四柱支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架支護(hù)性能分析

馬端志

(煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院,北京 100013)

四柱支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架支護(hù)性能分析

馬端志

(煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院,北京 100013)

Supporting Properties Analysis of 4-prop Standing and Shielding Coal-caving Powered Support

通過對四柱支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架工作狀態(tài)及其力學(xué)性能進(jìn)行分析,并列舉實(shí)例研究了四柱支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架支護(hù)性能與其外載作用位置之間的關(guān)系,最后運(yùn)用該理論對四柱支撐掩護(hù)式液壓支架出現(xiàn)的“拔后柱”問題進(jìn)行了分析。

放頂煤;液壓支架;支護(hù)性能

四柱支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架是目前國內(nèi)綜放工作面使用的主導(dǎo)架型,分析其在不同外載條件下支護(hù)性能的發(fā)揮程度,可以為液壓支架優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考,為提高放頂煤液壓支架對煤層及頂板的適應(yīng)性提供技術(shù)保障。

1 支架工作狀態(tài)分析

四柱支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架正常工作狀態(tài)主要可分為以下 3種:

(1)初撐狀態(tài) 指液壓支架升架支撐頂板直至達(dá)到初撐力的過程。在該狀態(tài)下,液壓支架屬于主動支撐,其外載大小與液壓支架初撐力相平衡。

(2)“給定載荷”工作狀態(tài) 指液壓支架所受的外載不超過液壓支架額定工作阻力所產(chǎn)生合力的階段。在該狀態(tài)下,液壓支架屬于被動支撐,其支護(hù)性能的發(fā)揮主要取決于外載的大小及作用位置。

(3)“限定載荷”工作狀態(tài) 指液壓支架所受的外載超過液壓支架額定工作阻力所產(chǎn)生的合力階段。在該狀態(tài)下,液壓支架支護(hù)性能已發(fā)揮到極限,已有立柱安全閥處于開啟狀態(tài),液壓支架支護(hù)性能的發(fā)揮主要取決于外載的作用位置。

由此可見,提高液壓支架“限定載荷”工作狀態(tài)下支護(hù)性能的發(fā)揮能力是提高其適應(yīng)性的關(guān)鍵,因此,分析液壓支架支護(hù)性能主要是分析液壓支架在“限定載荷”工作狀態(tài)下的支護(hù)性能情況。

2 支架支護(hù)性能與外載位置關(guān)系的分析

目前對于液壓支架支護(hù)性能分析與研究的出發(fā)點(diǎn),通常都是根據(jù)液壓支架自身力學(xué)性能,分析其合力大小及作用位置,并根據(jù)液壓支架在不同高度下合力的理想值分析其支護(hù)性能。但是,由于外載合力大小與作用位置的不確定性等因素,使其與液壓支架理想合力作用點(diǎn)不完全吻合,即液壓支架在“限定載荷”工作狀態(tài)保持平衡時(shí)液壓支架合力作用位置一般不是理想合力作用點(diǎn),其合力值也非理想合力值。液壓支架支護(hù)性能的分析應(yīng)根據(jù)外載合力在頂梁不同位置作用時(shí)液壓支架提供有效支撐原理來分析力學(xué)平衡方程。本文將液壓支架受力簡化成平面力系 (如圖 1),對四柱支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架支撐合力與外載位置之間的力學(xué)關(guān)系特性進(jìn)行分析。

圖1 液壓支架受力簡化模型

如圖 1所示,取頂梁和掩護(hù)梁為分離體,對O1取力矩,得平衡方程:

取頂梁為分離體,對O取力矩,得平衡方程:

由方程 (1)和 (2)求解支架合力值 Q和外載作用位置 X得出:

上述公式中各符號的物理意義見圖 1。

由方程 (4)可知外載作用位置 X是關(guān)于前后排立柱支撐力 P2和 P1的比值 P2/P1的函數(shù),支架前后排立柱支撐力在 0到立柱額定工作阻力之間變化,且 r1>r3,r2>r4,P2/P1∈ (0, +∞),由函數(shù)的性質(zhì)可知,X值域?yàn)榭梢娨簤褐Ъ芡廨d作用范圍不是在整個(gè)頂梁上,而是有一定的范圍,也就是說當(dāng)外載合力超出該范圍值時(shí),很小的作用力都能夠使液壓支架失去平衡。因此,對于四柱支撐掩護(hù)式液壓支架,增強(qiáng)其對外載變化適應(yīng)的能力的最有效途徑就是增大 r4,減小 r3的值,即前排立柱盡可能靠前布置,后排立柱盡量向后布置。

由液壓支架外載作用范圍 X值域可知,分析液壓支架外載作用位置與液壓支架支護(hù)性能的關(guān)系,可以轉(zhuǎn)化為求解在前后排立柱作用力不同比值情況下液壓支架合力大小及作用位置間的關(guān)系。

3 實(shí)例分析

以 ZF12000/26/40型四柱支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架為例,分析該液壓支架在 3800mm高度時(shí)外載位置與支架性能之間的關(guān)系,在該工況下各參數(shù)值如圖 2所示,其中前后排立柱的值域?yàn)?(0, 6000kN)

