兩柱掩護式液壓支架力學性能及適應(yīng)性分析

楊 潔

（晉能控股裝備集團大同裝備制造中央機廠， 山西 大同 037001）

引言

現(xiàn)階段礦井中進行煤炭開采時主要應(yīng)用的液壓支架是四柱支撐掩護式，現(xiàn)場實際應(yīng)用表明，在使用四柱掩護式液壓支架時，會與周圍的深層圍巖相互作用，使前排支撐立柱受力增大、后排支撐立柱受力減小，由于前后排支撐立柱的受力不均勻，導(dǎo)致液壓支架的支撐能力明顯減弱，支護有效強度降低，底座前端對底板的壓力增大，支架的力學性能惡化，嚴重影響礦井的正常開采[1]。因此，提出一種兩柱掩護式液壓支架，通過分析其力學性能，為礦井的正常開采提供依據(jù)。

1 兩柱掩護式液壓支架力學分析

1.1 受力分析

兩柱掩護式液壓支架選用的是正四連桿機構(gòu)，將尾梁連接在掩護梁的下端，通過尾梁千斤頂操縱尾梁，使尾梁在設(shè)計的角度內(nèi)進行擺動，以達到控制尾梁運動的目的。在尾梁千斤頂?shù)膬?nèi)部裝有可伸縮的插板，便于對較大煤塊進行破碎，以實現(xiàn)連續(xù)放煤作業(yè)。

煤炭和矸石會給液壓支架掩護梁一個向下的垂直載荷，同時，也會給掩護梁和尾梁一個水平載荷，為了便于計算，將其簡化成一根整梁，根據(jù)松散介質(zhì)力學原理[2]，掩護梁和尾梁上的載荷q 計算公式為：

式中：α 為整梁與垂直線的夾角；φs為尾梁千斤頂與頂板的夾角。

將掩護梁摘除后，對原點取力矩得到：

式中：l2為插板和尾梁的總長度；P 為尾梁千斤頂?shù)耐屏屠?；l1為尾梁千斤頂鉸接端與原點之間的距離；α2為尾梁千斤頂與l3之間的夾角；l3為尾梁千斤頂鉸接端與尾梁之間的垂直距離。

1.2 支架工作阻力的確定

在正常狀態(tài)下，基本頂?shù)臄嗔讯及l(fā)生在超前工作面，斷裂后基本頂?shù)倪\動狀態(tài)和礦巖壓力分布情況都會直接影響礦壓監(jiān)測結(jié)果，且斷裂后會由于頂板自身的力學特性形成一定的回轉(zhuǎn)角度，因此，建立圍巖的整體力學模型[3]，如圖1 所示。圖1 中，K0為直接頂?shù)母叨认禂?shù)，θ2為α 與θ 差值。

圖1 圍巖力學模型

基本頂在發(fā)生斷裂后，會形成砌體梁，根據(jù)支架的采高、基本頂?shù)牧W性能以及充填體的結(jié)構(gòu)剛性來判斷整梁的受力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)特性。由于最早的巖層斷裂都是從煤壁內(nèi)部開始，通過不斷的回轉(zhuǎn)運動使頂板結(jié)構(gòu)達到穩(wěn)定，根據(jù)頂板斷裂角計算支護強度，進而計算出直接頂?shù)母叨?。液壓支架的受力主要是來自頂煤和直接頂自身的質(zhì)量，以及基本頂在回轉(zhuǎn)時對直接頂擠壓所產(chǎn)生的力，為了確保液壓支架的安全，液壓支架的載荷因子為3。

2 現(xiàn)場試驗

采用壓力流量記錄儀來觀測每個液壓支架的工作阻力，在工作面上共布置8 臺分機，在前中部、后中部和機尾上各安裝2 臺，每臺分機負責測量一組液壓支架上2 根立柱的阻力。

2.1 頂板來壓觀測結(jié)果

在工作面連續(xù)推進6 m 時，直接頂首次出現(xiàn)較大面積的垮落，垮落步距為5 m，根據(jù)煤壁和液壓支架的運動狀態(tài)，基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄酁?0 m，觀察每個工作周期內(nèi)液壓支架的工作阻力，得到結(jié)果如表1 所示。

