液壓支架超前支護(hù)優(yōu)化設(shè)計

葛 帆

（晉能控股裝備制造集團(tuán)大同機(jī)電裝備有限公司中央機(jī)廠， 山西 大同 037000）

引言

隨著綜采工作面推進(jìn)技術(shù)與生產(chǎn)能力的不斷提高，大范圍的掘進(jìn)區(qū)使得快速支護(hù)技術(shù)成為企業(yè)高效、安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。我國礦井圍巖頂板大多破碎程度較高，屬于中等穩(wěn)定或者不穩(wěn)定型頂板，因此巷道支護(hù)安全成為煤炭企業(yè)發(fā)展的重要因素之一[1-5]。統(tǒng)計表明，因超前支護(hù)技術(shù)不成熟而造成的冒頂事故占整體掘進(jìn)事故的81%，20%以上的死亡事故為頂板事故。針對這一現(xiàn)象，本文提出了巷道液壓支架超前支護(hù)技術(shù)，配合高速發(fā)展的掘進(jìn)技術(shù)，以對巷道圍巖及時維護(hù)，防止冒頂事故的發(fā)生，提高企業(yè)生產(chǎn)安全性，提高企業(yè)生產(chǎn)效率。

1 巷道液壓支架超前支護(hù)總體設(shè)計

超前支護(hù)液壓支架主要分為執(zhí)行構(gòu)件、控制部件、承載部件、輔助部件和動力供應(yīng)部件五部分。其中，執(zhí)行構(gòu)件包括千斤頂與立柱等部件，控制部件包括安全閥等各類閥門與液壓、電控等元件，承載部件主要有前探梁、頂梁、底座及側(cè)護(hù)板等，輔助部件主要有聯(lián)接元件和相關(guān)推移構(gòu)件，動力供應(yīng)部件主要包括管路及泵站等。本文將以XXX 煤礦為例進(jìn)行設(shè)計分析。

本設(shè)計中的液壓支架主要在矩形斷面和梯形平巷中應(yīng)用，有前架和后架兩部分，與巷道平行布置。巷道超前支護(hù)液壓支架的具體結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。該設(shè)計所留空間充足，掘進(jìn)設(shè)備布置空間大，且通風(fēng)效果較好，既可保證人員安全，又可使煤炭生產(chǎn)作業(yè)方便高效。

圖1 巷道超前支護(hù)液壓支架結(jié)構(gòu)

2 巷道液壓支架超前支護(hù)參數(shù)確定

2.1 液壓支架支護(hù)強度

支護(hù)強度是液壓支架超前支護(hù)技術(shù)的重要設(shè)計參數(shù)，是液壓支架超前支護(hù)技術(shù)頂板支撐能力的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。本設(shè)計擬采用自然平衡拱理論進(jìn)行支護(hù)強度參數(shù)設(shè)計，其具體要求為：圍巖經(jīng)切割后雖是松散巖體但仍有黏結(jié)力；硐室經(jīng)挖掘后可形成自然平衡拱，硐頂壓力主要為自然平衡拱自重；液壓支架超前支護(hù)技術(shù)支護(hù)強度計算公式為：

式中：q 為支護(hù)強度，MPa；γ 為巖層平均容重，t/m3；b為潛在冒落高度，m。

經(jīng)實測分析，潛在冒落高度b 為5 m，巖層平均容重γ 為0.025 t/m3，故支護(hù)強度q 為0.125 MPa。

2.2 立柱參數(shù)

立柱的缸徑是影響工作阻力主要影響參數(shù)，其計算公式為：

式中：D 為立柱缸徑，mm；F 為支護(hù)阻力，kN；n 為立柱數(shù)量；P 為安全閥壓力，MPa；α 為立柱傾角，（°）。

經(jīng)實測分析，理論支護(hù)阻力為2587.5×103kN，立柱數(shù)量為4，安全閥壓力為40.5 MPa，立柱傾角為90°。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（2）可得：D=142.6 mm。

3 巷道液壓支架超前支護(hù)主要構(gòu)件設(shè)計

3.1 頂梁

頂梁是液壓支架的主要承載部件，其與頂板接觸，主要由鋼板組成。通常情況下，頂梁會通過增加加強筋板的方法對頂梁剛度進(jìn)行加強，加強筋板還可與上下蓋板形成封閉框架，使其結(jié)構(gòu)更加牢固。頂梁結(jié)構(gòu)主要包括整體頂梁、鉸接頂梁、楔形頂梁三種。由于巷道液壓支架超前支護(hù)技術(shù)主要用于巷道的臨時支護(hù)，起到防止空頂?shù)淖饔?，具有防護(hù)面積大、可靠性要求高等特點，故選用整體頂梁的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計。整體梁結(jié)構(gòu)支護(hù)強度大，可采用多腔室對稱形式，對人員與設(shè)備安全保障可靠性較高。為配合錨網(wǎng)支護(hù)、增強鋪網(wǎng)功能，本設(shè)計在后架頂梁設(shè)計了方形空洞，以便后續(xù)鉆孔打錨桿工作順利有序進(jìn)行。巷道液壓支架超前支護(hù)頂梁具體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2 所示。

