1.75m中心距兩柱強(qiáng)力放頂煤支架立柱固定新結(jié)構(gòu)

馬端志

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

1.75m中心距兩柱強(qiáng)力放頂煤支架立柱固定新結(jié)構(gòu)

馬端志

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

[摘要]根據(jù)陽(yáng)煤集團(tuán)孫家溝煤礦液壓支架支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)大于1.3MPa的礦壓分析結(jié)果，改變立柱與底座的連接方式，減小了底座立柱斷面橫向空間尺寸，完成φ440mm大缸徑立柱的布置，設(shè)計(jì)1.75m中心距工作阻力13000kN兩柱放頂煤液壓支架，支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到1.36～1.40MPa，保證架間拉后溜千斤頂與鄰架底座主筋間隙不小于42mm,滿足工作面支護(hù)的需要。

[關(guān)鍵詞]放頂煤液壓支架；大缸徑立柱；新型壓板

兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架是一種新型的綜放工作面支護(hù)設(shè)備，與四柱放頂煤液壓支架相比具有支護(hù)效率高和架前控頂能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，在適宜的地質(zhì)條件下選擇兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架是綜放工作面開采的發(fā)展趨勢(shì)[4-7]。但是受兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)限制，目前1.75m中心距液壓支架所設(shè)計(jì)立柱最大缸徑為φ400mm，2.05m中心距液壓支架允許立柱最大缸徑為φ500mm?？紤]到中心距加大，支架重量變大，下井運(yùn)輸困難，因此有必要研制一種新型1.75m中心距大工作阻力兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架。

1ZFY13000/24/40D型液壓支架主要技術(shù)參數(shù)

陽(yáng)煤集團(tuán)孫家溝煤礦礦壓分析結(jié)果認(rèn)為該礦支護(hù)設(shè)備支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)大于1.3MPa。目前國(guó)內(nèi)使用的1.75m中心距四柱放頂煤液壓支架工作阻力可達(dá)20000kN，支護(hù)強(qiáng)度能夠達(dá)到1.8MPa，但四柱放頂煤支架不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，兩柱放頂煤液壓支架自動(dòng)控制技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)，但現(xiàn)有的1.75m中心距兩柱放頂煤液壓支架最大工作阻力只有10200kN,支護(hù)強(qiáng)度1.07MPa，不能滿足該礦支護(hù)的需求。因此天地科技開采設(shè)計(jì)事業(yè)部在支架設(shè)計(jì)中改變立柱與底座的連接方式，減小底座立柱斷面橫向空間尺寸，設(shè)計(jì)了ZFY13000/24/40D型兩柱放頂煤支架，滿足了礦方的需求(圖1)。液壓支架的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1　ZFY13000/24/40D型兩柱放頂煤支架外形結(jié)構(gòu)示意

項(xiàng)目參數(shù)支架結(jié)構(gòu)高度/mm2400～4000支架寬度/mm1660～1860支架中心距/mm1750初撐力(P=31.5MPa)/kN9575支架工作阻力(P=42.8MPa)/kN13000支護(hù)強(qiáng)度/MPa1.36～1.40移架步距/mm865

2立柱與底座新型連接方式

目前液壓支架立柱與底座的固定方式主要分為兩種，一種是早期在小工作阻力液壓支架中使用的銷軸連接方式，如圖2所示，該結(jié)構(gòu)通過(guò)銷軸固定立柱，銷軸通過(guò)“β”型銷固定，在使用中銷軸拆卸比較困難，立柱缸徑增大后，銷軸連接的強(qiáng)度也不易保證，在新型支架中已逐漸被淘汰；另一種是壓板式固定方式，如圖3所示，壓板在底座立柱擋內(nèi)，該結(jié)構(gòu)既保證了立柱的擺動(dòng)和連接件的強(qiáng)度，又降低了立柱拆卸的難度，目前被廣泛使用。

圖2　銷軸固定結(jié)構(gòu)

圖3　壓板固定結(jié)構(gòu)