3.1 液壓支架合力作用范圍

圖2 液壓支架簡化參數(shù)

由液壓支架外載合力作用位置 X值域函數(shù)可知,其值域范圍和頂梁與頂板的摩擦系數(shù)有關(guān),為方便說明問題,摩擦系數(shù)大小取 0.2。摩擦系數(shù)的方向與支架頂梁與頂板相對運(yùn)動方向有關(guān),即與液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動軌跡方向有關(guān),當(dāng)液壓支架讓壓下降有向煤壁運(yùn)動趨勢時(shí),摩擦系數(shù)取正,反之取負(fù)。

(1)當(dāng)摩擦系數(shù) f=0.2時(shí),液壓支架外載作用位置X范圍為 613～2271mm。

(2)當(dāng)摩擦系數(shù) f=-0.2時(shí),液壓支架外載作用位置X范圍為 516～2181mm。

3.2 液壓支架合力與外載作用位置間的關(guān)系

將前排立柱取 6000kN,后排立柱分別取6000kN, 5000kN, 4000kN, 3000kN, 2000kN, 1000kN和 0等值,或?qū)⒑笈帕⒅?6000kN,前排立柱分別取 5000kN,4000kN,3000kN,2000kN, 1000 kN和 0等值對液壓支架進(jìn)行力學(xué)計(jì)算,求解液壓支架合力的大小及外載作用位置。

(1)當(dāng)摩擦系數(shù) f=0.2時(shí),液壓支架合力的大小及外載作用位置如表 1所示。

(2)當(dāng)摩擦系數(shù) f=-0.2時(shí),液壓支架合力的大小及外載作用位置如表 2所示。

表 1 摩擦系數(shù)為 0.2時(shí)液壓支架合力的大小及外載作用位置

表 2 摩擦系數(shù)為 -0.2時(shí)液壓支架合力的大小及外載作用位置

3.3 液壓支架合力與外載作用位置關(guān)系

將在摩擦系數(shù)為正負(fù) 0.2兩種工況下,液壓支架合力值與外載作用位置間的關(guān)系繪制成圖 3,其中橫坐標(biāo)是合力作用位置 X,縱坐標(biāo)是液壓支架合力值Q。由圖 3可知:

圖 3 液壓支架合力與合力位置關(guān)系

(1)四柱支撐掩護(hù)式液壓支架保持外載合力平衡的作用范圍有限,且其作用范圍主要在前、后排立柱之間,增大前后排立柱間頂梁的長度比例是提高該類液壓支架對頂板的適應(yīng)性的關(guān)鍵。

(2)液壓支架四連桿運(yùn)動軌跡方向?qū)σ簤褐Ъ芎狭χ档拇笮∮绊懞苄?對外載合力作用范圍調(diào)節(jié)有一定的影響,當(dāng)運(yùn)動軌跡向煤壁方向移動時(shí),液壓支架合力作用范圍比向采空區(qū)移動時(shí)約向前平移 2fH0距離。

(3)當(dāng)外載合力作用位置發(fā)生變化時(shí),液壓支架調(diào)節(jié)能力變化比較大,其支護(hù)性能的發(fā)揮程度差異很大,在外載合力可以作用范圍內(nèi)液壓支架支護(hù)性能差別達(dá)50%。

因此,根據(jù)采煤工作面直接頂或頂煤的具體條件,優(yōu)化支架結(jié)構(gòu),使外載合力作用位置趨近于液壓支架理想合力作用點(diǎn),才能使液壓支架充分發(fā)揮其支護(hù)性能。

4 放頂煤液壓支架“拔后柱”問題分析

四柱支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架,在井下使用過程中存在最突出的問題是“拔后柱”現(xiàn)象,在該狀態(tài)下,由于頂梁后部頂煤放空,頂梁與頂煤接觸面積變小,外載合力位置向煤壁方向移動,使液壓支架理想合力作用點(diǎn)與外載合力作用位置偏離較大,最終超出液壓支架合力調(diào)節(jié)范圍,造成液壓支架處于非正常工作狀態(tài)?！鞍魏笾睜顟B(tài)下后排立柱失去支撐作用,液壓支架支護(hù)性能發(fā)揮程度達(dá)不到其理想值的 50%,工作狀態(tài)十分惡劣?？梢?綜放工作面液壓支架應(yīng)根據(jù)基本頂和頂煤具體特征進(jìn)行設(shè)計(jì),優(yōu)化液壓支架結(jié)構(gòu),使其外載合力作用位置變化范圍在液壓支架合力調(diào)節(jié)范圍之內(nèi),并盡量接近液壓支架理想合力作用位置,充分發(fā)揮液壓支架的整體支護(hù)性能。

[1]王彪謀 .四柱放頂煤液壓支架主要技術(shù)問題研究 [J].煤礦開采,2009,14(5):56-57.

[2]王國法 .液壓支架技術(shù) [M].北京:煤炭工業(yè)出版社, 1999.

[責(zé)任編輯:張銀亮]

TD355.4

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1006-6225(2010)05-0066-03

2010-03-23

馬端志 (1980-),男,山東樂陵人,在讀碩士,從事采場液壓支架與支護(hù)技術(shù)研究。