大倾角大采高工作面正常开采时期支架稳定性分析

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1、大倾角大采高工作面正常开采时期支架稳定性分析王飙山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司晋城金成矿山建筑工程有限责任公司中国矿业大学矿业工程学院摘要:以高庄矿3上509大倾角大采高工作面具体地质条件为基础，分别从倾向和走向方向对工作面正常开采时期支架稳定性进行了力学分析。分析结果表明，3±509工作而支架不倾倒所需最小支护阻力为283.59kN,支架不滑移所需最小支护阻力为183.75kN,即工作面在正常开采时期，支架保持稳定的最小工作阻力应不小于283.59kNo因此，工作面使用额定工作阻力为6600kN的支架能够满足正常开采吋期支架稳定性要求

2、。关键词：大倾角；大采高;止常开采时期;支架稳定性;力学计算;作者简介：王飙（1969-），男，工程师，毕业于河南理工大学，主要从事采矿工程、矿山建设方面的技术研究工作。收稿日期：2017-10-18Received：2017-10-180引言我国大倾角煤层开采的发展水平远低于缓倾斜煤层，且在实际牛产过程中存在许多有待解决的技术难题11丄。本文以高庄矿3上509人倾角人采高工作面具体釆矿地质条件为基础，对大倾角大采高工作面正常开采时期的支架倾向和走向稳定性进行力学分析，以便为工作面安全高效开采提供理论指导。1高庄矿3上509工作面概况高庄矿

3、3上509工作面为-430m水平西五采区东翼最深的一个工作面，工作面所采煤层为二叠系山西组3上煤层，煤层总体为一单斜构造，煤层厚度基本稳定。根据工作面内的钻孔资料及开切眼实际揭露情况，煤层厚度3.75〜6.2m,平均厚度5.2m,局部含有1层厚约0.3m的夹砰。煤层最大倾角31°,最小倾角12°。工作面内地质构造较为发育，其屮FS5O7-3、DFy及DFB个断层对工作面回采影响较大o3±5091作面采用走向长壁（俯采角10°）一次采全高采煤方法,所使用的大采高液压支架为ZY6600-25.5/55型两柱掩护式液压支架。2大倾角工作面支架稳定

4、性力学模型建立大采高液压支架在自重作用下的受力分布如图1所示。从图1中可以看出，由于支架稳定性是倾向和走向2个角度共同作用的，若将G（工作面倾斜方向）和Ga（工作面走向方向）分别代入支架倾向和走向的稳定性力学中进行分析计算，则忽略了走向角度和倾向角度分别对支架倾向稳定性和走向稳定性的影响。以往的支架稳定性分析忽略了此因素，计算得出的临界倾倒角偏大。在本文的支架稳定性分析中，为了使计算结果更为准确，并保证一定的安全系数，将G和G3的合力值作为G和G3分别代入支架倾向和走向的稳定性力学中进行计算。由图1中的几何关系及力学简化分析可知：G3~Gx

5、Vl-co^cfcos^SG2~G9cosa*cos/3式中：a为工作面倾角；B为俯采角;G为大釆高支架自重力G为G在工作面倾斜方向的分力;G2为G沿煤层法线上的分力;&为G在工作面走向方向上的分力。3大倾角工作面正常开采时期支架稳定性分析3.1正常开釆时期支架倾向稳定性分析仃）支架倾向倾倒力学分析。支架在正常开采时期的倾向倾倒力学模型如图2所示。图2支架倾向倾倒力学模型下载原图R11.底板对支架支撑力;R12.支架支护阻力;G1.支架自重在工作面倾斜方向分力;G2•支架自重沿煤层法线的分力；a・工作面倾角；h・工作面采高;b・支架宽度;f

6、ll.支架与底板摩擦力;fl2.支架与顶板摩擦力由图2可以得出下列等式:fn+fi2^GiRfG^R2'/12=M12Gh~T=o由式（1）可得出支架临界倾倒角为:ai=arccoshM_2R泌Q)井t/z)G02+/)co的其中：GH)2+Kz)~^Rv2gM由式（2）可知，增加支架宽度b和减小支架高度h（工作面采高），支架的临界倾倒角随Z变大，有利于工作面支架的稳定。临界倾倒角随支架自重G和俯采角度增大而减小，因此在保证支架有足够强度的条件下，适当减小支架自重和走向俯采角度有利于支架倾向方向的防倒。同时，支架临界倾倒角还随摩擦系数P

7、的增大而增大，即增大摩擦系数有利于支架倾向方向的防倒。另外，当增大支架支撑力吋，支架临界倒角将随之增大，即增大支架支撑力有利于支架倾向方向的防倒。将高庄矿3上509工作面采高（h=5.5m）、支架宽度（b=l.5m）、支架重量（G=260kN）、摩擦系数（u二0.3）、支架支撑力（R沪5067、6600kN）带入式（2）计算可知，在此条件下，工作面支架不会发牛倾倒。支架在工作状态（最大倾角31°，俯采角10°）时不倾倒所需最小支撑力为283.59kN。根据式（2）可计算得出支架在工作状态下不同釆高、倾角情况时的不倾倒所需的临界支护阻力，如图

8、3所示。oO5O24角角倾倾ooOooO235角角角顷顷顷/I/I/4

9、008000011图3支架倾向不倾倒所需的临界支护阻力变化下载原图由图3可知，随着工作面采高增大，支架在工