超前超高端頭液壓支架設(shè)計(jì)

王榮泉，白 偉，尚新芒，黨 靜

(1.陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司，陜西 韓城 715400，2.西安重裝韓城煤礦機(jī)械有限公司，陜西 韓城 715400)

0 引言

目前，對(duì)液壓支架支護(hù)系統(tǒng)的研究大多數(shù)是針對(duì)工作面設(shè)備，而對(duì)超前超高順槽和端頭的支護(hù)系統(tǒng)研究則較少[1-4]。從煤礦綜合機(jī)械化采煤的現(xiàn)狀來(lái)看，綜采工作面的基本支護(hù)技術(shù)已經(jīng)較為成熟，支撐式液壓支架、掩護(hù)式液壓支架以及支撐掩護(hù)式液壓支架可滿足不同地質(zhì)條件下綜采工作面的支護(hù)[5-7]。然而工作面兩端頭處的支護(hù)技術(shù)，則發(fā)展相對(duì)緩慢，嚴(yán)重制約了綜采生產(chǎn)的效率。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，采煤工作面所有安全出口與巷道連接處20 m范圍內(nèi)，必須加強(qiáng)支護(hù)；綜合機(jī)械化采煤工作面，此范圍內(nèi)的巷道高度不得低于1.8 m，即采煤工作面兩順槽20 m范圍內(nèi)必須采取超前加強(qiáng)支護(hù)，此范圍是工作面的矛盾集中點(diǎn)。

綜采工作面的端頭處于采、運(yùn)、支設(shè)備的交匯點(diǎn)，機(jī)電設(shè)備數(shù)量多，設(shè)備布置密集，人員出入頻繁，特別是下端頭，位于采煤機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)和液壓支架的結(jié)合處機(jī)電設(shè)備數(shù)量較多，且受工作空間限制，設(shè)備布置密集，而端頭處恰恰是生產(chǎn)人員進(jìn)出工作面之處，顯然此處的工作環(huán)境極易存在安全隱患[8-11]。同時(shí)，端頭圍巖在多種支撐壓力的作用下，受采動(dòng)影響最大，礦壓顯現(xiàn)復(fù)雜，工作面端頭支護(hù)是頂板維護(hù)的重點(diǎn)，也是頂板管理的難點(diǎn)。端頭支護(hù)工作已成為工作面生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，也是現(xiàn)場(chǎng)管理的薄弱環(huán)節(jié)。同時(shí)，對(duì)巷道進(jìn)行有效的超前支護(hù)，可以避免由于工作面超前支承壓力和沿傾斜方向支承壓力共同造成的巷道圍巖破壞，提高綜采工作面推進(jìn)效率，保證安全生產(chǎn)。

1 端頭支架工作原理及設(shè)計(jì)

1.1 工作面下端頭的支護(hù)要求

支護(hù)特點(diǎn)：和上端頭相比，下端頭區(qū)內(nèi)布置設(shè)備更多，包括刮板輸送機(jī)機(jī)頭、轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)尾等。對(duì)下端頭支護(hù)要求，除了應(yīng)滿足上端頭支護(hù)要求之外，還有以下兩個(gè)特點(diǎn)。①綜采工作面下端頭設(shè)備多，且體積大，端頭支架要有較大的無(wú)立柱空間，以確保此處的設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)、順利前移及正常維護(hù)；②為了保證刮板輸送機(jī)機(jī)頭及自身的順利前移以及轉(zhuǎn)載機(jī)和破碎機(jī)的前移，端頭支架推移力及拉架力要大?？傊祟^支架必須滿足于綜采工作面回采巷道機(jī)電設(shè)備的配套性，支護(hù)面積大，無(wú)立柱空間大，有護(hù)巷及護(hù)幫能力，利于拆棚和替棚，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)靈活，推拉力滿足要求，保證設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)及工作面的推進(jìn)要求。

