無梁端距高強(qiáng)護(hù)幫新型液壓支架的研究

崔貝貝

(山西晉城煤業(yè)集團(tuán) 金鼎公司，山西 晉城 048006)

0 引言

對于煤礦井下綜采工作面，在開采過程中，當(dāng)頂板巖性以泥巖、沙質(zhì)泥巖為主時(shí)，經(jīng)常會(huì)發(fā)生超前斷裂，引發(fā)工作面片幫、冒頂事件。特別是對于大采高工作面，由于其采高大、支架調(diào)高范圍也大，所以采煤機(jī)割煤后拉架速度較慢，很難實(shí)現(xiàn)及時(shí)支護(hù)，進(jìn)而使得片幫和冒頂情況更加明顯。

根據(jù)調(diào)研，目前我國諸多礦井大都使用一次采全高采煤工藝，且6.2 m、7.2 m等系列掩護(hù)式大采高液壓支架在綜采工作面均已得到廣泛應(yīng)用。該系列液壓支架有較完善的伸縮護(hù)幫機(jī)構(gòu)，通常6.2 m支架多采用內(nèi)嵌式伸縮梁加二級(jí)護(hù)幫型式，7.2 m及以上支架多采用獨(dú)立伸縮梁加三級(jí)護(hù)幫型式，雖然可以產(chǎn)生很好的封閉性能，但是依然存在以下問題：①液壓支架伸縮梁可伸縮量較短，支護(hù)距離不足，當(dāng)采煤機(jī)割煤后，支架不能及時(shí)進(jìn)行有效支護(hù)，使得空頂距過大，存在冒頂風(fēng)險(xiǎn)；②發(fā)生冒頂現(xiàn)象時(shí)雖然支架伸縮護(hù)幫機(jī)構(gòu)及時(shí)打出，但是由于空間位置和結(jié)構(gòu)形式的限制，護(hù)幫千斤向上的支撐角度很小，向上支撐力不足，不能滿足支護(hù)需求；③支架對頂板的主動(dòng)支撐力不夠，導(dǎo)致煤幫受力較大，出現(xiàn)片幫現(xiàn)象；④出現(xiàn)片幫現(xiàn)象時(shí)，護(hù)幫打出支撐煤壁，但是水平軸向支撐力不夠，不能滿足支護(hù)需求。

針對目前大采高工作面支護(hù)設(shè)備存在的以上問題，隨著國內(nèi)外支架設(shè)計(jì)、高強(qiáng)板焊接、大直徑液壓缸制造、密封制造、高強(qiáng)板制造等技術(shù)的大幅提升，以及國家對煤礦生產(chǎn)安全高效的要求，在此基礎(chǔ)上研制一種能有效減少或避免片幫、冒頂事故發(fā)生的新型無梁端距高強(qiáng)護(hù)幫液壓支架迫在眉睫。

1 新支架整體設(shè)計(jì)模型

針對存在的問題，新支架要具備梁端距較小、護(hù)幫支撐力較強(qiáng)、立柱和護(hù)幫千斤初撐力提升等功能，對比現(xiàn)有支架，主要從以下幾方面進(jìn)行研究：

(1) 設(shè)計(jì)新頂梁，在保證支護(hù)強(qiáng)度不變的前提下，增加傳統(tǒng)掩護(hù)式大采高支架頂梁前端伸縮梁滑道距離，為伸縮梁加長預(yù)做準(zhǔn)備。

(2) 伸縮梁加長設(shè)計(jì)，在保證有效支撐力的前提下，增加伸縮梁伸出長度，縮短空頂距。

(3) 增大護(hù)幫千斤缸徑，提升護(hù)幫千斤本身支撐力。

(4) 將支架作為一個(gè)系統(tǒng)，由于系統(tǒng)內(nèi)部無法再有效提升護(hù)幫支撐力，所以考慮引入系統(tǒng)外力，設(shè)計(jì)護(hù)幫斜撐機(jī)構(gòu)，通過可拆卸輔助機(jī)械設(shè)計(jì)，大幅增強(qiáng)護(hù)幫水平支撐力。

(5) 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，增加立柱和護(hù)幫千斤的初撐力。

根據(jù)上述分析，進(jìn)行模擬、驗(yàn)算和方案設(shè)計(jì)，無梁端距高護(hù)幫新型液壓支架總體模型如圖1所示。

1-伸縮梁；2-頂梁；3-斜撐機(jī)構(gòu)；4-液壓系統(tǒng)

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，對新支架主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2.1 頂梁設(shè)計(jì)

為了增加伸縮梁可伸出量，要求頂梁前端預(yù)留足夠長滑道，同時(shí)應(yīng)保證頂梁前端與伸縮梁有足夠搭接和良好導(dǎo)向性，這樣才能在割煤后及時(shí)伸出支護(hù)，防止空頂。通過重新計(jì)算、校核，在保證支護(hù)強(qiáng)度的前提下，新頂梁較原頂梁支護(hù)長度增加690 mm，前端滑道距離增加980 mm。新頂梁三維模型如圖2所示，新舊頂梁對比如圖3所示。

