超前超高端頭液壓支架設(shè)計

王榮泉，白 偉，尚新芒，黨 靜

(1.陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司，陜西 韓城 715400，2.西安重裝韓城煤礦機械有限公司，陜西 韓城 715400)

0 引言

目前，對液壓支架支護系統(tǒng)的研究大多數(shù)是針對工作面設(shè)備，而對超前超高順槽和端頭的支護系統(tǒng)研究則較少[1-4]。從煤礦綜合機械化采煤的現(xiàn)狀來看，綜采工作面的基本支護技術(shù)已經(jīng)較為成熟，支撐式液壓支架、掩護式液壓支架以及支撐掩護式液壓支架可滿足不同地質(zhì)條件下綜采工作面的支護[5-7]。然而工作面兩端頭處的支護技術(shù)，則發(fā)展相對緩慢，嚴重制約了綜采生產(chǎn)的效率。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，采煤工作面所有安全出口與巷道連接處20 m范圍內(nèi)，必須加強支護；綜合機械化采煤工作面，此范圍內(nèi)的巷道高度不得低于1.8 m，即采煤工作面兩順槽20 m范圍內(nèi)必須采取超前加強支護，此范圍是工作面的矛盾集中點。

綜采工作面的端頭處于采、運、支設(shè)備的交匯點，機電設(shè)備數(shù)量多，設(shè)備布置密集，人員出入頻繁，特別是下端頭，位于采煤機、運輸機、轉(zhuǎn)載機和液壓支架的結(jié)合處機電設(shè)備數(shù)量較多，且受工作空間限制，設(shè)備布置密集，而端頭處恰恰是生產(chǎn)人員進出工作面之處，顯然此處的工作環(huán)境極易存在安全隱患[8-11]。同時，端頭圍巖在多種支撐壓力的作用下，受采動影響最大，礦壓顯現(xiàn)復雜，工作面端頭支護是頂板維護的重點，也是頂板管理的難點。端頭支護工作已成為工作面生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，也是現(xiàn)場管理的薄弱環(huán)節(jié)。同時，對巷道進行有效的超前支護，可以避免由于工作面超前支承壓力和沿傾斜方向支承壓力共同造成的巷道圍巖破壞，提高綜采工作面推進效率，保證安全生產(chǎn)。

1 端頭支架工作原理及設(shè)計

1.1 工作面下端頭的支護要求

支護特點：和上端頭相比，下端頭區(qū)內(nèi)布置設(shè)備更多，包括刮板輸送機機頭、轉(zhuǎn)載機機尾等。對下端頭支護要求，除了應(yīng)滿足上端頭支護要求之外，還有以下兩個特點。①綜采工作面下端頭設(shè)備多，且體積大，端頭支架要有較大的無立柱空間，以確保此處的設(shè)備正常運轉(zhuǎn)、順利前移及正常維護；②為了保證刮板輸送機機頭及自身的順利前移以及轉(zhuǎn)載機和破碎機的前移，端頭支架推移力及拉架力要大。總之，端頭支架必須滿足于綜采工作面回采巷道機電設(shè)備的配套性，支護面積大，無立柱空間大，有護巷及護幫能力，利于拆棚和替棚，系統(tǒng)運動靈活，推拉力滿足要求，保證設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)及工作面的推進要求。

支護要求：所設(shè)計的液壓支架主要安裝于大采高綜合放頂煤工作面(6 m)順槽及回風巷道兩端頭處，以及切頂卸壓沿空留巷巷道段。在桑樹坪煤礦3號煤工作面，該支架替代了原來的端頭處采用不可回收的木垛支護。該支架總體結(jié)構(gòu)呈可折疊門式支架，分為前架和后架，立柱支撐，頂板采用平衡缸支撐，中間通過鉸接，形成折疊門式支架；護幫采用平行四連桿機構(gòu)，通過立柱施加壓力支撐，最終達到對工作面采煤機端頭位置的支撐功能，將前架推移油缸與前溜子機頭連接，在工作過程中可隨前溜子移動達到同步支護要求。

1.2 端頭支架結(jié)構(gòu)設(shè)計及使用參數(shù)

設(shè)計要求：端頭支架是工作面機頭和機尾的支架，一般高度小于采高(中間支架)，分別用于上下順槽，與折疊支架形成一個支護空間。它的主要功能是維護好巷道和回采工作面交叉口處的頂板，協(xié)調(diào)該處排頭支架，工作面運輸機、順槽轉(zhuǎn)載機等設(shè)備之間的位置和配套關(guān)系。端頭支架除了能自移外，還要為轉(zhuǎn)載機和運輸機機頭的移動提供動力。端頭支架自身具有防倒、調(diào)架或使用工作面傾角變化的能力，能適應(yīng)左右工作面，換向方便。前梁深入巷道，起一定的超前支護作用。