圖2 巷道液壓支架超前支護(hù)頂梁結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 底座

底座是承載頂板壓力與支架自重的重要承載構(gòu)件，其還有穩(wěn)固立柱與支護(hù)設(shè)備的作用。在巷道液壓支架超前支護(hù)技術(shù)中，底座的設(shè)計必須保證液壓支架整體的剛度、強度及支架穩(wěn)定性。巷道液壓支架超前支護(hù)主要應(yīng)用于巷道掘進(jìn)，故底座設(shè)計應(yīng)保留較大的空間使掘進(jìn)機(jī)方便作業(yè)。還應(yīng)盡量增大底板與底座的接觸面積，減小接觸比，從而控制推架阻力。此外，還應(yīng)合理分布底板比壓，前端比壓應(yīng)適當(dāng)減小，減小阻力，防止扎底現(xiàn)象。常見的底座結(jié)構(gòu)包括底靴式、對分式和整體式三種。由于本設(shè)計需與掘進(jìn)機(jī)作業(yè)相互配合，且有較大的空間要求，故本文選擇左右對分式結(jié)構(gòu)設(shè)計。其具體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3 所示。

圖3 底座結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 推移結(jié)構(gòu)

由于巷道液壓支架超前支護(hù)是配合掘進(jìn)作業(yè)使用的，故巷道液壓支架超前支護(hù)需隨著掘進(jìn)作業(yè)不斷遷移。為提高液壓支架的自動化程度，提高工作效率，降低企業(yè)成本，本設(shè)計提出由液壓油缸進(jìn)行液壓支架自移控制，通過千斤頂?shù)纳斐雠c收縮實現(xiàn)推移結(jié)構(gòu)前進(jìn)，完成自動化設(shè)計。推移結(jié)構(gòu)一般包括間接式與直接式兩種，由于液壓支架設(shè)計需移動快速、支護(hù)及時，故選擇直接式推移結(jié)構(gòu)。其具體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4 所示。

圖4 推移結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 液壓油缸

在巷道液壓支架超前支護(hù)設(shè)計中，還需要對千斤頂、立柱等進(jìn)行設(shè)計選型，但其實際上都屬于液壓缸范疇，故通過對液壓缸設(shè)計可以完成千斤頂、立柱的設(shè)計。市場上的液壓缸種類較多、形式各不一樣，按結(jié)構(gòu)與作用可分為單作用、雙作用及伸縮式液壓缸三種。由于巷道液壓支架超前支護(hù)技術(shù)對立柱伸縮臂要求較低，故選用單伸縮雙作用式的活塞立柱，該立柱可滿足設(shè)計要求且安全穩(wěn)定性高，成本也相對較低。為保證動作可靠性，千斤頂液壓缸選用單伸縮雙作用液壓缸。

4 巷道液壓支架超前支護(hù)試驗分析

將巷道超前支護(hù)液壓支架按上述設(shè)計進(jìn)行拼裝組合并進(jìn)行相應(yīng)試驗后發(fā)現(xiàn)，巷道超前支護(hù)液壓支架底座與頂梁受力良好，剛度與穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求。將液壓支架應(yīng)用于井下支護(hù)后，推移裝置運行正常，與掘進(jìn)設(shè)備配合較好，在半年時間內(nèi)，支護(hù)設(shè)備未發(fā)生相關(guān)事故，可應(yīng)用于實際生產(chǎn)中。

5 結(jié)論

巷道掘進(jìn)工作面一直是井下事故頻發(fā)的重災(zāi)區(qū)，其最主要的原因是企業(yè)超前支護(hù)技術(shù)尚不完善，存在較大的技術(shù)安全漏洞。針對這一現(xiàn)象，本文運用巷道液壓支架超前支護(hù)技術(shù)對其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，通過設(shè)計試驗得到了以下結(jié)論：

1）巷道超前支護(hù)液壓支架支護(hù)強度可依據(jù)自然平衡拱理論進(jìn)行強度分析，確定本設(shè)計支護(hù)強度為0.125 MPa。

2）通過對液壓支架各部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計與選型分析，最終可確定液壓支架的整體結(jié)構(gòu)，經(jīng)測試試驗后發(fā)現(xiàn)，液壓支架部件受力良好，剛度與穩(wěn)定性符合設(shè)計要求，推移裝置運行正常，支架系統(tǒng)試驗半年未發(fā)生相關(guān)事故，符合相關(guān)設(shè)計要求。