煤礦綜采工作面液壓支架的優(yōu)化分析

沈 棟， 劉鯉粽， 趙建陽

（煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司， 北京 100000）

引言

液壓支架起著控制采煤工作面礦山壓力的作用，是煤礦機(jī)械化綜采工作面的重要設(shè)備之一。液壓支架是由承載構(gòu)件、液壓油缸、液壓元件、操作系統(tǒng)及其他配套輔助裝置構(gòu)成，其支護(hù)的穩(wěn)定性和可靠性對煤礦井下采煤工作面的安全回采起著至關(guān)重要的作用。液壓支架支護(hù)的可靠性和穩(wěn)定性主要與井下采煤工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度、地質(zhì)條件復(fù)雜程度、支架的支撐能力等因素有關(guān)。因此，在支架的合理選型和優(yōu)化上，要充分結(jié)合井下實際情況，以保證液壓支架能夠滿足采煤工作面的支護(hù)要求，確保安全生產(chǎn)[1-3]。某煤礦采煤工作面底板為炭質(zhì)泥巖，底板松軟，且礦壓顯現(xiàn)較為明顯，針對采煤工作面的實際情況，提出支架的具體優(yōu)化方案，從支架的架型優(yōu)化選擇、提升液壓支架的主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、完善支架的防止傾斜倒架功能等方面優(yōu)化改進(jìn)，較大程度提高了液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，提升了采煤工作面頂板支護(hù)管理水平，非常具有推廣應(yīng)用價值。

1 液壓支架架型的優(yōu)化

某煤礦采煤工作面原采用四柱支撐掩護(hù)式綜采液壓支架，該型號支架在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)傾倒現(xiàn)象。通過對該套支架在應(yīng)用過程中前后立柱壓力表數(shù)據(jù)進(jìn)行收集分析，具體如圖1 所示。

圖1 液壓支架前后立柱受力情況對比示意圖

通過圖1 對比分析發(fā)現(xiàn)，因受采煤工作面頂板周期來壓、采空區(qū)頂板垮落不及時、底板松軟等因素影響，四立柱液壓支架的前后立柱受力大小極不平衡，從而造成支架在支護(hù)過程中容易出現(xiàn)傾斜，實際支護(hù)強(qiáng)度降低、支護(hù)效果不好，支架四根立柱的受力不均也極容易造成個別立柱承載能力超過最大支撐能力而出現(xiàn)損壞的現(xiàn)象。同時，因該型號支架安裝四根支撐立柱，造成整體質(zhì)量大、價格高，而且在工作面支護(hù)使用及安裝、回撤組裝及解體時操作工序多，移架速度慢，組裝和解體速度慢。根據(jù)礦井頂?shù)装鍘r性、煤層賦存、地質(zhì)構(gòu)造、礦山壓力顯現(xiàn)等實際情況，通過綜合計算評估后，將四立柱式液壓支架更換成兩柱式液壓支架。由于兩立柱掩護(hù)式支架只采用兩根立柱支撐支架頂梁，不存在前后排立柱升降不同步的現(xiàn)象，受力較為均衡，能夠很好地適應(yīng)采煤工作面頂板壓力的變化，且減少了兩根立柱，結(jié)構(gòu)更加簡單，不僅使支架整體質(zhì)量降低，而且操作方便，支架移架速度快、工作可靠，提升了采煤工作面支護(hù)的安全性和支架的穩(wěn)定性。

2 支架防倒構(gòu)件的優(yōu)化

由于受地質(zhì)條件影響，工作面底板均存在不同程度的傾角，液壓支架在工作面的應(yīng)用過程中，受工作面底板傾角的影響，支架的重心發(fā)生偏移，隨著移架作業(yè)，支架會逐漸發(fā)生傾斜，當(dāng)工作面傾角逐漸變大，支架重心偏移超過支架底座邊緣后，支架會發(fā)生傾倒（如圖2），支架失穩(wěn)。支架發(fā)生傾倒會造成采煤工作面拉架作業(yè)困難，且?guī)磔^大安全隱患。

圖2 支架在工作面傾角不同情況下支護(hù)狀態(tài)示意圖

根據(jù)液壓支架的特性，支架在使用過程中一般采取調(diào)整支架抬底座和支架頂梁、尾梁前后側(cè)護(hù)板來防止支架傾倒，但在長時間使用過程中，支架抬底座和側(cè)護(hù)板由于長時間受力作用，易出現(xiàn)變形或損壞，從而導(dǎo)致支架防倒裝置失效。通過對側(cè)護(hù)板的優(yōu)化，將側(cè)護(hù)板條形結(jié)構(gòu)改造成箱型結(jié)構(gòu)，同時為防止側(cè)護(hù)板受力變形，在側(cè)護(hù)板上焊接高強(qiáng)度鋼板進(jìn)行加固。在對支架抬底座裝置的優(yōu)化過程中，更換了抬底座裝置的收縮方式，將相互平衡收縮方式更換成非平衡收縮方式，從而增加抬底座裝置在操作過程中的穩(wěn)定性。

3 支架主體構(gòu)件的優(yōu)化

液壓支架的頂梁和底座是承受頂?shù)装鍓毫_擊的主體構(gòu)件，其強(qiáng)度大小直接影響到支架在使用過程中的支護(hù)效果和支護(hù)安全。針對某礦液壓支架底座和頂梁在使用過程中出現(xiàn)受力變形的情況，采取在支架頂梁的上下蓋板之間加固一組加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋采用厚度為25～30 mm 的鋼板加工，采用焊接的方式將加強(qiáng)筋焊接在支架上蓋板和下蓋板之間，使支架上下蓋板構(gòu)成一個封閉的棋盤型結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化，提高了支架頂梁的整體抗壓強(qiáng)度，防止支架頂梁受壓出現(xiàn)變形。

液壓支架底座是用于支托支架立柱和其他部件的承載構(gòu)件，直接與采煤工作面底板接觸，向支架傳遞支撐力，是支架保持穩(wěn)定支護(hù)的基礎(chǔ)。由于某礦原有的液壓支架底座采用鋼板焊接加工成箱體式，因焊接位置受力最大，很容易造成支架底座變形。針對此種情況，采取在支架底座焊接位置采用圓弧式過渡聯(lián)接。為增加支架防滑防倒的能力，在支架底座前側(cè)位置設(shè)置安裝了一根可調(diào)節(jié)液壓千斤頂，在支架移架過程中，千斤頂在支架底座側(cè)面伸出，沿支架傾斜反方向給支架一個支撐力，從而抑制支架下滑和傾斜。同時，為防止煤墻矸煤竄入支架傷人，在支架立柱四周安裝了防護(hù)擋板。如圖3 所示。

圖3 支架優(yōu)化改造后結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

將改進(jìn)后的液壓支架在某煤礦中應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)，該液壓支架的質(zhì)量得到減小，其支護(hù)的穩(wěn)定性和強(qiáng)度得到提高，并將它在井下進(jìn)行廣泛推廣應(yīng)用，取得了較好的效果。