8.8 m大采高工作面液壓支架穩定性分析及控制方案研究

李 飛,劉混舉

(1.太原理工大學 機械工程學院,太原 030024;2.神華神東煤炭集團 布爾臺煤礦,陜西 神木 719300)

液壓支架的穩定性是8.8 m大采高工作面安全開采的基礎,其對煤礦安全開采有著決定性的影響[1]。對8.8 m大采高工作面液壓支架的穩定性進行研究時,可以將單架穩定性作為研究對象,影響單架穩定性的因素有很多,例如:加載工況、銷軸間隙,底座寬度、工作面傾角,重心位置、工作高度和初撐力等。在眾多影響因素中,工作高度和工作面傾角的影響尤為突出,同時還間接影響著其它的因素。因此,8.8 m大采高工作面支架的穩定性是一個非常重要且值得研究的問題。

本文通過對液壓支架的橫向穩定性、縱向穩定性和煤壁穩定性進行研究,采用理論研究與仿真分析相結合的方法對各因素對穩定性的具體影響進行分析,最后根據分析結果提出支架穩定性的控制方案。

1 液壓支架的穩定性因素分析

1.1 大采高支架橫向穩定性問題的分析

由于支架各部件的連接方式為銷軸連接,在軸向和徑向銷孔配合不可避免地存在間隙。不論工況條件如何,支架可能出現一定程度的扭轉、傾斜,甚至出現倒架現象[2]。

因為支架部件銷軸間存在徑向間隙和軸向間隙,所以支架的最大歪斜角為:

(1)

式中:a為耳板寬度,mm;b為連接寬度,mm;d為銷軸直徑,mm;D為孔直徑,mm。

因為前連桿和底座的連接銷軸存在著間隙,所以前連桿在橫向的位移距離可用式(2)計算。

Δlq=lqsinαq.

(2)

式中:Δlq為前連桿在橫向的位移距離,mm;αq為前連桿最大歪斜角,(°);lq為前連桿的長度,mm。

因為后連桿和底座的銷軸連接存在著間隙,所以后連桿在橫向的位移距離可由式(3)計算。

Δlh=lhsinαh.

(3)

式中:Δlh為前連桿在橫向的位移距離,mm;αh為前連桿最大歪斜角,(°);lh為前連桿的長度,mm。

因為掩護梁、前連桿和后連桿均可能出現歪斜現象,所以頂梁也可能在橫向出現偏移現象。圖1為液壓支架連桿受力分析圖。

圖1 液壓支架連桿受力分析圖Fig.1 Linkage force analysis of hydraulic support

從圖1可以看出,如果前連桿和后連桿在橫向的位移距離比較接近,那么頂梁在橫向的最大偏移距離可由式(4)計算。

(4)

式中:L1為前后連桿與掩護梁鉸點距離,mm;L2為掩護梁長度,mm。

根據上述公式分析可知,最大單向偏移距離與銷孔最大間距成反比例關系。

支架最大單向偏移距離隨著銷孔間隙的減小而下降。間隙越大,最大單向偏移距離就越大。由此可見,減小銷孔間的距離是提高大采高支架的橫向穩定性最有效的措施之一。減小銷孔間的距離對加工精度有更高的要求,在現階段國內的加工條件下,該技術要求完全可以實現。

1.2 大采高支架縱向穩定性分析

如果支架承受的力有縱向水平摩擦力,則底座比壓與支架外載荷的合力作用位置必然發生變化,尤其是當支架承受向前的縱向水平力時,將引起底座合力作用點前移。支架高度變化大,合力作用點位置變化也大[3]?？v向水平力方向向前和向后時,底座合力作用點位置與支架高度密切相關。隨著支架高度增大,當縱向水平力向前時,底座合力作用點逐漸超過底座前端,使支架傾倒,引起支架縱向失穩。對于大采高液壓支架,為了其縱向穩定性得到保證,設計四連桿時,應使頂梁運動軌跡雙紐線自上而下為朝向采面傾斜的曲線,在支架承載下降時,使頂梁可能向前滑動,摩擦力的方向一直不變,為采空區方向,所以縱向水平力一直向后,達到保證支架穩定的目的。