表1 液壓支架工作阻力

從表1 中可以看出，液壓支架的平均最大阻力為3670 kN，平均工作阻力為2528 kN。周期來壓最大步距為14 m，最小步距為10 m。

2.2 支架支護阻力的頻率分布

對液壓支架的初撐力進行監(jiān)測，得到分布直方圖，如圖2 所示。從圖2 中可以看出，液壓支架的初撐力整體呈一個正態(tài)分布，最大初撐力為2932 kN，每架液壓支架的平均初撐力為1677 kN。

圖2 液壓支架初撐力分布直方圖

對液壓支架的工作阻力進行監(jiān)測，得到分布直方圖，如圖3 所示。從圖3 中可以看出，液壓支架的工作阻力整體呈一個正態(tài)分布，最大工作阻力為4140 kN，每架液壓支架的平均工作阻力為2716 kN。

圖3 液壓支架工作阻力分布直方圖

2.3 工作面端面頂板破碎度

通過現(xiàn)場觀測，工作面的頂板狀況良好，頂點與支架頂梁端的距離為0，支架頂梁與煤壁的平均距離為230 mm，煤壁片幫深度平均為150 mm，沒有發(fā)現(xiàn)頂板冒落情況，頂板沒有出現(xiàn)破碎。

3 兩柱掩護式液壓支架適應(yīng)性分析

3.1 初撐力分析

根據(jù)觀測的液壓支架初撐力可以看出，充液升柱的時間過短，導(dǎo)致泵站內(nèi)壓力不足，因此，在實際操作過程中，要注意增加充液升柱的時間，確保泵站壓力達到31.5 MPa，同時要注意提高操作閥以及配液閥的流量。

3.2 工作阻力分析

根據(jù)觀測的液壓支架工作阻力可以看出，在來壓期間，液壓支架的工作阻力能滿足頂板控制要求。

3.3 支護強度分析

兩柱掩護式液壓支架的支護設(shè)計強度為0.72MPa，工作面頂板的載荷強度為0.42 MPa，說明設(shè)計的支護能力滿足實際需要。

3.4 結(jié)構(gòu)分析

兩柱掩護式液壓支架采用整體頂梁，設(shè)置單側(cè)護板，結(jié)構(gòu)比較簡單可靠，頂梁端的支撐力較大。液壓支架的底座采用分體底座，中檔前端與底板連接，可以減少底座前端的壓力。同時，采用雙伸縮立柱，方便調(diào)節(jié)支架高度，設(shè)置2 個平衡千斤頂，增大支架的調(diào)節(jié)力矩，使支架能適應(yīng)頂板的變化[4]。

3.5 力學分析

采用兩柱單排支撐，在2 個千斤頂作用下，支撐合力偏向煤壁處，推力逐漸向負載中心前移，頂板的支撐區(qū)域減少，底板受到的壓力前移，但兩柱掩護式液壓支架能夠?qū)崿F(xiàn)向不同方向提升底座，從而減少底座因超負載而出現(xiàn)的鉆底現(xiàn)象，防止頂板出現(xiàn)早期離層，保護頂板的完整性。同時，千斤頂可以調(diào)節(jié)合力的作用點位置，增強支架的適應(yīng)性。

4 結(jié)論

針對開采過程中液壓支架的支護能力弱、煤壁片幫和冒頂?shù)葐栴}，提出一種兩柱掩護式液壓支架，通過分析其力學性能，研究礦山壓力特點，并對兩柱掩護式液壓支架的適應(yīng)性進行評價，結(jié)果如下：

1）兩柱掩護式液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，每架液壓支架的平均初撐力為1677 kN，最大初撐力為2932 kN，平均工作阻力為2716 kN，最大工作阻力為4140 kN，且頂板沒有出現(xiàn)冒裂和破碎現(xiàn)象。

2）進行實際現(xiàn)場觀測，結(jié)果表明，兩柱掩護式液壓支架的工作阻力能滿足頂板控制要求，支護能力能滿足實際開采需要，液壓支架能適應(yīng)頂板的變化。