綜采面回撤三角區(qū)支護裝備的研制與應(yīng)用

原長鎖，鄭毅

（1.國家能源集團神東煤炭集團，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017209；2.中國煤炭科工集團太原研究院，山西太原030006；3.山西天地煤機裝備有限公司，山西 太原030006）

0 引言

我國政府工作報告明確提出要扎實做好“碳達峰”、“碳中和”各項工作，重點指出“十四五”是碳達峰的關(guān)鍵期、窗口期，要構(gòu)建清潔、低碳、安全高效的能源體系，控制化石能源總量，著力提高利用效能。這也就意味著對煤炭生產(chǎn)效率和消費指標提出了更高的要求，在綠色智能礦山建設(shè)的基調(diào)下，如何逐步實現(xiàn)去人化生產(chǎn)理念成為煤炭生產(chǎn)的發(fā)展趨勢。 其中，綜采工藝作為煤炭生產(chǎn)的主要方式，提升綜采設(shè)備快速搬家效率是保證綜采工作面生產(chǎn)效率的重要環(huán)節(jié)之一。

煤礦綜采工作面液壓支架回撤過程中，回撤三角區(qū)空頂面積大，上覆巖層運移劇烈，頂板較為破碎，臨近老塘承受不同方向的集中應(yīng)力。 傳統(tǒng)的三角區(qū)支護方式是人工搬運物料，搭建木垛框架配合單體立柱進行支護， 造成耗材嚴重、勞動強度大、支護效果差，支護安全無法保證[1-3]。

本文針對上述綜采回撤三角區(qū)支護問題，研制了一種機械化自移式三角區(qū)支護裝備，并對支護裝備關(guān)鍵承力執(zhí)行部件進行了仿真計算分析，確保支護裝備能夠有效滿足三角區(qū)支護強度，保證支護安全可靠性，助力綜采工作面快速安全回撤。

1 回撤工藝

神東礦井綜采工作面液壓支架回撤的傳統(tǒng)方式是采用內(nèi)外輔巷多通道快速回撤工藝：回撤前在綜采工作面停采線平行位置開設(shè)兩條通道，一條是回撤用的主通道， 另一條是輔助運輸通道，兩條通道間每隔50 米開設(shè)聯(lián)絡(luò)巷，完成準備工作后，回撤液壓支架采用“抽芯”方式進行，即先從工作面中部一聯(lián)巷處將正對聯(lián)絡(luò)巷的綜采液壓支架撤出后，分別向兩個方向進行液壓支架的回撤，液壓支架撤出后，利用木垛對支架撤出后的頂板進行臨時支護，再進行下一組支架的回撤，以此往復(fù)完成整個工作面液壓支架的回撤工作， 在這個過程中需要消耗大量的人力物力，且安全性很差，存在來壓冒頂?shù)任ｋU情況。

本文研制的三角區(qū)支護裝備布置方式如圖1 所示，采用三架一組方式，平行布置于回撤主巷道方向，革新原有的“抽芯”方式，采用順序回撤方式，即隨著綜采液壓支架的陸續(xù)撤出，三角區(qū)支護裝置自移跟隨，及時支護空頂。

圖1 三角區(qū)支護裝備布置圖

2 三角區(qū)支護裝備設(shè)計

本文主要針對神東礦井高度在2.1～3.2 米的綜采面主回撤通道， 設(shè)計相應(yīng)的三角區(qū)支護裝備，根據(jù)回撤工藝，結(jié)合回撤過程中頂板跨落形態(tài)， 確定三角區(qū)支護裝備由三臺支護高度為1800～3500 mm 的液壓支架組成，如圖2 所示，支架采用兩柱掩護式型式，包括頂梁、底座、四連桿機構(gòu)、推移機構(gòu)等。

圖2 三角區(qū)支護裝備

三角區(qū)支護裝備的支護強度和工作面頂板性質(zhì)以及煤層的厚度有直接的關(guān)系，支護強度計算依據(jù)經(jīng)驗公式進行估算[4-6]：

q=KHρ

式中 q——支護強度

K——巖石系數(shù)

H——工作面煤層高度

ρ——巖石密度

支護強度決定了三角區(qū)支護裝備的理論工作阻力，根據(jù)計算公式

P=qF

式中 P——理論工作阻力

F——液壓支架的支護面積

F=LK

L——液壓支架支護長度

K——支護巷道寬度

根據(jù)神東礦井的地質(zhì)、巷道調(diào)研情況，結(jié)合實際工況，將計算參數(shù)代入以上公式，經(jīng)過計算得到理論工作阻力P=9569 kN。

考慮到三角區(qū)支護裝備的支架型式， 工作阻力受到立柱傾角影響， 計算的理論工作阻力往往小于設(shè)計工作阻力， 引入支架理論工作阻力和設(shè)計工作阻力之比η，即支撐效率，根據(jù)經(jīng)驗一般取80%， 由此得到液壓支架的設(shè)計工作阻力為P設(shè)=11961 kN，圓整后，設(shè)定三角區(qū)支護裝備單個液壓支架的工作阻力為12000 kN。

