基于大采高液壓支架的優(yōu)化設(shè)計

李夢晗程延海王 富潘家保

（1.中國礦業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.鄭州四維機電設(shè)備有限公司，河南 鄭州 450001）

前言

液壓支架是煤礦綜采的主要設(shè)備之一。其投資約占綜采裝備總投資額的60%以上。它的作用主要是支護(hù)采場頂板，維護(hù)安全作業(yè)空間，推移工作面采運設(shè)備。在我國煤炭資源中，厚煤層及特厚煤層儲量約占總儲量的45.6%，厚煤層及特厚煤層原煤產(chǎn)量占到了全部產(chǎn)量的44.8%。華北、東北、華中和西北十三大煤炭基地的主采煤層多屬厚煤層及特厚煤層，因此厚煤層及特厚的開采在我國煤炭生產(chǎn)中占有十分重要的地位。其中，大采高液壓支架是厚煤層綜采的關(guān)鍵設(shè)備。有效的采場支護(hù)是大采高工作面安全生產(chǎn)的前提條件，大采高液壓支架的穩(wěn)定性、適應(yīng)性、可靠性是決定大采高成敗的關(guān)鍵因素。由于大采高液壓支架比一般支架受力更為復(fù)雜，對設(shè)計、制造和使用的技術(shù)要求高。它的性能和結(jié)構(gòu)的可靠性以及對工作環(huán)境的適應(yīng)性將影響整個綜采工作面的安全生產(chǎn)。因此，設(shè)計一套合理的大采高液壓支架對厚煤層開采有重要的意義。本文針對大采高液壓支架的工作特點，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研所得數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，總結(jié)淺埋煤層大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，利用ANSYS有限元分析軟件對大采高液壓支架進(jìn)行強度分析，在此基礎(chǔ)上，對其頂梁柱帽和底座柱窩處出現(xiàn)開裂、掩護(hù)梁腹板處開裂、支架漏矸，危害作業(yè)安全、底座前端扎底，推溜移架困難、平衡千斤頂損壞等常見情況在設(shè)計上做出了改進(jìn)措施。優(yōu)化了載能力，保證了合理足夠的安全系數(shù)，改善了大采高液壓支架的穩(wěn)定性和可靠性。

1淺埋煤層大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及大采高液壓支架存在的問題

淺埋煤層長壁工作面礦壓顯現(xiàn)的突出特點是頂板基巖沿全厚切落。來壓期間有明顯的頂板臺階下沉，來壓時間短，動載明顯。同時，從采場支護(hù)阻力影響因素可知，淺埋煤層工作面頂板壓力隨采高的增大而減少，隨直接頂厚度的增大而增大，隨推進(jìn)速度的加快而減小。在一定程度上，加大采高和加快推進(jìn)速度是淺埋煤層長壁開采工作面巖層控制的經(jīng)濟而有效的途徑。從工作面的觀測數(shù)據(jù)也可以發(fā)現(xiàn)，保持較高的初撐力和工作阻力能夠維持頂板穩(wěn)定，控制頂板臺階下沉。

大采高液壓支架的特殊礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，使其在使用過程中常出現(xiàn)的問題有，頂梁柱帽和底座柱窩處出現(xiàn)開裂、掩護(hù)梁腹板處開裂、支架漏矸，危害作業(yè)安全、底座前端扎底，推溜移架困難、平衡千斤頂損壞。

2大采高液壓支架的設(shè)計改進(jìn)措施

2.1 支架橫向穩(wěn)定性

由于支架高寬比過大，加之零部件間隙過大，當(dāng)使用在傾角大于12°左右的煤層時，形成支架頂梁組件向支架頂、底面垂直線的傾斜下方嚴(yán)重偏移，受載后使支架零部件損壞、甚至傾倒。這種削弱的穩(wěn)定性容易造成下列問題：（1）支架傾倒、支撐效果不佳；（2）支架受力惡劣、承載能力下降；（3）頂板管理困難。

頂梁橫向偏移后的支架受力情況如圖1及圖2所示，可以看出，（1）合力作用點偏移，對支架中心的力矩為：M1=FΔ；（2）橫向摩擦力fF對支架產(chǎn)生力矩M2=fFH，對頂梁、底座等產(chǎn)生橫向彎曲，而掩護(hù)梁、前后連桿受扭曲；（3）附加力矩M對頂梁、掩護(hù)梁及立柱產(chǎn)生橫向彎曲，且使前后連桿受力增大；使立柱及連桿等結(jié)構(gòu)件