ZFY13000/24/40D型兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架中心距1.75m，立柱缸徑為φ440mm，立柱外徑φ520mm，若采用壓板式固定方式，并保證支架底座中檔布置推移機(jī)構(gòu)和抬底裝置尺寸，需增加底座寬度，將減小工作面相鄰支架底座間的間隙，無(wú)法實(shí)現(xiàn)支架拉后溜千斤頂與鄰架底座主筋間隙不小于42mm的要求。因此，在立柱上設(shè)計(jì)如圖4所示的立柱的固定擋塊，將其布置在底座主筋上方，其投影與底座主筋重疊，減小底座立柱橫向占用空間，通過(guò)銷軸與底座主筋上的固定耳座連接，這樣能夠減小如圖3所示常規(guī)壓板結(jié)構(gòu)中固定4個(gè)壓板占用的約100mm的橫向空間尺寸，使支架結(jié)構(gòu)布置更為緊湊，有效解決了1.75m中心距兩柱放頂煤液壓支架布置φ440mm大缸徑立柱的難題。

圖4　新型壓板固定結(jié)構(gòu)

3立柱新型固定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

眾所周知，兩柱掩護(hù)式液壓支架在實(shí)際使用時(shí)不會(huì)存在拔后立柱工況，即立柱壓塊所承受拉力比較小，但液壓支架型式試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)“GB25974.1-2010”中4.8.2.7部分關(guān)于液壓支架立柱連接件試驗(yàn)中規(guī)定：要求額定供液壓力1.2倍收縮單根立柱后，各連接銷軸不應(yīng)有殘余變形，以額定供液壓力的1.5倍收縮立柱后，立柱柱底銷允許斷裂，可見立柱新型固定結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需根據(jù)1.2倍收縮立柱實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行分析計(jì)算，確保立柱和立柱壓塊強(qiáng)度能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求。

3.1立柱拉力計(jì)算

FY13000/24/40D型兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架的立柱為雙伸縮立柱，立柱包括外缸、中缸和活柱，立柱受拉時(shí)外缸與中缸斷面和中缸與活塞桿間斷面之間同時(shí)受力，若拉力值大于兩個(gè)拉力中較小值時(shí)，拉力狀態(tài)不能保持平衡，較小拉力值斷面將被拉伸，因此將較小拉力值作為強(qiáng)度計(jì)算的依據(jù)。

立柱外缸與中缸斷面間拉力值計(jì)算公式為：

(1)

式中，F(xiàn)1為立柱外缸與中缸間腔體內(nèi)拉力，單位為N；D1為立柱外缸內(nèi)徑，φ440mm；D2為立柱中缸外徑，φ415mm。經(jīng)計(jì)算立柱該腔內(nèi)額定拉力為528.55kN。

中缸與活塞桿間斷面間拉力值計(jì)算公式為：

(2)

式中，F(xiàn)2為立柱中缸與活柱間腔體內(nèi)拉力，單位為N；D3為立柱中缸內(nèi)徑，φ320mm；D4為立柱活柱直徑，值為290mm。經(jīng)計(jì)算立柱該腔內(nèi)額定拉力為452.513kN。

因此，該支架立柱所提供額定拉力應(yīng)為中缸與活塞桿間斷面拉力值，為452.513kN，1.2倍收縮單根立柱的拉力值為543.016kN。

3.2立柱新型固定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

3.2.1三維實(shí)體模型的建立

液壓支架立柱壓塊強(qiáng)度和立柱擋塊強(qiáng)度分析的內(nèi)容主要是壓塊和立柱外缸上焊接擋塊的應(yīng)力值，因此三維實(shí)體模型建立時(shí)將支架上無(wú)關(guān)部件去除，只建立支架立柱壓塊和立柱外缸三維實(shí)體模型，并將兩部件根據(jù)立柱加載高度下實(shí)際角度和實(shí)現(xiàn)間隙進(jìn)行裝配，如圖5所示。