圖2 新頂梁三維模型

圖3 新舊頂梁對比

2.2 伸縮梁設(shè)計(jì)

伸縮梁做加長設(shè)計(jì)，提升板材材質(zhì)，增加斜筋板。為保證與頂梁的有效搭接長度，經(jīng)計(jì)算、校核，確定伸縮梁加長距離為325 mm，通過有效增加伸縮梁可伸量，減少空頂距。新舊伸縮梁對比如圖4所示。

圖4 新舊伸縮梁對比

2.3 斜撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

受液壓支架前端結(jié)構(gòu)和空間位置的限制，支架護(hù)幫對煤壁的水平支撐力不足是一直存在的問題，通常都采用適當(dāng)加大護(hù)幫千斤缸徑來提升護(hù)幫對煤壁的支撐力，但是這樣增加的力很小，依然不能滿足片幫情況下的支護(hù)需求。如果想要大幅提升支架護(hù)幫支撐力，就必須引入支架系統(tǒng)外組件，通過增加輔助機(jī)械結(jié)構(gòu)來達(dá)到有效支撐效果。基于此，本設(shè)計(jì)引入斜撐機(jī)構(gòu)，具體設(shè)計(jì)如下：

(1) 井下采煤過程中，因地質(zhì)條件復(fù)雜，煤幫情況多變，所以斜撐機(jī)構(gòu)不能與護(hù)幫直接鉸接，但應(yīng)能夠支撐到護(hù)幫板任意位置，且不能影響護(hù)幫板的正常使用。

(2) 斜撐機(jī)構(gòu)采用條件分離法設(shè)計(jì)，在煤幫條件不好或一些特殊情況下，利用斜撐機(jī)構(gòu)進(jìn)行輔助支撐；當(dāng)正常采煤條件下，不需要使用，能夠自動(dòng)收回。

(3) 當(dāng)斜撐機(jī)構(gòu)收回時(shí)，預(yù)留空間位置不能影響采煤機(jī)正常開采和行人正常通過。

(4) 斜撐機(jī)構(gòu)的鉸接固定應(yīng)充分利用原支架的連接部位，降低機(jī)構(gòu)復(fù)雜性，方便井下安裝使用。

護(hù)幫斜撐機(jī)構(gòu)及安裝示意圖如圖5所示。斜撐機(jī)構(gòu)鉸接于頂梁防倒筒位置，可隨意拆卸更換，滿足條件分離需求；同時(shí)本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有斜撐千斤和回轉(zhuǎn)千斤，所有動(dòng)作依靠液壓系統(tǒng)自動(dòng)完成；此外斜撐千斤設(shè)計(jì)為雙伸縮結(jié)構(gòu)，通過減小其回轉(zhuǎn)半徑，保證大采高支架在降至3.3 m位置時(shí)無干涉現(xiàn)象。經(jīng)計(jì)算，本斜撐機(jī)構(gòu)可對煤壁提供水平支撐力至少為1 000 kN，能有效減少或避免片幫現(xiàn)象的出現(xiàn)。

1-護(hù)幫；2-活動(dòng)支撐頭；3-斜撐千斤；4-頂梁；5-回轉(zhuǎn)千斤；6-后座機(jī)構(gòu)

3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對于煤礦井下片幫、冒頂現(xiàn)象，其中一個(gè)很重要的原因就是液壓支架對頂板的主動(dòng)支撐力不足，即初撐力不夠，要想增加立柱初撐力和護(hù)幫初撐力，就需要增加系統(tǒng)壓力。基于此，結(jié)合傳統(tǒng)大采高支架液壓系統(tǒng)和生產(chǎn)實(shí)際，核實(shí)各液壓件的壓力極限和對應(yīng)的安全系數(shù)，液壓系統(tǒng)有兩種設(shè)計(jì)方案：

(1) 調(diào)大泵的額定工作壓力。本方案執(zhí)行相對簡單，但是需綜合考慮液壓支架的閥、千斤、膠管以及各管路件的承受壓力，應(yīng)根據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，配置等強(qiáng)的液壓元件。

(2) 采用雙系統(tǒng)，增加一個(gè)小流量泵，同時(shí)使用旁路增壓液控單向閥。本方案執(zhí)行相對復(fù)雜，但是無需整架更換膠管、閥等液壓件，只需更換增壓閥處膠管即可。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析，兩種方案均能有效提升支架對頂板的主動(dòng)支撐力，達(dá)到降低煤幫壓力、減少片幫冒頂現(xiàn)象的目的。

4 結(jié)語

無梁端距高強(qiáng)護(hù)幫新型液壓支架對大采高工作面頂板管理有良好的支護(hù)效果，能有效防止片幫和冒頂事故發(fā)生。該支架具有伸縮梁可伸量大、護(hù)幫板支撐力強(qiáng)和對頂板主動(dòng)支護(hù)力高等特點(diǎn)，可為大采高工作面安全支護(hù)提供強(qiáng)有力的設(shè)備支撐，進(jìn)而保證采煤生產(chǎn)安全快速推進(jìn)。