8.8 m大采高工作面液壓支架穩(wěn)定性分析及控制方案研究

李 飛,劉混舉

(1.太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,太原 030024;2.神華神東煤炭集團(tuán) 布爾臺(tái)煤礦,陜西 神木 719300)

液壓支架的穩(wěn)定性是8.8 m大采高工作面安全開(kāi)采的基礎(chǔ),其對(duì)煤礦安全開(kāi)采有著決定性的影響[1]。對(duì)8.8 m大采高工作面液壓支架的穩(wěn)定性進(jìn)行研究時(shí),可以將單架穩(wěn)定性作為研究對(duì)象,影響單架穩(wěn)定性的因素有很多,例如:加載工況、銷(xiāo)軸間隙,底座寬度、工作面傾角,重心位置、工作高度和初撐力等。在眾多影響因素中,工作高度和工作面傾角的影響尤為突出,同時(shí)還間接影響著其它的因素。因此,8.8 m大采高工作面支架的穩(wěn)定性是一個(gè)非常重要且值得研究的問(wèn)題。

本文通過(guò)對(duì)液壓支架的橫向穩(wěn)定性、縱向穩(wěn)定性和煤壁穩(wěn)定性進(jìn)行研究,采用理論研究與仿真分析相結(jié)合的方法對(duì)各因素對(duì)穩(wěn)定性的具體影響進(jìn)行分析,最后根據(jù)分析結(jié)果提出支架穩(wěn)定性的控制方案。

1 液壓支架的穩(wěn)定性因素分析

1.1 大采高支架橫向穩(wěn)定性問(wèn)題的分析

由于支架各部件的連接方式為銷(xiāo)軸連接,在軸向和徑向銷(xiāo)孔配合不可避免地存在間隙。不論工況條件如何,支架可能出現(xiàn)一定程度的扭轉(zhuǎn)、傾斜,甚至出現(xiàn)倒架現(xiàn)象[2]。

因?yàn)橹Ъ懿考N(xiāo)軸間存在徑向間隙和軸向間隙,所以支架的最大歪斜角為:

(1)

式中:a為耳板寬度,mm;b為連接寬度,mm;d為銷(xiāo)軸直徑,mm;D為孔直徑,mm。

因?yàn)榍斑B桿和底座的連接銷(xiāo)軸存在著間隙,所以前連桿在橫向的位移距離可用式(2)計(jì)算。

Δlq=lqsinαq.

(2)

式中:Δlq為前連桿在橫向的位移距離,mm;αq為前連桿最大歪斜角,(°);lq為前連桿的長(zhǎng)度,mm。

因?yàn)楹筮B桿和底座的銷(xiāo)軸連接存在著間隙,所以后連桿在橫向的位移距離可由式(3)計(jì)算。

Δlh=lhsinαh.

(3)

式中:Δlh為前連桿在橫向的位移距離,mm;αh為前連桿最大歪斜角,(°);lh為前連桿的長(zhǎng)度,mm。

因?yàn)檠谧o(hù)梁、前連桿和后連桿均可能出現(xiàn)歪斜現(xiàn)象,所以頂梁也可能在橫向出現(xiàn)偏移現(xiàn)象。圖1為液壓支架連桿受力分析圖。

圖1 液壓支架連桿受力分析圖Fig.1 Linkage force analysis of hydraulic support

從圖1可以看出,如果前連桿和后連桿在橫向的位移距離比較接近,那么頂梁在橫向的最大偏移距離可由式(4)計(jì)算。

(4)

式中:L1為前后連桿與掩護(hù)梁鉸點(diǎn)距離,mm;L2為掩護(hù)梁長(zhǎng)度,mm。

根據(jù)上述公式分析可知,最大單向偏移距離與銷(xiāo)孔最大間距成反比例關(guān)系。

支架最大單向偏移距離隨著銷(xiāo)孔間隙的減小而下降。間隙越大,最大單向偏移距離就越大。由此可見(jiàn),減小銷(xiāo)孔間的距離是提高大采高支架的橫向穩(wěn)定性最有效的措施之一。減小銷(xiāo)孔間的距離對(duì)加工精度有更高的要求,在現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)的加工條件下,該技術(shù)要求完全可以實(shí)現(xiàn)。

1.2 大采高支架縱向穩(wěn)定性分析

如果支架承受的力有縱向水平摩擦力,則底座比壓與支架外載荷的合力作用位置必然發(fā)生變化,尤其是當(dāng)支架承受向前的縱向水平力時(shí),將引起底座合力作用點(diǎn)前移。支架高度變化大,合力作用點(diǎn)位置變化也大[3]?？v向水平力方向向前和向后時(shí),底座合力作用點(diǎn)位置與支架高度密切相關(guān)。隨著支架高度增大,當(dāng)縱向水平力向前時(shí),底座合力作用點(diǎn)逐漸超過(guò)底座前端,使支架傾倒,引起支架縱向失穩(wěn)。對(duì)于大采高液壓支架,為了其縱向穩(wěn)定性得到保證,設(shè)計(jì)四連桿時(shí),應(yīng)使頂梁運(yùn)動(dòng)軌跡雙紐線自上而下為朝向采面傾斜的曲線,在支架承載下降時(shí),使頂梁可能向前滑動(dòng),摩擦力的方向一直不變,為采空區(qū)方向,所以縱向水平力一直向后,達(dá)到保證支架穩(wěn)定的目的。

