砌体梁学说，确定了综采工作面液压支架工作阻力，论述了支撑掩护式液压支架与覆岩作用关系，并对支架在覆岩作用下立柱受力情况进行力学分析。结合实际使用情况，提出了提高支撑掩护式液压支架对顶板适应性的措施。

支撑掩护式液压支架；工作阻力；受力分析

综采支架选型设计中，在老顶来压强烈，直接顶较稳定的条件下，主要采用支撑掩护式液压支架，其具有支撑效率高，切顶力大等特点，在我国煤炭生产中得到了广泛的应用。本文将就支撑掩护式液压支架与顶板覆岩作用关系展开论述。

1 综采工作面工作阻力的确定

砌体梁学说所述，工作面支架的作用是支撑控顶区直接顶岩层，避免直接顶和老顶离层而破碎，同时要对上覆可能形成结构的老顶岩层形成支撑，用以平衡其部分载荷，不让其沿工作面形成切顶及大量的台阶下沉。由于支架的工作阻力不可能改变老顶以上岩层的主要位移状态，因此，这时支架的受力条件应考虑到满足支架的可缩量。

上覆岩层断裂时受力情况见图1。

图1 上覆岩层断裂时受力情况

当A岩块前端断裂瞬间，为协助B块实现平衡，其关系式［1］为：

式中：

PH——合理支护强度，kN／m2；

hi——第i层直接顶的厚度，m；

γi——第i层直接顶的容重，t／m3；

l2——老顶悬顶长距，m；

φ——岩块间的摩擦角；

θ——岩块破断角；

H——老顶岩层厚度，m；

δ——B岩块回转下沉量，m；

Q——砌体梁下位岩层中悬露岩块的全部重量。

式中：

P——综采工作面液压支架工作阻力，kN；

B——液压支架顶梁宽度，m；

L——控顶距，m。

2 支撑掩护式液压支架与覆岩作用力分析

2．1 模型的简化

液压支架主要由顶梁、掩护梁、前后连杆、底座等结构件组成且形成四连杆结构，顶板压力为P，合力作用点距顶梁铰接点为x，由于支架状态与支架结构件参数的不同造成前后立柱受力Q1、Q2的不同，支架受力简化图见图2。

图2 液压支架受力简图

2．2 前后立柱受力分析

取顶梁和掩护梁为分隔体，对O1点取力矩平衡方程［2］：

水平和垂直轴方向的力平衡方程为：

取顶梁为分隔体，对O点取力矩平衡方程：

由式（3）～（6）解得：

当支架设计参数确定，综采工作面采高一定，即除合力作用点x外其余参数都已经确定，分析式（7）可得出：Q1关于x单调减，Q2关于x单调增。x与支架接顶状况有关。

当直接顶为沙质泥岩、沙岩、K2灰岩等较稳定顶板时，顶梁接顶好，比压为梯形分布，x位于前后立柱之间，前后立柱受力较均匀。

当直接顶为泥岩、炭质泥岩等中等稳定或不稳定顶板时，直接顶板易冒落，由于支撑掩护式液压支架顶梁较长，对顶板的反复支撑次数较两柱式液压支架增加且对顶板有切顶力，造成直接顶较早垮落。当前部顶板提前冒落时，主要为顶梁后部接顶，此时，若当x≤fH0时，Q2≤0，Q1＞0，即后立柱受压，前立柱受拉。当x取极小值时，Q1取最大值，Q2取最小值。此时支架顶梁抬头向上。

当后部顶板提前垮落时，主要为顶梁前部接顶，此时，若当0，即后立柱受拉，前立柱受压。当x取极大值时，Q1取最小值，Q2取最大值，此时支架顶梁低头向下。

2．3 井下实验观测数据

为了验证理论计算，取山西临汾地区某矿综采工作面四柱支撑掩护式液压支架为例，使用尤洛卡仪对前后立柱测量压力，并进行统计处理，得出前后立柱某段时间内加权平均值，见图3和图4。

图3 前立柱压力值

图4 后立柱压力值

由图3，图4可以看出，前后立柱压力并不相等且后立柱压力大于前立柱，而该矿直接顶板为碳质泥岩，老顶为细粉砂岩，验证了理论计算与实际情况相符。

当出现立柱受拉时容易导致立柱导向套密封的损坏，发生漏液，支架支撑效率降低，在以后的生产中出现立柱支撑力不足，动作缓慢等问题，存在较大的安全隐患，影响生产安全。

3 结 论

支撑掩护式液压支架在直接顶稳定的条件下，前后立柱受力良好，同时切顶力大，可以很好地迫使直接顶随采随落，形成对老顶跨落时的支撑，但是在直接顶易冒落条件下，由于其对顶板的反复支撑使得直接顶提前垮落，使顶板合力作用点前移或后移，从而前后立柱受力不均匀，甚至出现一侧受压，一侧受拉的情况。为了避免对顶板的反复支撑，建议在实际使用中支撑掩护式液压支架采用带压移架的工艺方式；也可以使用伸缩梁结构，当采煤机上截割滚筒经过后，伸缩梁伸出，实现对顶板的及时支护，避免直接顶的冒落。

在出现顶板冒落的情况下，应该使用支木剁、架钢梁等方式保证支架顶梁良好接顶，避免出现立柱受拉的情况。

［1］ 姜福兴．矿山压力与岩层控制［M］．北京：煤炭工业出版社，2004：100-103．

［2］ 王国法．液压支架技术［M］．北京：煤炭工业出版社，1999：68-70．

Analysis on Acting Force between Chock-Shield and Overlying Strata

M a Ping-hui

According to the theory ofmasonry beam，ensured support resistance in fullymechanized coalmining face，discussed the relationship between chock-Shield and Overlying Strata，analyzed the prop force of the support under the overlying strata bymechanicsmethod．Based on the actual usage，put forward themeasures of improve the adaptability to roof rock of the chock-shield．

Chock-shield；Support resistance；Force analysis

TD355+．4

A

1672-0652（2013）12-0010-02

2013-10-09

马平辉（1981—），男，陕西武功人，2004年毕业于辽宁工程技术大学，工程师，主要从事液压支架设计及综采工作面三机配套研究工作，（E-mail）mph1981＠126．com．