放頂煤液壓支架尾梁沖擊破碎裝置設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

張德生

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013)

青年論壇

放頂煤液壓支架尾梁沖擊破碎裝置設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

張德生1，2

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013)

硬質(zhì)大塊煤是影響放頂煤開采后部工作面煤流輸送和頂煤回收的重要因素。為提高后部大塊煤的破斷效率，分析研究了乳化液沖擊破碎錘的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及破塊性能，設(shè)計(jì)了尾梁插板內(nèi)置式和尾梁下表面貼附式2種布設(shè)方案并進(jìn)行了分析比較。對(duì)伸縮千斤頂拖動(dòng)破碎錘擠壓、沖擊破碎大塊系統(tǒng)進(jìn)行了地面試驗(yàn)，單次沖擊下實(shí)現(xiàn)了0.5m規(guī)格尺度大塊混凝土的整體破斷。分析和試驗(yàn)共同表明，高速、高壓重載沖擊是破斷硬質(zhì)大塊煤的有效方式，試驗(yàn)的成功為尾梁沖擊破碎裝置的井下應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

放頂煤支架尾梁；沖擊破碎裝置；試驗(yàn)研究；硬質(zhì)大塊煤

中國厚煤層機(jī)械化采煤方法形成了超大采高綜采和大采高綜放為主的開采技術(shù)體系[1]。隨著放頂煤技術(shù)的發(fā)展，采煤機(jī)割煤厚度和放煤高度都在不斷增加[2-3]，尤其對(duì)于硬煤層而言，產(chǎn)生大塊的幾率越來越大。堅(jiān)硬大塊煤不易破碎，卡在后部造成放頂煤支架尾梁上管路和油缸等設(shè)備的刮卡，嚴(yán)重時(shí)會(huì)壓死輸送機(jī)，造成系統(tǒng)停機(jī)，甚至導(dǎo)致放煤過程的終止，影響放出率[4]。

目前堅(jiān)硬大塊煤缺乏有效的處理手段[5-6]，最常見措施仍是依靠放頂煤支架尾梁擺動(dòng)及插板伸縮來破碎大塊(圖1)，插板的頂部有一排帶有若干截齒的齒條，在普通液壓缸的帶動(dòng)下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，伸縮速度較低，這種破碎屬于準(zhǔn)靜態(tài)的擠壓劈裂破碎[7]。該方法對(duì)于較軟煤塊破碎效果較好，而破碎硬質(zhì)大塊煤時(shí)效率較低甚至無法破碎，需要人工進(jìn)入后部狹小空間進(jìn)行處理，嚴(yán)重威脅人身安全。

圖1 大采高綜放工作面后部大塊影響示意

為解決上述問題，本文研究探索一種放頂煤支架尾梁上的沖擊破碎裝置，依托尾梁安設(shè)乳化液沖擊破碎錘，依靠釬桿的高速?zèng)_擊輔助后部工作面大塊煤的破碎作業(yè)，保證放頂煤后部工作面放煤作業(yè)的平穩(wěn)安全運(yùn)行。

1 乳化液破碎錘及其沖擊特性

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

乳化液沖擊破碎錘根據(jù)低頻重載沖擊原理設(shè)計(jì)[8]，單次或少次沖擊作用下實(shí)現(xiàn)大塊目標(biāo)的局部或整體斷裂，其主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、動(dòng)力部、控制裝置和管路系統(tǒng)四部分組成(圖2)，與尾梁集成時(shí)需考慮狹小環(huán)境下的部件布置、防護(hù)以及管路的排布問題。

1—換向閥；2，8—單向閥；3—蓄能器； 4,6—插裝閥；5—液控單向閥；7—破碎錘；9—溢流閥

(1)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 指破碎錘7，內(nèi)置活塞和釬桿，釬桿與活塞間通過連接滑塊柔性連接，并保持一定加速距離Δh。

(2)動(dòng)力部 工作面乳化液泵站為系統(tǒng)供液，積蓄到蓄能器3，沖擊動(dòng)作由蓄能器獨(dú)立提供動(dòng)力，通過單向閥2和8隔離了對(duì)工作面液壓系統(tǒng)的擾動(dòng)。

(3)控制裝置 包括換向閥1和集成閥，集成閥包含液控單向閥5、插裝閥4，6，單向閥2，8等，實(shí)現(xiàn)破碎錘活塞的復(fù)位和沖擊動(dòng)作控制。