1.3 大采高工作面煤壁穩(wěn)定性分析

由于在采空區(qū)方向工作面煤壁存在無(wú)阻力不受控制的自由面,所以平面應(yīng)變是其力學(xué)分析簡(jiǎn)化的最佳模型[4]。當(dāng)工作面煤壁采用仰斜開(kāi)采方式時(shí),則式(5)為片幫煤的重力W計(jì)算公式,式(6)為其重力形成的下滑力TW的計(jì)算公式。

(5)

式中:β為片幫滑落面與頂板的夾角,(°);γ為護(hù)幫力與煤壁的夾角,(°);H為液壓支架支護(hù)高度,mm。

TW=Wcos(90°-α-β) .

(6)

式中:α為煤層傾角,(°)。

由式(6)可知,α對(duì)下滑力的大小有非常大的影響,如果α由俯斜7°變?yōu)檠鲂?°,其下滑力將增大約一倍。如果工作環(huán)境為大采高工作面,通常來(lái)講,俯斜開(kāi)采是最常用的開(kāi)采方式,有利于工作面片幫的減少。

煤的重量形成的摩擦力FW為:

FW=fWsin(90°-α-β) .

(7)

式中:f為摩擦系數(shù)。

護(hù)幫力在滑面形成的摩擦力FP為:

Fp=fPcos(γ+α+β) .

(8)

式中:P為液壓支架互幫力,kN。

護(hù)幫力在滑面形成的下滑力TP為:

Tp=Psin(γ+α+β) .

(9)

片幫煤不滑落的條件如式(10)所示

TW=Fw+Tp+Fp.

(10)

由式(10)可知,護(hù)幫力越大,大面積片幫的可能性就越小。所以,增大互幫力和增加互幫面積是提高支架煤壁穩(wěn)定性非常有效的措施之一。

2 液壓支架運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性仿真研究

運(yùn)用動(dòng)力學(xué)仿真軟件Recurdyn對(duì)8.8 m高液壓支架進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析,首先運(yùn)用Proe進(jìn)行液壓支架建模,全部升起高度為8.8 m,整機(jī)長(zhǎng)度為10.6 m,架寬2.25 m,全部縮放為4.0 m。

將建好模型導(dǎo)入到仿真軟件Recurdyn中,在兩個(gè)立柱處施加5 s～10 s全部縮放的驅(qū)動(dòng),在頂板及側(cè)板鏈接處施加0～1 s回縮驅(qū)動(dòng),在前擋板處施加7 s～10 s回縮驅(qū)動(dòng),如圖2所示。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)校園貸問(wèn)題進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究[2-6]．然而，現(xiàn)有文獻(xiàn)大都是對(duì)校園貸問(wèn)題進(jìn)行定性研究，對(duì)校園貸問(wèn)題進(jìn)行定量研究還較少．雖然陳倩[7]在Logistic模型的基礎(chǔ)上完成了對(duì)校園貸的分析，但所選取的指標(biāo)較少．

圖2 液壓支架仿真模型Fig.2 Simulation model of hydraulic support

同時(shí)在各個(gè)連接處施加橫向轉(zhuǎn)動(dòng)約束,在兩柱之間施加固定約束,在底板和大地處施加固定約束,在連接刮板運(yùn)輸機(jī)處施加0～5 s的回縮驅(qū)動(dòng),由此實(shí)現(xiàn)液壓支架的降架。如圖3所示。

圖3 液壓支架降架過(guò)程Fig.3 Descending process of hydraulic support

在兩立柱間添加固定約束,10 s～20 s處在兩柱間添加驅(qū)動(dòng)使其上升,在17 s～20 s處在前擋板添加使前擋板回縮的平移驅(qū)動(dòng),在頂梁和側(cè)梁處添加收縮平移驅(qū)動(dòng),在連接刮板運(yùn)輸機(jī)處添加伸出平移驅(qū)動(dòng),完成支架的升起,如圖4所示。同時(shí),在頂梁及側(cè)梁處添加10 t的壓力。

圖4 液壓支架升架過(guò)程Fig.4 Ascending process of hydraulic support

完成支架的約束及驅(qū)動(dòng)和載荷的添加后,進(jìn)行仿真,仿真時(shí)間為20 s,步數(shù)為300步,得到液壓支架在升降過(guò)程中所走過(guò)的軌跡曲線圖,如圖5所示。

圖5 液壓支架升降過(guò)程軌跡曲線Fig.5 Ascending and descending trajectories of hydraulic support

