工作面端頭超前支架液壓控制系統(tǒng)設(shè)計及工程實踐

王 興

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西 興縣 033602）

0 引 言

采煤工作面端頭處是切眼和順槽的交匯處，各種電氣、機械設(shè)備布置交匯于此，不僅圍巖壓力大，而且人員經(jīng)常從此處通過。切眼和順槽交叉口，礦山壓力顯現(xiàn)，傳統(tǒng)的單體液壓支柱支護效果不是很好，為解決該問題，根據(jù)目前自移動式支架特點，設(shè)計液壓控制系統(tǒng)的齒形交錯的支架作為工作面端頭支護設(shè)備[1]。

超前液壓支架是由推移千斤頂進行推移行走，四連桿機構(gòu)是支架頂梁的一部分，主要起平穩(wěn)升降作用。考慮到煤巖塊的掉落，在支架頂梁兩側(cè)還設(shè)有液壓缸驅(qū)動的護幫板。支護強度的大小主要靠液壓支架液壓系統(tǒng)控制效果和能力。論文根據(jù)端頭使用要求，對超前支架的液壓元件[2]，液壓系統(tǒng)的安全閥是否滿足頂板周期來壓要求等做了相應(yīng)研究，最后通過工業(yè)性實踐對該液壓支架的實用性進行驗證。

1 超前支架液壓控制系統(tǒng)簡介

巷道的乳化液泵站給端頭超前支架液壓控制系統(tǒng)提供動力。主控閥、安全閥、乳化液、各種液控單向閥構(gòu)成了超前支架的液壓系統(tǒng)。高壓液油由乳化液泵站供給，主控閥控制其流向，經(jīng)過液控單向閥后流入無桿腔內(nèi)，此時在壓力作用下，使得頂板支撐上覆巖體，而后油液在主控閥作用下回至乳化油箱中。為避免過載造成液壓支架損壞，液壓系統(tǒng)中設(shè)有安全閥，安全閥此時設(shè)定一固定值，當(dāng)壓力超過固定值后，油液在安全閥作用下卸荷；液壓系統(tǒng)中還設(shè)有換向控制閥，換向控制閥正常情況是中位，其作用是保證無桿腔油液滿腔，為支架提供足夠動力支撐頂梁。

端頭超前液壓系統(tǒng)控制的支架，為支撐住頂板周期來壓，設(shè)計了液壓控制系統(tǒng)的主控閥和單向閥時，其額定工作壓力高于提供動力的乳化液泵站的最大壓力，因為第一次工作面頂板周期來壓顯著，破壞性強，此時會造成液壓元件中液體壓力急劇增加，短時間內(nèi)會大于乳化液泵站的額定工作壓力，設(shè)計時也是考慮了工作面第一次周期來壓的這一特點[3-4]。

2 支架液壓元件選型設(shè)計

1）液壓泵站選型。工作面端頭處本身空間有限，再加上設(shè)備交匯于此，為了更加合理化，乳化液泵站設(shè)置在遠離端頭一定距離的順槽內(nèi)，通過乳化液泵站提供的油液，可升降、拉移端頭超前液壓支架?？紤]到礦井工作條件，較為適用的是WRB200/32型乳化液泵，本次設(shè)計3泵2箱并聯(lián)工作，乳化液泵兩用一備，經(jīng)查資料，該型號乳化液泵提供壓力約為34MPa，額定流量為450L/min。

2）安全閥選型。油缸工作流量Q1：

式中：V1為油缸速度，取0.15m/s；A1為油缸面為油缸直徑，200mm。

根據(jù)礦壓規(guī)律，頂板在破斷時會釋放突發(fā)能力，則液壓支架偶爾會受到頂板瞬時沖擊壓力，為保護立柱和其他結(jié)構(gòu)件，需要及時卸壓，這時就急需一個的大流量靈敏安全閥。充分考慮上述因素，在立柱下腔設(shè)計安裝一個大流量靈敏安全閥。

3）液控單向閥選型。為了保護立柱內(nèi)腔液壓損失，并且還需與安全閥相配，需要對液壓控制系統(tǒng)的單向閥選擇恰當(dāng)?shù)膮?shù)、型號等，選定的液壓控制系統(tǒng)單向閥參數(shù)見表1。

