基于ADAMS軟件的液壓支架頂梁負載特性分析

高志偉

（霍州煤電集團河津騰輝煤業(yè)有限責任公司，山西 河津 043300）

掩護式液壓支架憑借著其結(jié)構(gòu)簡單、回撤方便、可靠性好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于煤礦井下綜采工作面支護。但因掩護式液壓支架質(zhì)量輕且采用

雙排立柱式［1］支撐結(jié)構(gòu)，其對井下復雜環(huán)境的適應(yīng)性相對較低。為進一步提高該支護方式在井下綜采面的適應(yīng)性，本文提出采用ADAMS軟件對液壓支架頂梁的負載特性進行仿真分析，旨在獲得掩護式液壓支架頂梁承載調(diào)節(jié)和工作時的載荷平衡區(qū)，從而為優(yōu)化掩護式液壓支架結(jié)構(gòu)提供參考。

1 工程背景

騰輝煤業(yè)井下綜采面的煤層平均傾角為25.8°，煤層的平均厚度為3.6 m，煤層為極軟煤層。井下綜采面的長度約為156 m，綜采面的最大推進長度約為969 m。煤層的底板為細砂巖，頂板為硬質(zhì)砂巖，采用ZY3400/14/32 型支撐掩護式液壓支架進行巷道支護，通過配平試驗，該支架在支護時的穩(wěn)定初撐力為15 582 kN。在綜采擾動和礦壓作用下，支架頂梁所受力的位置和大小不斷變化，導致液壓支架支護失穩(wěn)情況經(jīng)常發(fā)生，嚴重影響了煤礦井下綜采作業(yè)安全性。因此迫切需要對不同力作用下的支架頂梁穩(wěn)定性進行分析，為優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)布置、提高支護穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)，騰輝煤業(yè)井下液壓支架支護結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 井下液壓支架支護實物

2 數(shù)值模擬分析

1）數(shù)值建模

利用數(shù)值模擬軟件建立液壓支架的三維模型，將其導入到ADAMS仿真分析軟件中，設(shè)置液壓支架工作時的初撐力為15 400 kN，各個支柱工作時的載荷為11 600 kN，頂板來壓步長為600步，其三維模型結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 液壓支架三維模型

2）液壓支架單點支撐下載荷平衡區(qū)分析

通常情況下液壓支架工作時的支護高度越高，其穩(wěn)定性越差［2］，因此在對液壓支架的載荷平衡區(qū)進行分析時，取ZY3400/14/32 型液壓支架在最大工作高度情況下的結(jié)構(gòu)特性，利用ADAMS軟件對支架在單點支撐情況下的頂梁負載情況進行分析，結(jié)果見圖3。

圖3 液壓支架在單點支撐情況下頂梁的負載變化曲線

由仿真分析結(jié)果可知，掩護式液壓支架頂梁極限負載平衡特性曲線，呈現(xiàn)為漸進的雙曲線分布，在沿著頂梁的縱向方向上，負載的平衡區(qū)域可分為最佳的負載區(qū)域（Ⅱ區(qū)）、千斤頂拉力作用區(qū)域（Ⅰ區(qū)）以及千斤頂推力作用區(qū)域（Ⅲ區(qū)）。當在最佳負載區(qū)時，支架的平衡千斤頂為外推的工作狀態(tài)，頂梁的極限平衡負載隨著頂板對頂梁負載作用位置的外移呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。當在千斤頂拉力作用區(qū)域和千斤頂推力作用區(qū)域，平衡千斤頂達到系統(tǒng)設(shè)定的穩(wěn)定工作壓力，當液壓支架在該區(qū)域內(nèi)時，液壓支架千斤頂工作阻力的變化對支架平衡負載影響較小。

由于該型液壓支架頂梁在端部的極限支撐力僅有約9 900 kN（圖中藍色虛線端部所示的平衡外載荷大?。?，遠小于穩(wěn)定液壓支架所需的15 582 kN的初撐力要求，因此當井下頂板為不規(guī)則體或者破碎面時，極易使液壓支架頂板的前端或者后端單獨和頂梁接觸，形成一種單點支撐的支護狀態(tài)，使液壓支架工作時的穩(wěn)定性極大的降低。

