液壓支架抗沖擊能力分析

郭玉華

【摘 要】介紹了煤礦機械化開采中沖擊地壓的危害，并分析了提高煤礦支護設(shè)備抗沖擊能力的必要性，從液壓支架雙扭線的選取、結(jié)構(gòu)件的剛度、安全閥的選取和應(yīng)用、單體液壓支柱的應(yīng)用等幾個方面分析了支護設(shè)備的抗沖擊能力。

【關(guān)鍵詞】支護設(shè)備；液壓支架；沖擊地壓

0.前言

沖擊地壓（沖擊礦壓、沖擊載荷）是一種異常的礦壓顯現(xiàn)形式。沖擊地壓發(fā)生時，煤巖體中應(yīng)變能發(fā)生突變，短時間內(nèi)急劇、猛烈的釋放大量能量，從而導(dǎo)致工作面或巷道的煤巖層結(jié)構(gòu)瞬間被破壞，嚴重時會造成綜采綜放工作面的嚴重破壞和工作人員的大量傷亡，特別是工作面的液壓支架，輕者可發(fā)生立柱漲缸、缸口撕裂、活柱彎曲，重者液壓支架被壓死，造成整個工作面的癱瘓，嚴重影響工作面的正常生產(chǎn)和煤礦事業(yè)發(fā)展，給煤炭企業(yè)造成重大的經(jīng)濟損失。隨著我國煤炭開采事業(yè)的發(fā)展，煤礦開采深度不斷增加，采空區(qū)面積日漸擴大，沖擊地壓發(fā)生的頻率越來越高，危害程度越來越大[1]。針對這一問題，提高煤礦開采支護設(shè)備的可靠性、提高支護設(shè)備的抗沖擊能力，是解決這一問題的最有效的途徑，具體可采取以下措施：

1.提高支護設(shè)備抗沖擊能力的措施

（1）從液壓支架的設(shè)計入手，合理的調(diào)整液壓支架的設(shè)計參數(shù)，特別是四連桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)，應(yīng)取雙扭線向前凸的一段為支架的工作高度范圍（如圖1），根據(jù)支架受力分析，在頂板來壓時立柱安全閥開啟泄液，立柱下縮讓壓，在雙扭線向前凸的一段，立柱下縮讓壓，使頂梁有向前運動的趨勢，由于摩擦力的作用，可有效的防止頂板向后移動，這時巖層頂板作用在頂梁上的摩擦力指向采空區(qū)，同時由于底座和底板之間摩擦力的作用，阻止底座向后移動，這樣整個支架有一個向采空區(qū)轉(zhuǎn)動的趨勢，增加了頂梁前端對頂板的支護能力。有效防止頂梁前端頂板冒頂和煤壁片邦，同時，由于摩擦力的作用，整個支架水平合力減小，即減小了立柱所承受的水平力和掩護梁所承受的水平力，有效的防止了立柱因承受水平力過大而損壞。

（2）在設(shè)計液壓支架主要結(jié)構(gòu)件一頂梁、底座、掩護梁、連桿時，要加強其可靠性和安全性，安全系數(shù)要足夠大，特別是要有足夠的剛性，這是因為：如果主要結(jié)構(gòu)件的剛性不夠，支架受到?jīng)_擊礦壓時，結(jié)構(gòu)件的彈性變形量相應(yīng)增大，過大的彈性變形量容易使焊縫撕裂，造成結(jié)構(gòu)件損壞。也可通過有限元分析優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)，加強主要結(jié)構(gòu)件應(yīng)力較大部位的強度和剛性，這樣可以減少盲目設(shè)計，使設(shè)計結(jié)構(gòu)更加合理。

（3）解決沖擊地壓的問題，除了從支架設(shè)計上入手外，合理的使用液壓支架，也是緩解沖擊地壓的有效途徑，有資料顯示，立柱活柱伸出越短，立柱穩(wěn)定性越好，抗沖擊能力越強，所以，在預(yù)測有沖擊礦壓顯現(xiàn)時，盡量降低支架的使用高度，可有效的提高支架的抗沖擊能力。同時，綜放工作面減小放煤高度，加大支架的推進速度，丟下一部分頂煤不采不放，減小出煤率，增加采空區(qū)煤和矸石的填充量，使老頂?shù)闹亓亢蛪毫σ徊糠直徊煽諈^(qū)的煤和垮落的矸石來支撐，也可以大大減輕液壓支架受沖擊的程度。