液壓支架的工作阻力確定后，需要確定液壓支架的初撐力，即乳化液泵站輸入液壓支架的高壓液體產(chǎn)生的支撐力，合理的初撐力能有效接觸巷道頂板， 便于頂板來壓時快速達到工作阻力，有利于防止巷道頂板過早離層下降，維持頂板穩(wěn)定性，初撐力一般約為工作阻力的75%，根據(jù)工作阻力，結(jié)合配套立柱，設(shè)定單個液壓支架的初撐力[7-8]為8720 kN。

根據(jù)計算結(jié)果，設(shè)計的三角區(qū)支護裝備技術(shù)參數(shù)如下：

組合型式：三架一組；掩護式支架。

升降高度：1800～3500 mm

初撐力：8720 kN

工作阻力：12000 kN

立柱規(guī)格：?420/?390/?290/?270 mm

3 關(guān)鍵承載執(zhí)行部件有限元分析

三角區(qū)支護裝備主要用于承載頂板，維護工作空間的安全性，主要的承載執(zhí)行部件是指能夠執(zhí)行支架支撐動作使之產(chǎn)生動力的立柱。立柱整個動作過程分三個階段：初撐階段、承載階段和卸載階段。其中承載階段分為增阻和恒阻兩個階段，恒阻階段一般是整個支架的工作常態(tài)，即立柱工作時間最長的一個階段，立柱處于恒阻狀態(tài)下的受力情況直接影響到整個支架的承載工作狀態(tài)，因此本文對三角區(qū)支護裝備的關(guān)鍵承載執(zhí)行部件——立柱進行主要研究[9]。

對于立柱的研究主要采用有限元分析方法，其原理是將求解目標看作多個小型單元，通過對每個小型單元計算求解推導(dǎo)到整個求解目標總體， 用有限數(shù)量的未知量逼近真實的無限未知量，從而得到目標問題的近似解。

SolidWorks是一款集建模、 仿真和分析的綜合性仿真軟件， 利用SolidWorks 建立立柱模型，如圖3 所示。 立柱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且附加件多，對整體計算結(jié)果影響小，立柱整體是對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計， 為了便于計算通常需要將其簡化，簡化后的模型主要包括立柱外缸體、中缸體和活柱體結(jié)構(gòu)，且將立柱的有限元分析模型簡化成原模型的一半，為了驗證立柱極端受力情況，將模型中立柱的全部活塞桿伸出， 并在SolidWorks Simulation劃分有限元模型網(wǎng)格，如圖4 所示。

圖3 立柱模型

圖4 立柱模型網(wǎng)格劃分

完成立柱有限元模型的網(wǎng)格劃分后，要附加模型材料，設(shè)置約束條件和載荷，本文考慮到三角區(qū)的惡劣工況，選擇立柱的結(jié)構(gòu)材料為30CrMnSi，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。鑒于模型是立柱的1/2，立柱在恒阻狀態(tài)下， 立柱缸底和活柱頂部處于固定狀態(tài)，因此需要對立柱模型的對稱面、缸底和活柱頂部設(shè)置固定約束，在立柱外缸和中缸內(nèi)表面附加均勻壓力，外缸設(shè)置1.5 倍工作壓力65MPa，鑒于中缸受力面積和外缸受力面積比為1：1.45，因此設(shè)置中缸工作壓力為94MPa，至此，有限元分析的準備工作全部設(shè)置完成。

表1 材料屬性表

完成準備工作后，運行算例，分析結(jié)果得到立柱模型的等效應(yīng)力云圖（見圖5）和位移云圖（見圖6），從結(jié)果顯示中看到，立柱的最大等效應(yīng)力為524 MPa，小于材料的屈服力885 MPa，根據(jù)Mises 第四強度理論校核， 此項驗算合格，位移結(jié)果為0.78 mm，最大位移處發(fā)生在外缸中部，符合設(shè)計要求， 表明液壓支架的承載執(zhí)行部件——立柱在結(jié)構(gòu)設(shè)計和選材上符合使用要求，利用有限元分析成功驗算了立柱特性。

圖5 立柱應(yīng)力云圖

圖6 立柱位移云圖

4 結(jié)語

綜采面回撤三角區(qū)支護裝備的成功研制，革新了傳統(tǒng)回撤工藝，替代木垛支護，節(jié)省了大量的人力物力， 已在神東礦井得到大量推廣使用，實現(xiàn)了回撤三角區(qū)頂板全機械支護，取得了可觀的社會效益和經(jīng)濟效益。

設(shè)計過程中，對三角區(qū)支護裝備的關(guān)鍵承載執(zhí)行部件進行了有限元分析， 模擬使用工況，校核設(shè)計計算結(jié)果，并在應(yīng)用中得到了驗證，與傳統(tǒng)設(shè)計方法相比，提高了設(shè)計效率，降低了生產(chǎn)成本，為同類元部件的設(shè)計校核提供了相關(guān)參考價值。