郑维宇
国家能源集团神东煤炭集团保德煤矿 山西省忻州市 036600
摘要：大采高综放工作面因其开采效率高、产量高、生产率高等优点，在厚煤层开采中得到广泛应用。随着现代采矿技术的发展，大采高综放工作面技术得到了很大的提高，对矿压规律和顶板控制理论的研究也不断深入。但是随着矿井采高的不断增加，矿压规律和顶板结构出现新的变化，很难用原有的理论来解释。在实践中，大采高综放工作面时随着支架额定阻力不断增加，支护成本直线上升。
关键词：液压支架；大采高综采；支架稳定性；适应性；
从理论和实测数据两方面对工作面支架的适应性和稳定性进行分析，建立了立柱处于工作阻力时与平衡千斤顶的关系，最终确定了支架稳定工作的条件。发现液压支架的最大工作阻力并不能很好的反映支架的承载能力，顶板压力的合力作用点是否在附加力平衡区和支架力平衡区范围内，是液压支架稳定工作的必要条件。在则支架能稳定工作，不在支架将失去平衡。分析结果为工作面支架的选型提供理论支撑。
一、分析支撑掩护式支架适应性
1.支架承载力确定。大采高综放开采矿压显现规律及岩层运动规律较为复杂，现有理论不能完全解释实际出现的问题，大采高综放开采技术尚处于探索阶段。
2.液压支架工作阻力的确定。图1为两柱支撑掩护式支架工作原理及受力分析示意图，图中P为支柱支撑力，α为支柱与竖直线的夹角，l1为顶梁与掩护梁铰接点到支柱在顶梁作用点间的水平距离；T为支柱上平衡千斤顶的压力，Q为支撑承载力，S为顶梁与掩护梁铰接点到合力作用点间的水平距离，W为掩护梁上的载荷。
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图2所示为立柱倾斜支撑力示意图，顶梁与底座铰接点间的垂直距离为H，e为顶梁双纽线运动时的水平方向偏移量，a为立柱倾斜布置的水平投影距离。对于两柱支撑掩护式支架，Rcosα为立柱支撑力R所形成的支架承载力。因此，在分析过程中可以将cosα理解为相对于立柱倾斜布置时支架承载力降低系数。从图2所示受力简图可知；
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根据（6）式，只要给定H/a值，就可以找到对应的cosα值。当支架分别处于最高、最低位置时顶梁与底座铰接点间的垂直距离为分别为Hmax、Hmin，根据计算得到Hmin/a-Hmax/a的变化范围，即可得出在支架高度范围内cosα的变化情况。可知当Hmin/a≤2时，支架的承载力将随着支架工作高度的减小而较小，变化较为明显；当Hmin/a≥3时，即1＞cosα≥0.95，αmax≥18.4°，可以看出支架承载力的变化不大，这种情况下，经常将支架的工作阻力等效为立柱工作阻力之和，所以此时立柱支撑力所产生的支架承载力基本上不变。（2）4式中P·sinα·tgθ为立柱支撑力在水平方向的分力，从图1可知夹角θ为双纽线在掩护梁B点处的切线与垂直方向的夹角，tanθ为双纽线在B点水平方向变化率，即为水平偏移量de与支架竖直变量dH比值。分析可知，在倾角α较小的情况下，P·sinα·tgθ值小，对承载力Q的影响有限，但是当倾角α较大时，tanθ存在较大突变，会对支架承载力产生较大影响，因此在选择立柱倾角较大的支架时，应村分考虑tanθ的影响，一般要求在支架工作高度范围内其绝对值小于0.1。（3）式中W为外载荷W对支架顶梁承载力的影响，由于现在大多支撑掩护式支架顶梁较长，掩护梁水平投影较短，且支架工作阻力较大，因此一般外载荷W对支架影响不做考虑。（4）式中T为两柱掩护式支架特有项，为支护千斤顶对支架支撑力的影响。研究表明，平衡千斤顶对支架承载力的影响一般都小于支撑力的17%。（5）式中表示顶梁水平载荷对支架承载能力的影响，其中f的变化范围为0-fmax（文中取fmax=0.3）。由上述讨论可知tanθ≤0.1，可知1/(1-f·tanθ)≈0.97-1.03，可知顶梁水平载荷对支架支撑力的影响范围小于3%，因此可以忽略此项对支架承载力的影响。