3）液壓支架頂梁水平受力對支架穩(wěn)定性的影響

當煤礦井下綜采工作面內(nèi)的煤層頂板相對完整時，掩護式液壓支架的頂梁能夠和煤層頂板正常接觸，但由于綜采作業(yè)過程中采煤機截割頂板、煤層底板不平等因素影響，頂梁和煤層頂板的接觸也不是完全的面接觸，而是一種以承載立柱為分界點的雙區(qū)域點接觸，此工況下頂板和頂梁之間的水平摩擦力對支架支撐穩(wěn)定性具有重要的作用［3］。

將液壓支架正對著采空區(qū)的方向設(shè)置為摩擦力的正方向，根據(jù)井下頂板和頂梁接觸時的特點，其摩擦因數(shù)f分別設(shè)置為0.3、0.2 和-0.2，用于對頂梁水平受力對支架平衡區(qū)的影響進行分析。為了便于對穩(wěn)定區(qū)域進行定量判斷，設(shè)置摩擦因數(shù)為0 時的平衡區(qū)域為最佳平衡區(qū)［4］（此時外載荷的值為基值），若在不同摩擦因數(shù)下的支架承載能力高于穩(wěn)定區(qū)的基值，則說明此情況下為平衡穩(wěn)定區(qū)，反之為不穩(wěn)定區(qū)域，分析結(jié)果見圖4。

圖4 不同摩擦因數(shù)下支架承載能力變化曲線

由分析結(jié)果可知，隨著作用在頂梁上水平力的增加可以提升液壓支架最優(yōu)平衡區(qū)域內(nèi)的極限平衡載荷，但對于頂梁的支撐力和最優(yōu)平衡區(qū)域范圍的影響不大。這主要是由于在支架最優(yōu)平衡區(qū)域內(nèi)，支架主要靠支撐立柱來承受作用在頂梁上的外載荷，而作用在平衡千斤頂上的承載力較小。隨著作用在頂梁上的水平力逐漸變大，此時支架頂梁和后側(cè)掩護梁鉸接點的作用力也逐漸增加，用于抵消水平力增加對頂梁不穩(wěn)定性的影響。同時水平力的增加也使作用在頂梁上的平衡區(qū)域的合力逐漸移向支架頂梁后側(cè)，使支架最優(yōu)平衡區(qū)域的極限平衡載荷迅速增加。

綜上分析，當回采工作面頂板對液壓支架的頂梁產(chǎn)生指向采空區(qū)域的水平摩擦力時，摩擦力的增加有利于維護液壓支架整體的穩(wěn)定性，同時提高極限承載能力，能夠顯著增加掩護液壓支架頂梁的負載能力，增強對井下頂板結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性，提高井下的支護安全性。

3 結(jié)論

本文針對現(xiàn)有液壓支架工作時對井下環(huán)境適應(yīng)性差、頂梁負載能力不足的問題，在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合掩護式液壓支架的結(jié)構(gòu)特點，利用ADAMS軟件對支架頂梁在不同受力特性條件下頂梁的負載特性進行了分析，結(jié)果表明：

1）掩護式液壓支架頂梁極限負載的平衡特性曲線呈現(xiàn)為漸進的雙曲線分布，在沿著頂梁的縱向方向上，負載的平衡區(qū)域可分為最佳的負載區(qū)域（Ⅱ區(qū)）、千斤頂拉力作用區(qū)域（Ⅰ區(qū)）以及千斤頂推力作用區(qū)域（Ⅲ區(qū)），其中千斤頂拉力作用區(qū)代表了支架抗頂梁抬頭的能力，千斤頂推力作用區(qū)代表了支架抗頂梁傾斜的能力；

2）綜采工作面煤層頂板對液壓支架的頂梁產(chǎn)生指向采空區(qū)域的水平摩擦力，有利于維護液壓支架整體的穩(wěn)定性，提高極限承載能力，增強對液壓支架對頂板結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性，提高綜采工作面支護安全性。