支護(hù)要求：所設(shè)計(jì)的液壓支架主要安裝于大采高綜合放頂煤工作面(6 m)順槽及回風(fēng)巷道兩端頭處，以及切頂卸壓沿空留巷巷道段。在桑樹(shù)坪煤礦3號(hào)煤工作面，該支架替代了原來(lái)的端頭處采用不可回收的木垛支護(hù)。該支架總體結(jié)構(gòu)呈可折疊門(mén)式支架，分為前架和后架，立柱支撐，頂板采用平衡缸支撐，中間通過(guò)鉸接，形成折疊門(mén)式支架；護(hù)幫采用平行四連桿機(jī)構(gòu)，通過(guò)立柱施加壓力支撐，最終達(dá)到對(duì)工作面采煤機(jī)端頭位置的支撐功能，將前架推移油缸與前溜子機(jī)頭連接，在工作過(guò)程中可隨前溜子移動(dòng)達(dá)到同步支護(hù)要求。

1.2 端頭支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及使用參數(shù)

設(shè)計(jì)要求：端頭支架是工作面機(jī)頭和機(jī)尾的支架，一般高度小于采高(中間支架)，分別用于上下順槽，與折疊支架形成一個(gè)支護(hù)空間。它的主要功能是維護(hù)好巷道和回采工作面交叉口處的頂板，協(xié)調(diào)該處排頭支架，工作面運(yùn)輸機(jī)、順槽轉(zhuǎn)載機(jī)等設(shè)備之間的位置和配套關(guān)系。端頭支架除了能自移外，還要為轉(zhuǎn)載機(jī)和運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭的移動(dòng)提供動(dòng)力。端頭支架自身具有防倒、調(diào)架或使用工作面傾角變化的能力，能適應(yīng)左右工作面，換向方便。前梁深入巷道，起一定的超前支護(hù)作用。

使用參數(shù)：根據(jù)巷道支護(hù)要求及端頭支架工作原理，對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算后，其整體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 端頭支架參數(shù)表

1.3 端頭支架立柱設(shè)計(jì)

端頭支架立柱結(jié)構(gòu)：端頭支架立柱結(jié)構(gòu)同折疊支架立柱結(jié)構(gòu)，用于維護(hù)采煤工作面端頭巷道頂板的液壓支架，如圖1所示。該端頭支架主要由前架和后架通過(guò)推移油缸連接組成，前后架分別由立柱、平衡缸、護(hù)幫缸、推移油缸、伸縮側(cè)護(hù)板、頂板、頂座、底座、側(cè)板、護(hù)幫板、液壓管件等部件組成。

端頭支架立柱參數(shù)：立柱形式為雙伸縮雙作用缸。端頭支架立柱外缸內(nèi)徑為φ200 mm，中缸外徑為φ185 mm，中缸內(nèi)徑為φ140 mm，活塞直徑為φ130 mm。當(dāng)供液壓力為31.5 MPa時(shí)，中缸初撐力為989 kN，活柱初撐力為485 kN，當(dāng)壓力超過(guò)安全閥設(shè)定壓力34 MPa時(shí)，安全閥開(kāi)啟卸載，此時(shí)立柱工作阻力為1 050 kN。行程、一級(jí)行程、二級(jí)行程分別為3 005 mm、1 560 mm、1 445 mm。

圖1 端頭支架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.4 端頭支架支護(hù)設(shè)計(jì)

安全閥開(kāi)啟壓力為34 MPa時(shí)，立柱的工作阻力設(shè)為1 067 kN，在此條件下計(jì)算端頭支架參數(shù)及支護(hù)強(qiáng)度。

端頭支架頂梁尺寸計(jì)算：前架頂梁尺寸(面積)：3 700 mm×4 000 mm；后架頂梁尺寸(面積)：4 800 mm×4 000 mm；不考慮端頭支架的側(cè)護(hù)時(shí)，前架頂梁尺寸(面積)為3 700 mm×2 300 mm，后架頂梁尺寸(面積)為4 800 mm×2 300 mm。

