工作面端頭超前支架液壓控制系統設計及工程實踐

王 興

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西 興縣 033602）

0 引 言

采煤工作面端頭處是切眼和順槽的交匯處，各種電氣、機械設備布置交匯于此，不僅圍巖壓力大，而且人員經常從此處通過。切眼和順槽交叉口，礦山壓力顯現，傳統的單體液壓支柱支護效果不是很好，為解決該問題，根據目前自移動式支架特點，設計液壓控制系統的齒形交錯的支架作為工作面端頭支護設備[1]。

超前液壓支架是由推移千斤頂進行推移行走，四連桿機構是支架頂梁的一部分，主要起平穩升降作用。考慮到煤巖塊的掉落，在支架頂梁兩側還設有液壓缸驅動的護幫板。支護強度的大小主要靠液壓支架液壓系統控制效果和能力。論文根據端頭使用要求，對超前支架的液壓元件[2]，液壓系統的安全閥是否滿足頂板周期來壓要求等做了相應研究，最后通過工業性實踐對該液壓支架的實用性進行驗證。

1 超前支架液壓控制系統簡介

巷道的乳化液泵站給端頭超前支架液壓控制系統提供動力。主控閥、安全閥、乳化液、各種液控單向閥構成了超前支架的液壓系統。高壓液油由乳化液泵站供給，主控閥控制其流向，經過液控單向閥后流入無桿腔內，此時在壓力作用下，使得頂板支撐上覆巖體，而后油液在主控閥作用下回至乳化油箱中。為避免過載造成液壓支架損壞，液壓系統中設有安全閥，安全閥此時設定一固定值，當壓力超過固定值后，油液在安全閥作用下卸荷；液壓系統中還設有換向控制閥，換向控制閥正常情況是中位，其作用是保證無桿腔油液滿腔，為支架提供足夠動力支撐頂梁。

端頭超前液壓系統控制的支架，為支撐住頂板周期來壓，設計了液壓控制系統的主控閥和單向閥時，其額定工作壓力高于提供動力的乳化液泵站的最大壓力，因為第一次工作面頂板周期來壓顯著，破壞性強，此時會造成液壓元件中液體壓力急劇增加，短時間內會大于乳化液泵站的額定工作壓力，設計時也是考慮了工作面第一次周期來壓的這一特點[3-4]。

2 支架液壓元件選型設計

1）液壓泵站選型。工作面端頭處本身空間有限，再加上設備交匯于此，為了更加合理化，乳化液泵站設置在遠離端頭一定距離的順槽內，通過乳化液泵站提供的油液，可升降、拉移端頭超前液壓支架。考慮到礦井工作條件，較為適用的是WRB200/32型乳化液泵，本次設計3泵2箱并聯工作，乳化液泵兩用一備，經查資料，該型號乳化液泵提供壓力約為34MPa，額定流量為450L/min。

2）安全閥選型。油缸工作流量Q1：

式中：V1為油缸速度，取0.15m/s；A1為油缸面為油缸直徑，200mm。

根據礦壓規律，頂板在破斷時會釋放突發能力，則液壓支架偶爾會受到頂板瞬時沖擊壓力，為保護立柱和其他結構件，需要及時卸壓，這時就急需一個的大流量靈敏安全閥。充分考慮上述因素，在立柱下腔設計安裝一個大流量靈敏安全閥。

3）液控單向閥選型。為了保護立柱內腔液壓損失，并且還需與安全閥相配，需要對液壓控制系統的單向閥選擇恰當的參數、型號等，選定的液壓控制系統單向閥參數見表1。

表1 液壓控制系統單向閥參數表

4）千斤頂液控單向閥選型。

千斤頂工作流量：

式中：V2為油缸速度，取0.1m/s；D2為護幫缸直徑，100mm；A2為護幫無桿腔面積0.12=0.0785m2。

根據上述計算和手冊的查詢，本次設計選擇型號為FDY125/50的千斤頂液控單向閥。其額定工作流量為150L/min，額定工作壓力為45MPa。

5）電液控制閥選型。

工作面端頭超前支架液壓控制系統電液控制閥選擇EEP型[5]，電液控制閥組由多個電液控制閥組成，該電液控制閥組可以進行換向，有利于支架工作，其結構如圖1所示。

圖1 換向電液控制閥

換向電液控制閥部件是模塊化結構。為了抵抗腐蝕性和確保該閥使用壽命，其材質選擇防銹材料。換向電液控制一大優點就是閥芯截面積較大，油液通過容易，不會產生較大阻力，節約了反應時間，遇到緊急情況能夠及時開關，另外也降低了油液當中介質的污染。在電液控制閥上還設計了指示燈，指示燈主要提供檢查時的燈光和核對的開關動作信號。

6）液壓輔件選型。手動反沖洗過濾器被安裝在液壓控制系統的支架進液管上；對密封件產品、膠管產品均作了一定要求。

3 液壓控制系統安全閥研究

3.1 安全閥的作用及要求

液壓支架實際工作壓力主要靠液壓系統中的安全閥實現，安全閥是液壓控制系統的不可或缺的元件，不僅有安全限定值，還對液壓支架的強度、支護頂板和護幫能力都起著重要作用。

在安全范圍內有溢流時，必須要求安全閥處于額定流量內，并且最高溢流壓力不得大于限定值，這樣安全閥就起到保護其他元件避免過載損壞；當然，安全閥最小溢流壓力也不得低于下限值，避免造成液壓支架無支護能力，引起頂板冒落事故，另一方面也要體現安全閥能夠使得液壓支架發揮其支護能力。