在縱向,支架向煤壁及采空區(qū)傾倒的滑移模塊如圖6所示,其主要受的力有:支架支撐力用Q表示,頂板的摩擦力用F1表示,支架的重力用W表示,作用在頂梁巖石的的重力用P表示,底板的摩擦力用F2表示,摩擦系數(shù)用f表示,縱向傾角用β表示。作用點(diǎn)Q的坐標(biāo)用(e,h)表示, 作用點(diǎn)P的坐標(biāo)用(r,h)表示,自重W作用點(diǎn)坐標(biāo)用(xc,zc)表示,通常,r< 0,e> 0。

圖6 支架縱向受力模型Fig.6 Longitudinal force model of hydraulic support

在縱向,支架可能朝著煤壁方向發(fā)生傾倒,如圖6-1所示,避免傾倒的條件是關(guān)于O 點(diǎn)的傾倒力矩小于抗傾倒力矩,即

Qe+Wxccosβ+F1h≥Wzcsinβ+Phsinβ-Prcosβ.

(11)

在縱向,支架可能朝著采空區(qū)方向發(fā)生傾倒,如圖6-2所示,避免發(fā)生傾倒的條件為傾倒力矩小于抗傾力矩,即

Q(l6-e)+W(l6-xc)cosβ+F1h+P(l6-r)cosβ≥Wzcsinβ+Phsinβ.

(12)

由公式(11)和(12)可知,支架在升、降架過(guò)程中滿足支架不向前、不向后傾倒的條件,且極限角度范圍為0～15°,所以支架在升、降過(guò)程中保持縱向穩(wěn)定。

液壓支架升降過(guò)程中,重心軌跡曲線圖,如圖7仿真所示,黑色線范圍代表穩(wěn)定范圍,說(shuō)明支架在升降過(guò)程中重心保持在穩(wěn)定范圍內(nèi)。

圖7 仿真支架重心升降過(guò)程曲線Fig.7 Ascending and descending trajectories of the gravity center of hydraulic support

3 液壓支架穩(wěn)定性措施研究

3.1 提高大采高支架橫向穩(wěn)定性的措施

提高大采高支架橫向穩(wěn)定性的措施主要有以下六點(diǎn):

1)增大支架間距。

2)四連桿機(jī)構(gòu)最大孔軸間隙為0.7 mm。

3)為了防止發(fā)生倒架故障,中間架必須在掩護(hù)梁和頂梁的活動(dòng)側(cè)安裝護(hù)板,同時(shí)必須保證支架間距合理,防止出現(xiàn)咬架和擠架的現(xiàn)象,采取一定的技術(shù)措施使底座增大和提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

4)使支架的組件強(qiáng)度和連接耳板強(qiáng)度增大,進(jìn)而在支架橫向歪斜的情況下使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗扭性能得到一定保證。

5)在中間架的底座上安裝千斤頂,達(dá)到對(duì)其橫向下滑的預(yù)防的目的。

6)將支架的起始三架組成錨固站,有利于整個(gè)工作面橫向穩(wěn)定性的控制。

3.2 提高大采高支架縱向穩(wěn)定性的措施

提高大采高支架縱向穩(wěn)定性的措施主要有以下五點(diǎn):

1)在四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中,使頂梁的雙紐線運(yùn)動(dòng)軌跡自上而下為向工作面煤壁傾斜的曲線,保證水平摩擦力始終指向采空區(qū)。支架梁端曲線變化平穩(wěn),在支架從高到低的變化過(guò)程中,梁端距逐漸變小,頂梁向前運(yùn)動(dòng)。

2)支架應(yīng)采用掩護(hù)梁緊湊型結(jié)構(gòu),盡量增大掩護(hù)梁與頂梁的背角,嚴(yán)格控制掩護(hù)梁的外漏量。

3)對(duì)支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),使整機(jī)在力學(xué)性能方面必須達(dá)到俯采和仰采工況條件下的縱向穩(wěn)定性要求。

4)在達(dá)到支架布置的空間要求的前提下,最大可能使無(wú)立柱空間減小和底座接地面積增大。

5)當(dāng)進(jìn)行仰采和俯采時(shí),支架又多承受了一部分來(lái)自頂板的水平分力,因此對(duì)支架應(yīng)加設(shè)具有一定抗水平力作用的機(jī)構(gòu),同時(shí)也應(yīng)加強(qiáng)支架連接件和結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了8.8 m大采高液壓支架穩(wěn)定性的影響因素,重點(diǎn)對(duì)液壓支架橫向穩(wěn)定性、縱向穩(wěn)定性和煤壁穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,并采用動(dòng)力學(xué)仿真軟件Recurdyn對(duì)8.8 m高液壓支架進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析,最后給出了控制液壓支架穩(wěn)定性的方案,有效提高液壓支架的支護(hù)能力,有利于8.8 m大采高工作面的安全生產(chǎn)。