表1 液壓控制系統(tǒng)單向閥參數(shù)表

4）千斤頂液控單向閥選型。

千斤頂工作流量：

式中：V2為油缸速度，取0.1m/s；D2為護幫缸直徑，100mm；A2為護幫無桿腔面積0.12=0.0785m2。

根據(jù)上述計算和手冊的查詢，本次設(shè)計選擇型號為FDY125/50的千斤頂液控單向閥。其額定工作流量為150L/min，額定工作壓力為45MPa。

5）電液控制閥選型。

工作面端頭超前支架液壓控制系統(tǒng)電液控制閥選擇EEP型[5]，電液控制閥組由多個電液控制閥組成，該電液控制閥組可以進行換向，有利于支架工作，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 換向電液控制閥

換向電液控制閥部件是模塊化結(jié)構(gòu)。為了抵抗腐蝕性和確保該閥使用壽命，其材質(zhì)選擇防銹材料。換向電液控制一大優(yōu)點就是閥芯截面積較大，油液通過容易，不會產(chǎn)生較大阻力，節(jié)約了反應(yīng)時間，遇到緊急情況能夠及時開關(guān)，另外也降低了油液當(dāng)中介質(zhì)的污染。在電液控制閥上還設(shè)計了指示燈，指示燈主要提供檢查時的燈光和核對的開關(guān)動作信號。

6）液壓輔件選型。手動反沖洗過濾器被安裝在液壓控制系統(tǒng)的支架進液管上；對密封件產(chǎn)品、膠管產(chǎn)品均作了一定要求。

3 液壓控制系統(tǒng)安全閥研究

3.1 安全閥的作用及要求

液壓支架實際工作壓力主要靠液壓系統(tǒng)中的安全閥實現(xiàn)，安全閥是液壓控制系統(tǒng)的不可或缺的元件，不僅有安全限定值，還對液壓支架的強度、支護頂板和護幫能力都起著重要作用。

在安全范圍內(nèi)有溢流時，必須要求安全閥處于額定流量內(nèi)，并且最高溢流壓力不得大于限定值，這樣安全閥就起到保護其他元件避免過載損壞；當(dāng)然，安全閥最小溢流壓力也不得低于下限值，避免造成液壓支架無支護能力，引起頂板冒落事故，另一方面也要體現(xiàn)安全閥能夠使得液壓支架發(fā)揮其支護能力。

3.2 安全閥結(jié)構(gòu)及特征

現(xiàn)在生產(chǎn)的安全閥類型主要有閥墊型、鋼球型、聚甲醛錐閥型等。閥體、O型圈、閥芯、彈簧、調(diào)壓螺絲等元部件組成了液壓支架系統(tǒng)中的安全閥。液壓系統(tǒng)的安全閥一般工作壓力約為50MPa，其流量在5～8L/min。

安全閥在閥開啟前、后，油液面積也會有所變化，則有：

式中：Δp為壓力差；pk為開啟壓力；pb為關(guān)閉壓力。

安全閥開口變化，就會引起安全閥溢流變化，隨之影響彈簧力大小改變，進而促成油液工作壓力發(fā)生改變。

3.3 安全閥對周期來壓的響應(yīng)

性能優(yōu)良的安全閥，在頂板周期來壓來臨就會做出以下響應(yīng)：

1）反應(yīng)敏捷。礦山壓力具有瞬時性，為了保護液壓支架不被損壞，確保工作面安全，在周期來壓時，安全閥必須迅速響應(yīng)，使得支架具有足夠的支撐力。彈簧剛度、閥的安裝情況、流量變化特性決定了安全閥反應(yīng)速度，另外安全閥溢流口還要求盡量安裝在周期來壓傳遞液壓力的關(guān)鍵點范圍內(nèi)，立柱對周期來壓響應(yīng)示意如圖2所示。

圖2 立柱對于周期壓力時的反應(yīng)

在正常情況下，壓力基本保持一個較小波動的范圍內(nèi)，主控閥是一種靜止?fàn)顟B(tài)，促使A、B兩進油、回油口沒有乳化液流經(jīng)，液壓支架此時所受壓力假設(shè)為F，腔內(nèi)油壓假設(shè)為P；一旦頂板出現(xiàn)周期來壓，液壓支架就會收到頂板的瞬時附加沖擊載荷，假設(shè)為，相應(yīng)腔體內(nèi)的液壓力附加值假設(shè)為ΔPf，假設(shè)在D口設(shè)置安全閥溢流，壓力是從上往下傳遞，有一定時間，壓力傳遞速度用V表示，根據(jù)圖2示，則液壓增加值ΔPf傳到溢流口D所需時間就為L/V；假如安全閥溢流口設(shè)置在立柱腔上端面，壓力傳遞距離短，就會省去傳遞時間或減少傳遞時間，相應(yīng)安全閥相應(yīng)速度就更加敏捷。從上分析可知，礦壓顯現(xiàn)的工作面端頭，為保證安全，溢流口盡可能設(shè)置在液壓傳遞點區(qū)域。安全閥和液壓腔盡可能用較短管路相連，為的是降低壓力損失，減少液壓力傳遞時間，確保安全閥迅速響應(yīng)。

