兩柱式放頂煤液壓支架承載特性及其適應性分析

朱建龍

（山西汾西礦業集團高陽煤礦，山西 孝義 032300）

1 兩柱式放頂煤液壓支架承載特性

1.1 兩柱式放頂煤液壓支架結構特征

兩柱式放頂煤液壓支架被廣泛應用于煤礦支護中，這種支架的類型主要有綜采放頂煤液壓支架以及綜采支架兩種。

兩柱式放頂煤液壓支架的一個重要特征是在上梁和防護梁之間安裝了一個校平千斤頂，可用于調節上板上的載荷位置。當將上板載荷施加到上梁的前端時，推動平衡千斤頂以使上板載荷向后移動。將頂板載荷施加到頂梁的后端時，拉起調平千斤頂以使頂板載荷向前移動。放頂煤支架和綜采支架的結構不同之處在于，放頂煤支架的尾梁具有一套放煤口機制，包括橫梁、橫梁千斤頂、插入板和插入板升降器[1-2]。

1.2 兩柱式放頂煤液壓支架承載特性

某煤礦在42煤層一采區42104綜放工作面使用的綜放采煤工藝，目前準備選擇ZFY18000/25/39D的一種兩柱式放頂煤液壓支架方式，42103工作面目前則準備選擇ZFY12500/25/39D兩柱式的液壓支架方式。依照兩柱式這種放頂煤液壓支架結構本身擁有的優勢去完成力學結構的確認的同時，還需要依照圖1去完成相關分析。其中，ZFY18000和ZFY12500支架在尺寸上的具體參數見表1。

圖1 放頂煤液壓支架力學結構分析圖

表1 ZFY18000和ZFY12500支架主要參數

采用頂梁和掩護梁將其當成隔離體分別針對O1以及O點做其力矩的一種平衡方程，當前頂板所具有的荷載與支架的頂梁上的力相互作用，其作用力Q可用公式（1）表達：

式中：f為頂梁與頂板之間摩擦因數；Z為平衡千斤頂當前斷裂運動的阻力；l為平衡千斤頂和支架之間的動作距離；W為煤和巖石落在掩護梁上的力；c為W對支架動作距離；S為作用力Q當前的作用位置以及與O1形成的距離；lp為立柱針對支架起到的瞬心作用力矩。

因為瞬心位置h/b并不大，所以，1/（1－fh/b）、Ph/bsinα對支架本身所具備的承載能力產生的影響并不是很大，W屬于掩護梁上冒落在煤巖形成的作用力，式（1）顯示出其減少支架自身的承載力，因為掩護梁的角度比較大，所以針對支架承載能力產生的影響并不是很大。因此將式（1）與式（2）能夠簡化成為：

頂板壓力可以作用在立柱的柱窩后邊，平衡千斤頂能夠承擔拉力并提升到最大的Z1，頂板目前壓力主要是在立柱當前的柱窩前側產生，平衡千斤頂所承受壓力最大能夠達到Z2，由式（3）和式（4）可以了解到支架平衡千斤頂拉力以及壓力還有立柱工作上的阻力在最大的時候Q－S曲線其具體的表達式分別為：

根據式（5）—式（7）、上頁表1可得到ZFY12500和ZFY18000兩柱式放頂煤液壓支架承載特性曲線如圖2所示。

圖2 ZFY12500和ZFY18000兩柱式放頂煤液壓支架承載特性曲線

承載特性曲線主要通過2條雙曲線構成，A、B、A'、B'是支架承載范圍內的零界點。當前兩柱式放頂煤液壓支架的承載特性是由平衡千斤頂所具備的結構決定的，其當前的有效承載范圍在頂梁柱窩周圍。ZFY18000兩柱式放頂煤液壓支架有效承載距離在支架頂梁距尾部1.47～1.65 m處，支承寬度為180 mm，而ZFY12500兩柱式放頂煤液壓支架有效承載范圍則在頂梁與尾端支架1.48～1.67 m處，支承寬度為190 mm，此兩種型號支架的承載范圍相同。

1.3 兩柱式放頂煤液壓支架承載特性影響因素

1）支架目前具體的裝配尺寸。支架裝配尺寸一般都是隨著支架本身工作上的阻力不斷提高而提高的。另外，從式（5）和式（6）中可以看出，對于支架當前具備的承載特性產生的影響因素主要是因為支架自身擁有的一種瞬心位置h/b以及立柱和O1點之間是一種垂距的關系。四連桿機構在當前進行裝配的尺寸上產生影響，支架當前瞬心位置h/b其自身的數值產生的變化并不是很大，立柱和O1點之間的垂距lp一樣也會被支架整體尺寸所限制。

2）立柱工作阻力。主要從ZFY12500與ZFY18000兩柱式放頂煤液壓支架所具備的承載特性曲線獲得，立柱工作阻力提高自身有效的承載范圍也會出現一定的轉變，但是承載能力會伴隨著支架立柱當前工作阻力持續的提升而提高[3]。

3）平衡千斤頂需要依照最初和兩柱式平衡千斤頂有關的，針對支架本身承載特性造成影響的相關因素進行研究，兩柱式放頂煤液壓支架有效的承載范圍主要是頂梁柱窩之前和之后100～200 mm處，承載特性曲線形狀能夠保持相同。平衡千斤頂的額定拉力以及工作阻力主要受到油缸尺寸的影響，導致自身的調節能力受到制約。

當前，ZFY18000兩柱式放頂煤液壓支架平衡千斤頂所能夠提供的額定壓力以及工作產生的阻力可以達到2 700 kN和1 500 kN，頂板較大荷載作用在立柱與頂梁鉸接點相對靠近的位置，平衡千斤頂還能夠提高工作中出現的阻力。這可以看出平衡千斤頂目前所能夠提供的阻力對于頂板自身的荷載調節能力會起到制約，平衡千斤頂當前阻力的提升使得支架自身的支撐能力得到提升。這并不是意味著平衡千斤頂本身處于一種似有似無的狀態，從根本上來講，平衡千斤頂以及頂梁還有掩護梁這三者需要保持一種三角關系，最后使掩護梁和頂梁結構達到穩定狀態。

2 結語

對放頂煤液壓支架承載特性及其適應性進行分析可以發現，支架裝配尺寸以及平衡千斤頂能夠改變支架當前有效承載的范圍寬度，立柱工作阻力則會對承載曲線自身的高度產生影響。液壓支架頂梁的承載特性對頂梁的適應性起到了決定性的作用，隨著液壓支架工作阻力的不斷提升，頂板控制能力也得到增強。