3.2.2邊界和約束條件的界定

根據(jù)上述分析，單根立柱施加的拉力值為543.016kN，方向沿立柱軸線向上；立柱兩側(cè)壓塊銷孔處設(shè)定為固定約束，壓塊和立柱外缸擋塊處建立面與面粘合網(wǎng)格，加載如圖5所示。

圖5　立柱和壓塊加載

3.2.3模型網(wǎng)格的劃分

對(duì)立柱外缸和立柱壓塊部件進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析前，先對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的形狀和大小直接影響計(jì)算工作量和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度，該分析模型沒有特別復(fù)雜的曲面，以4節(jié)點(diǎn)6自由度的板殼為主劃分網(wǎng)格。

3.2.4分析結(jié)果

圖6是立柱外缸和立柱壓塊分析后的應(yīng)力分布色譜圖，根據(jù)顏色變化能夠判斷出應(yīng)力分布情況和危險(xiǎn)點(diǎn)位置，并且能夠在應(yīng)力圖中獲取任意節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力值。從部件應(yīng)力分布圖可以直觀看出：最大應(yīng)力發(fā)生在立柱壓塊與立柱擋塊接觸位置，最大值為460.10MPa，1.2倍收縮單根立柱時(shí)安全系數(shù)約為1.67。因此，立柱與底座新型連接方式結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度能夠滿足試驗(yàn)和使用要求。

圖6　立柱和壓塊加載

4結(jié)束語(yǔ)

ZFY13000/24/40D型兩柱掩護(hù)式強(qiáng)力放頂煤液壓支架突破常規(guī)結(jié)構(gòu)，使1.75m中心距兩柱放頂煤液壓支架工作阻力達(dá)到13000kN，支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到1.36MPa，與2.05m中心距工作阻力17000kN液壓支架支護(hù)能力[5]相當(dāng)，但支架的重量降低了很多，有利于液壓支架的運(yùn)輸，其現(xiàn)實(shí)意義不言而喻。該支架已在陽(yáng)煤孫家溝煤礦使用了2a，立柱新型固定方式未出現(xiàn)任何問(wèn)題，使用效果良好。

ZFY13000/24/40D型兩柱掩護(hù)式強(qiáng)力放頂煤液壓支架的成功設(shè)計(jì)和應(yīng)用有效提高了兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架的支護(hù)能力，擴(kuò)大了該類支架的使用范圍，為兩柱掩護(hù)式放頂煤支架的進(jìn)一步推廣應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[參考文獻(xiàn)]

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[責(zé)任編輯：徐亞軍]

New Column Fixation Structure of Two Columns Powerful Support with 1.75m Center Distance

MA Duan-zhi

(Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

Abstract：On the basis mine pressure results of the supporting strength of hydraulic supports should larger than 1.3MPa of Sunjiagou coal mine in Yangquan mine corporation，then connection way between columns and base was changed，transverse space sizes of column cross section was decreased，larger cylinder diameter(440mm)was lay out，two columns sublevel caving hydraulic support was designed，which working reinforce was 13000kN and center distance was 1.75m，supporting strength reached 1.36～1.40MPa，the gap between jack of back scraper-trough conveyor and main reinforcement of base of next support was more than 42mm，it meet the needs of working face supporting.

Key words：sublevel caving hydraulic support；larger cylinder diameter；new type pressure plate

[收稿日期]2015-11-23[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.013

[基金項(xiàng)目]國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2012AA06A407)

[作者簡(jiǎn)介]馬端志(1980-)，男，山東樂陵人，副研究員，碩士，主要從事綜采工作面設(shè)備選型、液壓支架設(shè)計(jì)和支護(hù)技術(shù)研究工作。

[中圖分類號(hào)]TD355.41

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1006-6225(2016)03-0049-03

[引用格式]馬端志.1.75m中心距兩柱強(qiáng)力放頂煤支架立柱固定新結(jié)構(gòu)[J].煤礦開采，2016，21(3)：49-51.