使用參數(shù)：根據(jù)巷道支護要求及端頭支架工作原理，對其進行詳細設(shè)計計算后，其整體設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 端頭支架參數(shù)表

1.3 端頭支架立柱設(shè)計

端頭支架立柱結(jié)構(gòu)：端頭支架立柱結(jié)構(gòu)同折疊支架立柱結(jié)構(gòu)，用于維護采煤工作面端頭巷道頂板的液壓支架，如圖1所示。該端頭支架主要由前架和后架通過推移油缸連接組成，前后架分別由立柱、平衡缸、護幫缸、推移油缸、伸縮側(cè)護板、頂板、頂座、底座、側(cè)板、護幫板、液壓管件等部件組成。

端頭支架立柱參數(shù)：立柱形式為雙伸縮雙作用缸。端頭支架立柱外缸內(nèi)徑為φ200 mm，中缸外徑為φ185 mm，中缸內(nèi)徑為φ140 mm，活塞直徑為φ130 mm。當供液壓力為31.5 MPa時，中缸初撐力為989 kN，活柱初撐力為485 kN，當壓力超過安全閥設(shè)定壓力34 MPa時，安全閥開啟卸載，此時立柱工作阻力為1 050 kN。行程、一級行程、二級行程分別為3 005 mm、1 560 mm、1 445 mm。

圖1 端頭支架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.4 端頭支架支護設(shè)計

安全閥開啟壓力為34 MPa時，立柱的工作阻力設(shè)為1 067 kN，在此條件下計算端頭支架參數(shù)及支護強度。

端頭支架頂梁尺寸計算：前架頂梁尺寸(面積)：3 700 mm×4 000 mm；后架頂梁尺寸(面積)：4 800 mm×4 000 mm；不考慮端頭支架的側(cè)護時，前架頂梁尺寸(面積)為3 700 mm×2 300 mm，后架頂梁尺寸(面積)為4 800 mm×2 300 mm。

端頭支架支護強度計算：①前架支護強度。1 067 000 N× 4÷(3 700 mm×4 000 mm)=0.29 N/mm2，即前架支護強度為0.29 MPa；②后架支護強度。1 067 000 N× 4÷(4 800 mm×4 000 mm)=0.22 N/mm2，即后架支護強度為0.22 MPa；③不考慮側(cè)護面積時。前架支護強度：1 067 000N× 4÷(3 700 mm×2 300 mm)=0.50 N/mm2=0.5 MPa；后架支護強度為：1 067 000 N×4÷(4 800 mm×2 300 mm)=0.39 N/mm2= 0.39 MPa。

端頭支架前架參數(shù)：高度為3 100～6 000 mm；寬度為3 200～4 000 mm；長度為5 100～5 800 mm；重量為每架約18 318 kg(不含閥及油管)。

端頭支架后架參數(shù)：高度為3 100～6 000 mm；寬度為3 200～4 000 mm；長度為4 800 mm；重量為每架約17 966 kg(不含閥及油管)。

2 關(guān)鍵部件分析

2.1 活塞桿有限元分析計算

三維實體模型：活塞桿的有限元分析從立柱強度計算的第四種情況下開始進行，即安全閥開啟壓力為20 MPa，工作阻力為508 680 N時，活塞桿的承載力，其中活塞桿的材料為40Cr，最大屈服強度為785 MPa。借助SolidWorks軟件建立了活塞桿的三維實體模型，如圖2所示。根據(jù)活塞桿的實際工作過程和約束及承載狀態(tài)，在有限元分析中，對活塞桿的底部施加約束，頂部施加載荷，如圖3所示。

圖2 活塞桿三維模型

圖3 活塞桿約束與載荷施加

活塞桿承載能力計算(徑向不受力)：①針對4種安全閥開啟壓力下液壓系統(tǒng)提供的供液壓力工況，分別對相應(yīng)的立柱強度進行有限元計算，結(jié)果見表2。根據(jù)有限元計算結(jié)果可以判斷，該40Cr材質(zhì)的活塞桿在安全閥開啟壓力為39.3 MPa，徑向不受力的情況下，當軸向力為999 556.2 N時，活塞桿不會發(fā)生屈服失穩(wěn)現(xiàn)象。