1.3 大采高工作面煤壁穩定性分析

由于在采空區方向工作面煤壁存在無阻力不受控制的自由面,所以平面應變是其力學分析簡化的最佳模型[4]。當工作面煤壁采用仰斜開采方式時,則式(5)為片幫煤的重力W計算公式,式(6)為其重力形成的下滑力TW的計算公式。

(5)

式中:β為片幫滑落面與頂板的夾角,(°);γ為護幫力與煤壁的夾角,(°);H為液壓支架支護高度,mm。

TW=Wcos(90°-α-β) .

(6)

式中:α為煤層傾角,(°)。

由式(6)可知,α對下滑力的大小有非常大的影響,如果α由俯斜7°變為仰斜7°,其下滑力將增大約一倍。如果工作環境為大采高工作面,通常來講,俯斜開采是最常用的開采方式,有利于工作面片幫的減少。

煤的重量形成的摩擦力FW為:

FW=fWsin(90°-α-β) .

(7)

式中:f為摩擦系數。

護幫力在滑面形成的摩擦力FP為:

Fp=fPcos(γ+α+β) .

(8)

式中:P為液壓支架互幫力,kN。

護幫力在滑面形成的下滑力TP為:

Tp=Psin(γ+α+β) .

(9)

片幫煤不滑落的條件如式(10)所示

TW=Fw+Tp+Fp.

(10)

由式(10)可知,護幫力越大,大面積片幫的可能性就越小。所以,增大互幫力和增加互幫面積是提高支架煤壁穩定性非常有效的措施之一。

2 液壓支架運動穩定性仿真研究

運用動力學仿真軟件Recurdyn對8.8 m高液壓支架進行動力學仿真分析,首先運用Proe進行液壓支架建模,全部升起高度為8.8 m,整機長度為10.6 m,架寬2.25 m,全部縮放為4.0 m。

將建好模型導入到仿真軟件Recurdyn中,在兩個立柱處施加5 s～10 s全部縮放的驅動,在頂板及側板鏈接處施加0～1 s回縮驅動,在前擋板處施加7 s～10 s回縮驅動,如圖2所示。

近年來，國內許多學者對校園貸問題進行過相關研究[2-6]．然而，現有文獻大都是對校園貸問題進行定性研究，對校園貸問題進行定量研究還較少．雖然陳倩[7]在Logistic模型的基礎上完成了對校園貸的分析，但所選取的指標較少．

圖2 液壓支架仿真模型Fig.2 Simulation model of hydraulic support

同時在各個連接處施加橫向轉動約束,在兩柱之間施加固定約束,在底板和大地處施加固定約束,在連接刮板運輸機處施加0～5 s的回縮驅動,由此實現液壓支架的降架。如圖3所示。

圖3 液壓支架降架過程Fig.3 Descending process of hydraulic support

在兩立柱間添加固定約束,10 s～20 s處在兩柱間添加驅動使其上升,在17 s～20 s處在前擋板添加使前擋板回縮的平移驅動,在頂梁和側梁處添加收縮平移驅動,在連接刮板運輸機處添加伸出平移驅動,完成支架的升起,如圖4所示。同時,在頂梁及側梁處添加10 t的壓力。

圖4 液壓支架升架過程Fig.4 Ascending process of hydraulic support

完成支架的約束及驅動和載荷的添加后,進行仿真,仿真時間為20 s,步數為300步,得到液壓支架在升降過程中所走過的軌跡曲線圖,如圖5所示。

圖5 液壓支架升降過程軌跡曲線Fig.5 Ascending and descending trajectories of hydraulic support

在縱向,支架向煤壁及采空區傾倒的滑移模塊如圖6所示,其主要受的力有:支架支撐力用Q表示,頂板的摩擦力用F1表示,支架的重力用W表示,作用在頂梁巖石的的重力用P表示,底板的摩擦力用F2表示,摩擦系數用f表示,縱向傾角用β表示。作用點Q的坐標用(e,h)表示, 作用點P的坐標用(r,h)表示,自重W作用點坐標用(xc,zc)表示,通常,r< 0,e> 0。