3.2 安全閥結構及特征

現在生產的安全閥類型主要有閥墊型、鋼球型、聚甲醛錐閥型等。閥體、O型圈、閥芯、彈簧、調壓螺絲等元部件組成了液壓支架系統中的安全閥。液壓系統的安全閥一般工作壓力約為50MPa，其流量在5～8L/min。

安全閥在閥開啟前、后，油液面積也會有所變化，則有：

式中：Δp為壓力差；pk為開啟壓力；pb為關閉壓力。

安全閥開口變化，就會引起安全閥溢流變化，隨之影響彈簧力大小改變，進而促成油液工作壓力發生改變。

3.3 安全閥對周期來壓的響應

性能優良的安全閥，在頂板周期來壓來臨就會做出以下響應：

1）反應敏捷。礦山壓力具有瞬時性，為了保護液壓支架不被損壞，確保工作面安全，在周期來壓時，安全閥必須迅速響應，使得支架具有足夠的支撐力。彈簧剛度、閥的安裝情況、流量變化特性決定了安全閥反應速度，另外安全閥溢流口還要求盡量安裝在周期來壓傳遞液壓力的關鍵點范圍內，立柱對周期來壓響應示意如圖2所示。

圖2 立柱對于周期壓力時的反應

在正常情況下，壓力基本保持一個較小波動的范圍內，主控閥是一種靜止狀態，促使A、B兩進油、回油口沒有乳化液流經，液壓支架此時所受壓力假設為F，腔內油壓假設為P；一旦頂板出現周期來壓，液壓支架就會收到頂板的瞬時附加沖擊載荷，假設為，相應腔體內的液壓力附加值假設為ΔPf，假設在D口設置安全閥溢流，壓力是從上往下傳遞，有一定時間，壓力傳遞速度用V表示，根據圖2示，則液壓增加值ΔPf傳到溢流口D所需時間就為L/V；假如安全閥溢流口設置在立柱腔上端面，壓力傳遞距離短，就會省去傳遞時間或減少傳遞時間，相應安全閥相應速度就更加敏捷。從上分析可知，礦壓顯現的工作面端頭，為保證安全，溢流口盡可能設置在液壓傳遞點區域。安全閥和液壓腔盡可能用較短管路相連，為的是降低壓力損失，減少液壓力傳遞時間，確保安全閥迅速響應。

2）流量滿足使用要求。頂板出現周期來壓時，壓力非常大，此時安全閥的作用就是卸壓，保證支架頂梁壓力迅速傳遞。該安全閥有一大優勢就是流量大，溢流快速，進而避免了支架因承受不住發生破損。

3）小壓差開啟、閉合。當頂板發生周期來壓時，支架頂板承受壓力瞬間變大，力具有傳遞性，頂梁將該力傳遞給腔內油液，一旦安全閥壓力達到限定值就會卸壓，這樣就能有效保護液壓支架過載損壞；若液壓力達到閉合的安全閥設定壓力值時，安全閥自動閉合，腔內油液仍有較大壓強，給頂板一定的支承作用。因此，安全閥在開啟和閉合時，均是檢測到液壓的變化做出的反應，而且以小壓差的形式凸現出來。

4 工業性實踐

4.1 礦壓觀測

該液壓控制系統下的支架在某礦93下02工作面端頭做了工業性試驗，為了觀測、驗證該支架具有良好的應用性，在煤礦93下02工作面端頭處做了礦壓觀測，礦壓觀測位置示意圖見圖3所示。

圖3 礦壓觀測位置示意圖

根據預先設定的觀測方案，測點布置在93下02運輸順槽內，共布置了四個測區，安裝儀表后進行觀測，觀測的礦壓數據整理后見表2所示。

表2 礦壓觀測數據整理表

4.2 不同工作面超前支護比較

在某礦兩工作面做了工業性試驗，兩工作面地質條件及礦山壓力相近，液壓支架基本同時安裝，采煤時間、方法基本保持一致。為了驗證本次設計的端頭超前液壓控制的支架是否具有優勢，進行了對比試驗，一個工作面端頭超前支護采用本次設計的超前液壓控制的支架，另一個對比的工作面端頭采用普通的支架支護。對兩工作面進行開采，分別測定兩個工作面運輸順槽的變形量，頂底板移近量如圖4所示，兩幫移近量如圖5所示。

圖中上面藍色的曲線表示工作面端頭采用的是普通支架支護時，巷道頂底板和兩幫變形量；下面紅色的曲線表示工作面端頭采用的超前液壓控制系統的支架支護時，巷道頂底板和兩幫變形量。從頂底板和兩幫變形量來看，超前液壓控制系統的支架對頂板及幫的維護效果更好，對端頭超前支護提高了安全性。說明超前液壓控制系統的支架在礦山開采中具有優越性和適用性。

圖4 頂底板移近量

圖5 兩幫移近量

5 結 論

論文對超前支架的液壓系統作了簡單介紹，并選型設計了液壓系統的關鍵元器件。重點研究了液壓系統的安全閥，從安全閥的作用、要求、結構、特征等，分析了液壓系統對于頂板周期來壓的響應及其工作特性，從而得知液壓系統控制液壓油為頂梁支撐周期來壓提供了動力保障。

研究的液壓系統控制的端頭超前支架在煤礦93下02工作面作了試運行，通過礦壓觀測表明，該支架在端頭超前支護可行。并與普通超前支架作了對比試驗，結果表明液壓系統控制的超前支架優勢明顯，安全性高，有利于維護巷道穩定。