表2 活塞桿承載能力計算

活塞桿承載能力計算(徑向受力)：為計算立柱的徑向承載能力，在有限元模型中，分別在活塞桿的頂端施加軸向載荷和徑向載荷，如圖4所示。仿真計算20 MPa和39.3 MPa安全閥開啟壓力下的活塞桿變形情況，計算結(jié)果見表3。①在安全閥開啟壓力為20 MPa，軸向受力為508 680 N的情況下，當承受1 000 N的徑向壓力時，活塞桿最大彎曲變形量為2.36 mm，處于可使用范圍；當承受10 000 N的徑向壓力時，活塞桿最大彎曲變形量為22.78 mm，活塞桿發(fā)生彎曲失穩(wěn)；②在安全閥開啟壓力為39.3 MPa，軸向受力為999 556.2 N的情況下，當承受1 000 N的徑向壓力時，活塞桿最大彎曲變形量為2.58 mm，處于可使用范圍；當承受10 000 N的徑向壓力時，活塞桿最大彎曲變形量為22.81 mm，活塞桿發(fā)生彎曲失穩(wěn)。因此，當該40Cr材質(zhì)的活塞桿在軸向和徑向同時受力時，只要徑向受力超過10 000 N(即1 t)，就會發(fā)生彎曲失穩(wěn)現(xiàn)象，而與軸向是否承受載荷無關(guān)。而且，活塞桿彎曲現(xiàn)象與立柱外缸的安全閥壓力開啟壓力大小關(guān)系不大。

圖4 活塞桿軸向、徑向施加載荷

表3 活塞桿徑向承載能力計算

2.2 千斤頂特征參數(shù)

平衡千斤頂參數(shù)：普通雙作用形式；缸徑、桿徑分別為φ125 mm、φ85 mm；拉力(P=31.5 MPa)為208 kN，推力(31.5 MPa)為386 kN；行程為295 mm。

護幫千斤頂參數(shù)：普通雙作用形式；缸徑、桿徑分別為φ100 mm、φ70 mm；拉力(P=31.5 MPa)為126 kN，推力(31.5 MPa)為247 kN；行程為195 mm。

2.3 端頭支架液壓系統(tǒng)

系統(tǒng)構(gòu)成：端頭支架液壓系統(tǒng)包括前架和后架兩部分。前架液壓元件包括支撐油缸、立柱、護幫千斤頂?shù)龋缓蠹芤簤涸⒅⒆o幫千斤頂?shù)龋磺凹芎秃蠹苤g由推拉油缸完成動作的協(xié)調(diào)。端頭支架的液壓系統(tǒng)主要由乳化液泵站、過濾器、操縱閥、回液斷路器、立柱雙向鎖、立柱安全閥、護幫千斤頂液控單向閥、護幫安全閥、支撐油缸液控單向閥、支撐油缸安全閥等組成。

工作原理：立柱的升柱、降柱和支撐等動作通過手動換向閥、雙向鎖等液壓控制元件完成。護幫千斤頂和支撐油缸的伸出和縮回等動作通過手動換向閥、液控單向閥等液壓控制元件完成。乳化液泵站的高壓油液，經(jīng)過操縱閥后，通過雙向鎖進入立柱的無桿腔，支撐頂板，立柱有桿腔的乳化液經(jīng)雙向鎖和操縱閥后流回乳化液箱。當系統(tǒng)壓力達到安全閥的設(shè)定值時，安全閥打開，液壓油通過安全閥卸載流回乳化液箱，避免支架過載造成破壞；當操縱閥處于中位時，立柱雙向鎖處于關(guān)閉狀態(tài)保證立柱無桿腔的液壓油不流回乳化液箱，實現(xiàn)支架正常接頂，并保證足夠支撐力。平衡千斤頂和支撐油缸的操縱閥與雙向鎖的作用與立柱的液壓系統(tǒng)。

3 結(jié)語

隨著綜采工作面裝備水平的提高，如強力電牽引采煤機、垂直布置的交叉?zhèn)刃妒捷斔蜋C等設(shè)備的配套使用，使現(xiàn)有的端頭支護方式存在維護強度大、安全隱患多等問題。端頭的特殊性決定了端頭區(qū)域維護困難，端頭及超前支護效果對機電設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)和工作人員的安全影響極大。根據(jù)液壓支架的支護要求，以及支架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，對端頭支架及關(guān)鍵部件的技術(shù)參數(shù)進行了詳細的計算和分析。該端頭液壓支架設(shè)計可以避免端頭圍巖在多種支撐壓力的作用下受到破壞，提高綜采工作面推進效率。