圖6 支架縱向受力模型Fig.6 Longitudinal force model of hydraulic support

在縱向,支架可能朝著煤壁方向發生傾倒,如圖6-1所示,避免傾倒的條件是關于O 點的傾倒力矩小于抗傾倒力矩,即

Qe+Wxccosβ+F1h≥Wzcsinβ+Phsinβ-Prcosβ.

(11)

在縱向,支架可能朝著采空區方向發生傾倒,如圖6-2所示,避免發生傾倒的條件為傾倒力矩小于抗傾力矩,即

Q(l6-e)+W(l6-xc)cosβ+F1h+P(l6-r)cosβ≥Wzcsinβ+Phsinβ.

(12)

由公式(11)和(12)可知,支架在升、降架過程中滿足支架不向前、不向后傾倒的條件,且極限角度范圍為0～15°,所以支架在升、降過程中保持縱向穩定。

液壓支架升降過程中,重心軌跡曲線圖,如圖7仿真所示,黑色線范圍代表穩定范圍,說明支架在升降過程中重心保持在穩定范圍內。

圖7 仿真支架重心升降過程曲線Fig.7 Ascending and descending trajectories of the gravity center of hydraulic support

3 液壓支架穩定性措施研究

3.1 提高大采高支架橫向穩定性的措施

提高大采高支架橫向穩定性的措施主要有以下六點:

1)增大支架間距。

2)四連桿機構最大孔軸間隙為0.7 mm。

3)為了防止發生倒架故障,中間架必須在掩護梁和頂梁的活動側安裝護板,同時必須保證支架間距合理,防止出現咬架和擠架的現象,采取一定的技術措施使底座增大和提高結構穩定性。

4)使支架的組件強度和連接耳板強度增大,進而在支架橫向歪斜的情況下使結構穩定性和抗扭性能得到一定保證。

5)在中間架的底座上安裝千斤頂,達到對其橫向下滑的預防的目的。

6)將支架的起始三架組成錨固站,有利于整個工作面橫向穩定性的控制。

3.2 提高大采高支架縱向穩定性的措施

提高大采高支架縱向穩定性的措施主要有以下五點:

1)在四連桿機構設計中,使頂梁的雙紐線運動軌跡自上而下為向工作面煤壁傾斜的曲線,保證水平摩擦力始終指向采空區。支架梁端曲線變化平穩,在支架從高到低的變化過程中,梁端距逐漸變小,頂梁向前運動。

2)支架應采用掩護梁緊湊型結構,盡量增大掩護梁與頂梁的背角,嚴格控制掩護梁的外漏量。

3)對支架的結構設計進行優化設計,使整機在力學性能方面必須達到俯采和仰采工況條件下的縱向穩定性要求。

4)在達到支架布置的空間要求的前提下,最大可能使無立柱空間減小和底座接地面積增大。

5)當進行仰采和俯采時,支架又多承受了一部分來自頂板的水平分力,因此對支架應加設具有一定抗水平力作用的機構,同時也應加強支架連接件和結構件強度[5]。

4 結束語

本文分析了8.8 m大采高液壓支架穩定性的影響因素,重點對液壓支架橫向穩定性、縱向穩定性和煤壁穩定性進行了研究,并采用動力學仿真軟件Recurdyn對8.8 m高液壓支架進行了動力學仿真分析,最后給出了控制液壓支架穩定性的方案,有效提高液壓支架的支護能力,有利于8.8 m大采高工作面的安全生產。