端頭支架支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算：①前架支護(hù)強(qiáng)度。1 067 000 N× 4÷(3 700 mm×4 000 mm)=0.29 N/mm2，即前架支護(hù)強(qiáng)度為0.29 MPa；②后架支護(hù)強(qiáng)度。1 067 000 N× 4÷(4 800 mm×4 000 mm)=0.22 N/mm2，即后架支護(hù)強(qiáng)度為0.22 MPa；③不考慮側(cè)護(hù)面積時(shí)。前架支護(hù)強(qiáng)度：1 067 000N× 4÷(3 700 mm×2 300 mm)=0.50 N/mm2=0.5 MPa；后架支護(hù)強(qiáng)度為：1 067 000 N×4÷(4 800 mm×2 300 mm)=0.39 N/mm2= 0.39 MPa。

端頭支架前架參數(shù)：高度為3 100～6 000 mm；寬度為3 200～4 000 mm；長(zhǎng)度為5 100～5 800 mm；重量為每架約18 318 kg(不含閥及油管)。

端頭支架后架參數(shù)：高度為3 100～6 000 mm；寬度為3 200～4 000 mm；長(zhǎng)度為4 800 mm；重量為每架約17 966 kg(不含閥及油管)。

2 關(guān)鍵部件分析

2.1 活塞桿有限元分析計(jì)算

三維實(shí)體模型：活塞桿的有限元分析從立柱強(qiáng)度計(jì)算的第四種情況下開(kāi)始進(jìn)行，即安全閥開(kāi)啟壓力為20 MPa，工作阻力為508 680 N時(shí)，活塞桿的承載力，其中活塞桿的材料為40Cr，最大屈服強(qiáng)度為785 MPa。借助SolidWorks軟件建立了活塞桿的三維實(shí)體模型，如圖2所示。根據(jù)活塞桿的實(shí)際工作過(guò)程和約束及承載狀態(tài)，在有限元分析中，對(duì)活塞桿的底部施加約束，頂部施加載荷，如圖3所示。

圖2 活塞桿三維模型

圖3 活塞桿約束與載荷施加

活塞桿承載能力計(jì)算(徑向不受力)：①針對(duì)4種安全閥開(kāi)啟壓力下液壓系統(tǒng)提供的供液壓力工況，分別對(duì)相應(yīng)的立柱強(qiáng)度進(jìn)行有限元計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果可以判斷，該40Cr材質(zhì)的活塞桿在安全閥開(kāi)啟壓力為39.3 MPa，徑向不受力的情況下，當(dāng)軸向力為999 556.2 N時(shí)，活塞桿不會(huì)發(fā)生屈服失穩(wěn)現(xiàn)象。

表2 活塞桿承載能力計(jì)算

活塞桿承載能力計(jì)算(徑向受力)：為計(jì)算立柱的徑向承載能力，在有限元模型中，分別在活塞桿的頂端施加軸向載荷和徑向載荷，如圖4所示。仿真計(jì)算20 MPa和39.3 MPa安全閥開(kāi)啟壓力下的活塞桿變形情況，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。①在安全閥開(kāi)啟壓力為20 MPa，軸向受力為508 680 N的情況下，當(dāng)承受1 000 N的徑向壓力時(shí)，活塞桿最大彎曲變形量為2.36 mm，處于可使用范圍；當(dāng)承受10 000 N的徑向壓力時(shí)，活塞桿最大彎曲變形量為22.78 mm，活塞桿發(fā)生彎曲失穩(wěn)；②在安全閥開(kāi)啟壓力為39.3 MPa，軸向受力為999 556.2 N的情況下，當(dāng)承受1 000 N的徑向壓力時(shí)，活塞桿最大彎曲變形量為2.58 mm，處于可使用范圍；當(dāng)承受10 000 N的徑向壓力時(shí)，活塞桿最大彎曲變形量為22.81 mm，活塞桿發(fā)生彎曲失穩(wěn)。因此，當(dāng)該40Cr材質(zhì)的活塞桿在軸向和徑向同時(shí)受力時(shí)，只要徑向受力超過(guò)10 000 N(即1 t)，就會(huì)發(fā)生彎曲失穩(wěn)現(xiàn)象，而與軸向是否承受載荷無(wú)關(guān)。而且，活塞桿彎曲現(xiàn)象與立柱外缸的安全閥壓力開(kāi)啟壓力大小關(guān)系不大。