（4）在工作面三機配套（采煤機、運輸機、液壓支架）允許的情況下，支架工作阻力確定后，選用立柱缸徑時，立柱的承載力要有較大的富余量。按照MT/94-1996《液壓支架立柱、千斤頂內(nèi)徑及活塞桿外徑系列》，立柱缸徑一定時，立柱的公稱承載力應(yīng)取給定范圍的下限附近值。這樣，立柱的承載力有較大富余量，在沖擊地壓來臨時，可以更好的保護立柱不受損壞。

（5）為液壓支架立柱選用較大流量的安全閥，或者是配備兩個安全閥，安全閥不經(jīng)過液控單向閥而是直接連接在立柱下腔，當(dāng)支架受到?jīng)_擊礦壓時，立柱大流量安全閥可以快速卸液讓壓，有效的保護了液壓支架的安全。

（6）安全閥的流量要大，同時要求安全閥卸載反應(yīng)要靈敏，因為沖擊壓力顯現(xiàn)的過程非?？?，在短時間內(nèi)（約0.02s）釋放大量的能量。所以要求安全閥的卸載反應(yīng)要快，否則，安全閥來不及泄液，立柱（或者相關(guān)結(jié)構(gòu)件）就已經(jīng)被損壞了。常用的普通安全閥液體壓力通過閥芯壓縮彈簧，進而頂開閥體座泄液，整個泄載過程仍需一定的時間。國內(nèi)也曾經(jīng)用過充氣安全閥（WBYF型充氣安全閥），就是以氣室內(nèi)的氣體的壓縮性代替彈簧，由于氣體可以成倍的壓縮，在沖擊載荷來臨時，氣室受壓迅速收縮，吸收沖擊載荷的能量，同時以同樣的速度增加氣室的壓力，氣室壓力足夠時，打開安全閥開始泄載。但是氣體更容易泄漏，并且氣體更容易受到溫度的影響，對密封件的材質(zhì)和性能要求更高，隨著季節(jié)溫度的變化，氣體安全閥檢測、維護比較復(fù)雜，這是充氣安全閥不能推廣使用的主要原因。有資料顯示，國外為丁解決沖擊礦壓對支架的影響，研制開發(fā)一種帶“氣室”的立柱（如圖2），也就是說，把立柱的活柱分成兩段，在兩段之間加一氣室，不影響立柱的液壓行程，當(dāng)沖擊礦壓來臨時，立柱的“氣室”可迅速收縮，有效的緩解沖擊礦壓的壓力。

（7）當(dāng)工作面受到?jīng)_擊壓力時，其上、下兩巷經(jīng)常受到較大的沖擊壓力，兩巷設(shè)備受到的損害也比較嚴重，其中一個重要原因是因為上、下兩巷的支護設(shè)備相對工作面一般比較薄弱，很多工作面只用單體液壓支柱支護上、下兩巷，在這種條件下，當(dāng)預(yù)測到?jīng)_擊載荷來臨時，首先要加大單體支柱的缸徑，當(dāng)然要考慮井下工人的搬運方便，同時也要加大安全閥的流量，加密單位面積上單體液壓支柱的數(shù)量，增加兩巷支護設(shè)備的支護能力，保證兩巷的安全性。

（8）為了降低沖擊載荷對采煤設(shè)備和人員的傷害，國內(nèi)外對“沖擊礦壓”作了大量的研究，并建立了初步的理論，在這個理論的指導(dǎo)下，對“沖擊礦壓”可以初步預(yù)測，預(yù)測手段也比較多，例如：沖擊傾向性確定、地應(yīng)力測定、地質(zhì)動力區(qū)劃分等，通過有效的預(yù)測，可以采取一些防護措施。國內(nèi)常用的防護措施有：煤層泄載爆破、鉆孔泄壓、煤層切槽、地板定向切槽等，這些措施在國內(nèi)都有應(yīng)用，且取得了一定的效果。

2.結(jié)束語

針對“沖擊礦壓”對綜采工作面造成的危害，應(yīng)引起我們足夠的重視，我們不但要從地質(zhì)條件等根本因素入手進行研究，同時也要對支護設(shè)備加以改進，采取可靠的支護手段，以緩解沖擊壓力對工作面造成的危害，促進我國煤炭開采事業(yè)的發(fā)展。

【參考文獻】

[1]齊慶新，王德兵，康元軍，等.沖擊地壓理論與技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2002，6.