(4)管路系統(tǒng) 內(nèi)部管路集成到大流量集成閥內(nèi)(圖2虛線部分)，外部管路連接換向閥1、蓄能器3、集成閥和破碎錘7。

1.2 沖壓模式及系統(tǒng)特性

為了研究乳化液沖擊破碎錘性能，利用AUTODYN動(dòng)力學(xué)分析軟件建立“活塞—沖壓釬桿—大塊”的仿真模型，對(duì)活塞沖壓釬桿破塊行為進(jìn)行模擬(模型尺寸與材料特性見參考文獻(xiàn)[7])。對(duì)于確定規(guī)格破碎錘，沖壓破碎的模式的主要影響因素為供液壓力P0以及破碎加速距離Δh(影響沖擊速度)，按照30MPa供液壓力，釬桿15m/s初始速度進(jìn)行模擬。

圖3(a)是沖擊過程活塞中某測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化情況，峰值代表碰撞，峰值間的壓力波動(dòng)表征應(yīng)力波傳遞過程，間隔約5次/ms，與應(yīng)力波傳遞規(guī)律一致，有效沖擊時(shí)間約7ms?？梢钥闯鰶_壓破碎大塊過程中活塞對(duì)釬桿的沖擊會(huì)產(chǎn)生回彈效應(yīng)，每相互碰撞一次出現(xiàn)一次壓力峰值，且壓力幅值總體呈衰減趨勢(shì)，間隔中的波動(dòng)次數(shù)也逐漸減少。圖3(b)顯示對(duì)于發(fā)生破壞區(qū)域內(nèi)的測(cè)點(diǎn)，壓力先是升高，破壞后壓力隨之釋放。圖3(c)給出了大塊中應(yīng)力傳播過程，整體應(yīng)力侵深較大，小點(diǎn)代表發(fā)生破壞濺出的單元。

圖3 活塞沖擊釬桿破斷大塊模擬過程

對(duì)于有孔隙和裂紋(弱化)的大塊煤，這些弱化對(duì)煤巖的力學(xué)性質(zhì)有很大的影響。當(dāng)外力作用時(shí)，裂隙處會(huì)出現(xiàn)非常大的集中應(yīng)力，導(dǎo)致裂隙破裂。當(dāng)裂隙擴(kuò)到煤巖表面時(shí)，部分煤巖體就會(huì)整體分離，可見，重載沖擊方式憑借釬桿高速、高壓能量的釋放，可產(chǎn)生較好的破碎效果。

2 尾梁沖擊破碎裝置布設(shè)方案

2.1 尾梁插板內(nèi)置式方案

以ZFY18000/29/53D兩柱放頂煤液壓支架為基礎(chǔ)，該支架采用2050mm中心距，尾梁寬度1910mm，適合破碎裝置的布設(shè)。

如圖4所示，尾梁插板內(nèi)置式?jīng)_擊破碎裝置在原有放頂煤支架尾梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)基礎(chǔ)上，增設(shè)2套乳化液破碎錘4，對(duì)稱安裝在箱框式插板3內(nèi)，破碎錘跟隨插板同步運(yùn)動(dòng)，在插板齒條處設(shè)有釬桿孔，釬桿頭與插板齒條方向平行排列。蓄能器6通過托架7安置在底座10上，托架7可防止煤矸對(duì)蓄能器的碰撞。控制閥9直接采用支架操縱閥，且與支架操作閥疊加一起，便于集中控制。尾梁2下部破碎錘安設(shè)對(duì)應(yīng)位置處開窗口，連接破碎錘本體的兩根管路從插板和尾梁窗口中穿過，插板由千斤頂推出或收回過程中，上腔管路11和下腔管路12不會(huì)與尾梁發(fā)生干涉。

1—液壓支架掩護(hù)梁；2—尾梁；3—插板；4—破碎錘；5—尾梁千斤頂；6—蓄能器；7—托架；8—大流量集成閥塊；9—控制閥；10—液壓支架底座；11—上腔管路；12—下腔管路；13—連接管；14—排液管；15—控制管路

