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综采面超前液压支架支护特性及静力学分析

摘要

采用超前液压支架代替传统的超前支护方式对于实现我国高产高效矿井现代化建设

具有重要意义，本文以煤矿智能开采安全技术与装备研发项目：“工作面智能化超前支护装

备及辅助作业平台（2017YFC08043）”为依托，采用大型岩土工程FLAC3D、专业三维建

模Pro/E、有限元分析ANSYSWorkbench软件以阳煤集团新元煤矿3405工作面为具体研

究对象，围绕超前液压支架在等强支护、不同埋深、不同支护强度、非等强支护等不同工

况条件下对顶板的支护特性以及超前液压支架三维建模、有限元静力学分析等方面对综采

面超前液压支架支护特性及静力学分析展开了研究。研究结果表明，针对不同工况条件下，

超前液压支架合理的支护强度可以给围岩提供一定的抗力，有效的控制围岩的稳定性，非

等强支护方式可以更好的适应围岩应力分布及变形规律，在3405工作面最危险工况条件

下，超前液压支架结构设计合理，可以满足超前支护刚度、强度的设计要求。论文对超前

液压支架在不同工况条件下的支护特性研究改善了超前支护效果，提高了超前液压支架组

支护系统的适应性，对超前液压支架三维建模及有限元静力学分析为液压支架的结构改进

与优化，提高液压支架的质量与性能具有一定的指导作用。论文研究成果为3405工作面

超前液压支架支护设计及参数选择提供了理论参考依据，为保证矿井安全、高效生产提供

了保障，并为实现自动化和智能化生产打下了基础。

该论文有图56幅，表10个，参考文献78篇。

关键词：超前支架；数值模拟；非等强支护；相似试验；静力学分析

I

1绪论

1.1选题背景及研究意义

1.1.1选题背景

在20世纪80年代以前，普通长壁综合机械化采煤或厚煤层分层技术成为我国机械化

采煤的主要方法，从20世纪80年代初期开始下手实验研究综合机械化放顶煤开采技术，

花费了十余年的引进、探索和推广，到90年代中期实现了国产化综放设备的高产高效。

目前，实现我国国产矿井现代化建设及集约化生产的主要技术途径之一就是采用综采放顶

煤技术。但是，综采工作面两顺槽超前区域的支护仍处在需要深化发展研究的阶段，只有

提高顺槽超前支护的机械化，才能适应大功率、大配套重型设备发展及使用的要求。目前，

采用单体液压支柱配合铰接顶梁的超前支护方法一直是综采工作面两顺槽超前支护的主

要方法，由于该支护方法支护强度比较低，经常支撑力不够，造成顶板破坏，在整个支护

的过程中，都需要人工操作，导致劳动强度比较大，移动速率比较慢，对于巷道、工人的

安全都没有保障，传统的超前支护方法已不能匹配现代化的综采装配，采用超前液压支架

[1,2]

代替传统的支护方式具有重要的意义。

“

《煤矿安全规程》第五十条规定：综采工作面所有与巷道连接处的安全出口处于超前

20m”

支承压力影响范围之内的区域必须进行超前支护，而且超前支护的长度不能低于。伴

随着综采工作面开采的强度、开采深度以及工作面煤层越来越复杂，综采工作面两巷超前

支护距离实际上已远超20m。两巷超前支护方式设计及支护效果对于控制围岩的稳定性，

防止顶板冒顶、底板鼓起以及两帮片帮具有决定性作用，超前液压支架支护强度的大小对

于控制巷道顶板的围岩稳定性具有重要意义。通过许多学者研究和实测数据可知，两巷围

岩应力分布及围岩变形特征与工作面并不一样，而现有情况下，超前液压支架支护设计及

参数的确定仍旧按照综采工作面液压支架的理念，都采用相同的支护强度在整个超前巷道

[3]

支护区域内，由于超前支架不停地向前移动，反复支撑顶板对顶板造成破坏等问题。

近年来，随着综采工作面开采技术的不断发展以及综采工作面机械化智能化程度的不

断提高，传统的两巷超前支护