二、液压支架稳定工作条件
液压支架稳定工作的必要条件是外载荷合力作用点必须在力平衡区范围内，否则支架将失去平衡。对于两支柱掩护式支架，假设Q1'表示顶板原先的压力，在支架所示的平衡区内与a1点距离为b1，顶板与顶梁的最前接触点到a1的距离为b2，Qfw为附加载荷，平衡条件为Q1'和Qfw的合力与Qa1达到平衡。顶板压力在力平衡区之前的情况，b1'表示顶板压力Q2'与a2点间的距离，b2'表示顶板与顶梁的最后接触点与a2的距离。分析可知，顶板压力的合力作用点是否在两平衡区范围内，即附加力平衡区和平衡区。如果在则支架能稳定工作，如果不在，支架将失去平衡。
三、液压支架承载特性及初撑力分析
1.工作面液压支架承载特性。（1）ZFY12500/25/39D型支架立柱升降特性。根据支架压力记录仪监测数据发现，工作面在周期来压时90%以上的液压支架立柱能够达到一次性增阻状态。工作面推进速度相对较快，支架立柱能够随顶板下沉及时增大阻力，有利于顶板稳定性。（2）支架增阻特性。当工作面推进速度加大时，液压支架一个工作循环时间将会缩短，支架初撑力加大时循环增阻量也随之加大，所以保持支架具有足够的初撑力，可有效提高支架支护性能。
2.工作面液压支架初撑力分析。（1）通过工作面现场对支架初撑力观察发现，工作面ZFY12500/25/39D型支架初撑力未达到预期效果，工作面机头、机尾段支架初撑力相对较大，平均值为9300kN，而中部支架初撑力平均低于8500kN,工作面整体支架平均支撑力相对降低。（2）根据生产实际情况确定了工作面液压支架初撑力不符合设计要求主要有以下几方面原因：①工作面乳化液泵压力不符合要求，同时在移架推溜时液压管出现断裂漏液现象严重；②升架时间相对较短，造成支架立柱未升到位，支架不接顶或接顶不严实。
四、工作面液压支架稳定性
根据该工作面观测数据进行统计，统计过程中将支架初撑力和循环末工作阻力都分成8区间，统计每个区间阻力出现的频率，分别绘制其阻力-频率直方图，从上述统计结果可知，约76.8%支撑力分布在在5200-8200kN之间，其中最小支撑为2732kN，最大支撑力为9868kN，支撑力平均值为6300kN。支架额定初撑力7918kN，达到额定初撑力的频率占比为12.1%，统计结果表明工作面初撑力较低。较低初撑力造成工作面出现冒顶、端面破碎、煤壁片帮等现象较为严重。从各支架循环末工作阻力统计结果分析，其平均值为7323kN，65.5%的循环末阻力分布在6400-8200kN之间，10.1%的阻力大于9000kN，10.6%的阻力小于5200kN。统计结果表明支架支撑力比较适中，大多数都接近支架的额定工作阻力。
总之。大采高支架的稳定性对煤矿高效开采具有重要的影响，因此也是研究的重点问题。通过建立力学模型，利用力平衡原理分析了对支架有重要影响的各个因素。发现液压支架的最大工作阻力并不能很好的反映支架的承载能力，顶板压力的合力作用点是否在两平衡区范围内，即附加力平衡区和支撑力平衡区，是液压支架稳定工作的必要条件。如果在则支架能稳定工作，如果不在，支架将失去平衡。
参考文献；
[1]刘永.提高大采高支架稳定性的技术措施.2018.
[2]王庆鹏.浅谈大采高综放工作面支架适应性研究.2019.