正常工作過程中，釬桿處于收回狀態(tài)，僅靠插板上的齒條來對(duì)大塊煤擠壓破碎，不影響插板正常工作。當(dāng)遇到堅(jiān)硬大塊煤無法破碎時(shí)，操作尾梁千斤頂5和插板千斤頂，通過尾梁的擺動(dòng)和插板的伸縮鎖定大塊目標(biāo)，然后操作控制閥9，2個(gè)破碎錘同時(shí)或單獨(dú)沖擊煤塊，破碎或弱化大塊煤，然后收回活塞(破碎錘活塞和釬桿由柔性套環(huán)連接，釬桿跟著同步收回)；操作插板千斤頂，跟進(jìn)擠壓，并再次操作控制閥9沖擊大塊煤。插板的擾動(dòng)和破碎錘的擠壓交替進(jìn)行，直至完成大塊煤的有效破碎。

2.2 尾梁貼附式安裝方案

ZFY18000/29/53D兩柱放頂煤液壓支架插板全行程800mm，破碎錘在插板部分伸出狀態(tài)要能夠有效破碎大塊煤，必須千斤頂配合動(dòng)作。因此尾梁貼附式安裝方案增設(shè)了伸縮千斤頂，相應(yīng)控制閥增加為2片。安裝位置如圖5所示，集成閥塊直接和蓄能器一體安裝，蓄能器外加固定保護(hù)罩。破碎錘由導(dǎo)向環(huán)和保持架共同定位，伸縮千斤頂控制破碎錘的前后行程，實(shí)現(xiàn)大塊煤的壓實(shí)和定位，大行程破碎錘釬桿高速?zèng)_擊破碎大塊煤。蓄能器和大流量集成閥為破碎錘提供瞬時(shí)沖擊動(dòng)力；換向閥控制千斤頂行程和破碎錘動(dòng)作。

圖5 貼附在尾梁上的安裝方案

沖擊破碎錘具有300mm超大沖擊行程，配合伸縮千斤頂500mm行程，兩級(jí)可達(dá)800mm，與插板活動(dòng)范圍一致。

沖擊破塊過程如圖5(b)所示，結(jié)合尾梁擺動(dòng)和伸縮千斤頂?shù)膭?dòng)作，實(shí)現(xiàn)尾梁下的大塊目標(biāo)鎖定和壓緊，然后觸發(fā)控制閥沖擊破碎大塊。

千斤頂和釬桿行程接近插板活動(dòng)距離，能較為有效地輔助插板進(jìn)行破碎作業(yè)。

逐架或間隔安裝，解決后部運(yùn)輸過程大塊煤的堆積問題，并在一定程度上提高放煤效果和煤炭采出率。

分析上述2種方案可知，插板內(nèi)置式方案布設(shè)緊湊，其和插板共同伸縮，易于實(shí)現(xiàn)大塊定位和破碎，但是對(duì)插板整體強(qiáng)度削弱嚴(yán)重，且要與支架一體化設(shè)計(jì)，不便于舊架型的改造；貼附在尾梁下表面的布設(shè)方案，與尾梁連接強(qiáng)度低，各部件體外露，容易受到后部輸送機(jī)煤流的阻卡損壞，需加強(qiáng)連接強(qiáng)度和防護(hù)，但該方案易于對(duì)舊架型進(jìn)行改造，因此作為本次試驗(yàn)研究的選擇方案。

3 試驗(yàn)研究

按照貼附尾梁下表面的破碎裝置方案，搭建了地面簡易試驗(yàn)系統(tǒng)(圖6)，其中擋架作為大塊的限位裝置，防止沖擊過程的滑移。擋架與釬桿端頭最小(伸縮千斤頂收回狀態(tài))距離10mm。以0.5m規(guī)格尺度大塊混凝土作為破碎對(duì)象，普氏硬度系數(shù)f=4左右，近似模擬硬質(zhì)大塊煤。泵站系統(tǒng)供液壓力31.5MPa。

圖6 大塊沖擊破碎試驗(yàn)系統(tǒng)

將伸縮千斤頂全伸出，放置好混凝土塊，回收伸縮千斤頂壓緊(實(shí)際壓力達(dá)到28MPa)，發(fā)現(xiàn)單純依靠靜壓力無法壓裂大塊。操縱控制閥使破碎錘沖擊動(dòng)作，在蓄能器調(diào)定壓力20MPa條件下，僅發(fā)生接觸表面局部損傷(小坑)，調(diào)定壓力達(dá)到28MPa時(shí)，大塊瞬間產(chǎn)生斷裂，單次沖擊破斷過程如圖7所示，經(jīng)歷了裂紋產(chǎn)生、破斷的過程。