2）流量滿足使用要求。頂板出現(xiàn)周期來壓時，壓力非常大，此時安全閥的作用就是卸壓，保證支架頂梁壓力迅速傳遞。該安全閥有一大優(yōu)勢就是流量大，溢流快速，進而避免了支架因承受不住發(fā)生破損。

3）小壓差開啟、閉合。當(dāng)頂板發(fā)生周期來壓時，支架頂板承受壓力瞬間變大，力具有傳遞性，頂梁將該力傳遞給腔內(nèi)油液，一旦安全閥壓力達到限定值就會卸壓，這樣就能有效保護液壓支架過載損壞；若液壓力達到閉合的安全閥設(shè)定壓力值時，安全閥自動閉合，腔內(nèi)油液仍有較大壓強，給頂板一定的支承作用。因此，安全閥在開啟和閉合時，均是檢測到液壓的變化做出的反應(yīng)，而且以小壓差的形式凸現(xiàn)出來。

4 工業(yè)性實踐

4.1 礦壓觀測

該液壓控制系統(tǒng)下的支架在某礦93下02工作面端頭做了工業(yè)性試驗，為了觀測、驗證該支架具有良好的應(yīng)用性，在煤礦93下02工作面端頭處做了礦壓觀測，礦壓觀測位置示意圖見圖3所示。

圖3 礦壓觀測位置示意圖

根據(jù)預(yù)先設(shè)定的觀測方案，測點布置在93下02運輸順槽內(nèi)，共布置了四個測區(qū)，安裝儀表后進行觀測，觀測的礦壓數(shù)據(jù)整理后見表2所示。

表2 礦壓觀測數(shù)據(jù)整理表

4.2 不同工作面超前支護比較

在某礦兩工作面做了工業(yè)性試驗，兩工作面地質(zhì)條件及礦山壓力相近，液壓支架基本同時安裝，采煤時間、方法基本保持一致。為了驗證本次設(shè)計的端頭超前液壓控制的支架是否具有優(yōu)勢，進行了對比試驗，一個工作面端頭超前支護采用本次設(shè)計的超前液壓控制的支架，另一個對比的工作面端頭采用普通的支架支護。對兩工作面進行開采，分別測定兩個工作面運輸順槽的變形量，頂?shù)装逡平咳鐖D4所示，兩幫移近量如圖5所示。

圖中上面藍色的曲線表示工作面端頭采用的是普通支架支護時，巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥冃瘟浚幌旅婕t色的曲線表示工作面端頭采用的超前液壓控制系統(tǒng)的支架支護時，巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥冃瘟俊捻數(shù)装搴蛢蓭妥冃瘟縼砜?，超前液壓控制系統(tǒng)的支架對頂板及幫的維護效果更好，對端頭超前支護提高了安全性。說明超前液壓控制系統(tǒng)的支架在礦山開采中具有優(yōu)越性和適用性。

圖4 頂?shù)装逡平?/p>

圖5 兩幫移近量

5 結(jié) 論

論文對超前支架的液壓系統(tǒng)作了簡單介紹，并選型設(shè)計了液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵元器件。重點研究了液壓系統(tǒng)的安全閥，從安全閥的作用、要求、結(jié)構(gòu)、特征等，分析了液壓系統(tǒng)對于頂板周期來壓的響應(yīng)及其工作特性，從而得知液壓系統(tǒng)控制液壓油為頂梁支撐周期來壓提供了動力保障。

研究的液壓系統(tǒng)控制的端頭超前支架在煤礦93下02工作面作了試運行，通過礦壓觀測表明，該支架在端頭超前支護可行。并與普通超前支架作了對比試驗，結(jié)果表明液壓系統(tǒng)控制的超前支架優(yōu)勢明顯，安全性高，有利于維護巷道穩(wěn)定。