圖4 活塞桿軸向、徑向施加載荷

表3 活塞桿徑向承載能力計(jì)算

2.2 千斤頂特征參數(shù)

平衡千斤頂參數(shù)：普通雙作用形式；缸徑、桿徑分別為φ125 mm、φ85 mm；拉力(P=31.5 MPa)為208 kN，推力(31.5 MPa)為386 kN；行程為295 mm。

護(hù)幫千斤頂參數(shù)：普通雙作用形式；缸徑、桿徑分別為φ100 mm、φ70 mm；拉力(P=31.5 MPa)為126 kN，推力(31.5 MPa)為247 kN；行程為195 mm。

2.3 端頭支架液壓系統(tǒng)

系統(tǒng)構(gòu)成：端頭支架液壓系統(tǒng)包括前架和后架兩部分。前架液壓元件包括支撐油缸、立柱、護(hù)幫千斤頂?shù)?；后架液壓元件包括立柱、護(hù)幫千斤頂?shù)?；前架和后架之間由推拉油缸完成動(dòng)作的協(xié)調(diào)。端頭支架的液壓系統(tǒng)主要由乳化液泵站、過(guò)濾器、操縱閥、回液斷路器、立柱雙向鎖、立柱安全閥、護(hù)幫千斤頂液控單向閥、護(hù)幫安全閥、支撐油缸液控單向閥、支撐油缸安全閥等組成。

工作原理：立柱的升柱、降柱和支撐等動(dòng)作通過(guò)手動(dòng)換向閥、雙向鎖等液壓控制元件完成。護(hù)幫千斤頂和支撐油缸的伸出和縮回等動(dòng)作通過(guò)手動(dòng)換向閥、液控單向閥等液壓控制元件完成。乳化液泵站的高壓油液，經(jīng)過(guò)操縱閥后，通過(guò)雙向鎖進(jìn)入立柱的無(wú)桿腔，支撐頂板，立柱有桿腔的乳化液經(jīng)雙向鎖和操縱閥后流回乳化液箱。當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到安全閥的設(shè)定值時(shí)，安全閥打開(kāi)，液壓油通過(guò)安全閥卸載流回乳化液箱，避免支架過(guò)載造成破壞；當(dāng)操縱閥處于中位時(shí)，立柱雙向鎖處于關(guān)閉狀態(tài)保證立柱無(wú)桿腔的液壓油不流回乳化液箱，實(shí)現(xiàn)支架正常接頂，并保證足夠支撐力。平衡千斤頂和支撐油缸的操縱閥與雙向鎖的作用與立柱的液壓系統(tǒng)。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著綜采工作面裝備水平的提高，如強(qiáng)力電牽引采煤機(jī)、垂直布置的交叉?zhèn)刃妒捷斔蜋C(jī)等設(shè)備的配套使用，使現(xiàn)有的端頭支護(hù)方式存在維護(hù)強(qiáng)度大、安全隱患多等問(wèn)題。端頭的特殊性決定了端頭區(qū)域維護(hù)困難，端頭及超前支護(hù)效果對(duì)機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和工作人員的安全影響極大。根據(jù)液壓支架的支護(hù)要求，以及支架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，對(duì)端頭支架及關(guān)鍵部件的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算和分析。該端頭液壓支架設(shè)計(jì)可以避免端頭圍巖在多種支撐壓力的作用下受到破壞，提高綜采工作面推進(jìn)效率。