圖7 單次重載沖擊下試塊破斷過程

蓄能器高壓儲(chǔ)能除增大活塞擠壓作用力外，相同加速距離下還將產(chǎn)生更大的初始速度，因此依靠乳化液沖擊破碎裝置的高壓、高速重載沖壓破斷方式可以高效實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)大塊煤的裂解。

4 結(jié) 論

針對(duì)綜放工作面后部硬質(zhì)大塊煤處理難題，以乳化液沖擊破碎錘技術(shù)為基礎(chǔ)，放頂煤液壓支架尾梁為依托，設(shè)計(jì)了液壓支架尾梁沖擊破碎裝置并在地面進(jìn)行了初步試驗(yàn)驗(yàn)證。

(1)理論和試驗(yàn)共同表明，沖壓破碎是實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)大塊煤高效破斷的有效方式。

(2)尾梁下貼附式乳化液破碎錘系統(tǒng)的方案，借助尾梁擺動(dòng)和伸縮千斤頂動(dòng)作可實(shí)現(xiàn)大塊的定位、壓實(shí)，同時(shí)有利于在現(xiàn)有支架尾梁上安裝，實(shí)用性強(qiáng)。

(3)論文的研究和試驗(yàn)工作為破碎裝置井下應(yīng)用打下了基礎(chǔ)，為解決較硬煤層放頂煤生產(chǎn)中大塊煤壓溜問題和提高采出率起到積極促進(jìn)作用。

[1]王家臣.我國厚煤層開采技術(shù)新進(jìn)展[A].第七次煤炭科學(xué)技術(shù)大會(huì)文集[C].北京：中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)，2011，236-242.

[2]馬端志，王恩鵬.兩柱掩護(hù)式大采高強(qiáng)力放頂煤液壓支架的研制[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41( 8)：84-86，91.

[3]韓 哲，趙鐵林，解興智.提高淺埋堅(jiān)硬特厚煤層頂煤冒放性技術(shù)研究[J].煤礦開采，2016，21 ( 1)：18-20.

[4]于海湧，范志忠.神東礦區(qū)中硬厚煤層放頂煤開采實(shí)踐[J].煤礦開采，2011，16(3)：66-67，80.

[5]劉長友，黃炳香，吳鋒鋒，等.綜放開采頂煤破斷冒放的塊度理論及應(yīng)用[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2006，23(1)：56-60.

[6]劉茂軍.“兩硬”條件下特厚煤層放頂煤工作面安全開采[J].煤炭科技，2011(2)：62-64.

[7]張德生，王國法，范 迅，等.基于SPH方法的大塊煤沖擊破碎數(shù)值模擬[J].煤炭學(xué)報(bào)，2013，38 ( 11)：1934-1939.

[8]張德生.乳化液沖擊破碎錘設(shè)計(jì)及特性仿真[J].液壓與氣動(dòng)，2013 ( 6)：28-31.

[責(zé)任編輯：徐亞軍]

Design and Experimental Studying of Impact Crushing Device of Hydraulic Support Tail-beam with Top Coal Caving

ZHANG De-sheng1，2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China;2.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

Large coal block was important factor that influenced coal flow transportation of the back working face and top coal recover of top coal caving，in order to improve large coal blockbroken ratio at back，system structures and block broken property of emulsion liquid impact broken hammer，two different designing schemes that built-in tail beam spile plate and lower surface attach type tail beam were compared，surface experiment of large block broken system by extrusion and impact under flexible jack movement，and total broken of 0.5m large block concrete was realized at one impact time.the results showed that high speed and high pressure large loading impact is an effectively method to harden large block broken，it references foundation for tail beam impact broken device apply in underground.

support tail-beam of top coal caving；impact crushing device；experimental studying；harden and big block coal

2016-07-18

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.02.027

“十二五”863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012AA06A407)

張德生 ( 1982-) ，男，江蘇豐縣人，博士，副研究員，主要研究方向?yàn)榈V山支護(hù)理論與裝備、大塊破碎技術(shù)與裝備開發(fā)。

張德生.放頂煤液壓支架尾梁沖擊破碎裝置設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[J].煤礦開采，2017，22(2)：106-109.

TD355.41

A

1006-6225(2017)02-0106-04