固體充填液壓支架的設計研究

杜志超

（晉能控股集團晉華宮礦普掘六隊，山西 大同 037016）

引言

煤炭需求的急劇增加使得煤炭開采量大幅上升，越來越多的煤礦呈現出了資源枯竭的現象，同時隨著開采作業的進行，產生了大量的固體廢棄物，如矸石等，開采作業中，大量矸石從地下被運出，堆砌在礦區周圍，占據大片地表面積，對環境造成污染，且存在危害人身安全的可能。為解決此問題，目前在煤炭開采中存在一種技術即固體垃圾填充置換煤炭技術[1]。該技術主要應用在煤炭綜采重要設備液壓支架上，液壓支架結合固體充填技術，不僅在開采過程中提升了液壓支架的安全性能，也有效利用廢棄物，將矸石充填至采空區，將矸石由廢棄物變為作業材料，解決了矸石作為廢棄物產生的一切弊端。

1 固體充填液壓支架結構的設計

1.1 結構組成

固體充填液壓支架的結構除常規綜采液壓支架的一般結構之外，增加了一套專有的固體充填夯實機構，包括帶有卸料孔的刮板運輸機以及夯實機構。固體充填液壓支架的結構設計不僅要滿足普通液壓支架的受力、承載及空間要求，還需要實現其充填作用，有良好的充填夯實效果，比如開采過程中要有最大程度的充填采空區，并且要盡可能地壓實固體充填材料[2]。圖1為固體充填液壓支架結構簡圖。

1.2 主要結構的設計

1.2.1 整體參數的確定

支架中心距的確定一般按公式（1）計算：

圖1 固體充填液壓支架結構簡圖

式中：bc為支架中心距；n為整體自移支架，取1；c3為相鄰液壓支架頂梁間的間隙，取0.1 m；Bm為支架頂梁的總寬度。考慮井下刮板輸送機的溜槽長度，我國當前普遍取中心距為1.5m，大采高液壓支架取1.75m，小采高液壓支架取1.25 m，本文設計選擇中心距1.5 m（見表1），滿足支架穩定性，方便安裝、移動和運輸。

表1 固體充填液壓支架參數設計表

1.2.2 頂梁結構的設計

液壓支架的頂梁結構一般有兩種：整體頂梁和鉸接頂梁。前者具有整體性，頂板接觸面大，載荷能力強、支護作用好，結構工藝簡潔，便于制造，頂梁前端位置上翹1°～3°。鉸接頂梁有可伸縮前梁，頂梁由千斤頂控制，可靈活擺動，接頂適應性高，要求千斤具有較大的連接強度和支承作用，相較于整體梁結構較復雜。結合兩者優缺點，本文設計頂梁由前后兩梁組成，前后梁各自為整體梁，前后梁兩者鉸接，同時具備整體梁和鉸接梁的特點[3]。

1.2.3 底座結構的設計

底座結構是液壓支架結構中的重要組成部分，因此底座設計應具有以下特點：

1）底座結構必須具備足夠的剛度、強度，頂板作用在頂梁和立柱上的力最終都將由底座承載，同時還要對底板有足夠的適應性，從而確保液壓支架的穩定性；

2）底座結構設計應保證有足夠的空間，液壓支架的輔助控制設施要能夠安裝在底座中；

3）底座結構要具有盡可能小的比壓，以便液壓支架移動動作的順利進行，特別是前端比壓要滿足要求。底座設計如圖2所示。

圖2 固體充填液壓支架底座結構圖

1.2.4 充填夯實結構的設計

充填夯實結構主要完成將矸石充填至采空區并夯實的工作任務，其工作過程為：煤礦開采過程中，產生了矸石和采空區，礦井運輸裝置將矸石和粉煤灰按比例配好的固體充填物送至帶卸料口的刮板輸送機上，卸料口大小可以自由調整，充填物由卸料口充填至采空區，充填夯實機構通過往復振動充填夯實，采空區達到一定充填密度后，充填效果即可承受煤層上覆巖層的載荷，既利用了開采廢棄物矸石，保護了環境不受污染，又保證了地底結構不因開采而被破壞。

本文設計的充填夯實機構由夯實板、夯實液壓缸、液壓振動器、調高液壓缸組成。液壓振動器一端連接夯實板，一端連接夯實液壓缸，當夯實板側有填充物時，振動器往復振動使填充達到足夠的密度。充填夯實結構設計模型圖如圖3所示。

2 固體充填液壓支架三維建模及有限元分析

2.1 三維建模

本文對設計的固體充填液壓支架進行三維建模時選用的是Pro/E軟件，支架整體結構包括前頂梁、后頂梁、底座、充填夯實結構、移動機構等部分，建模時，遵循整體簡化、部件簡化原則，去掉不受力部件，將各受力部件視作獨立的零件[3]。建立的三維模型如圖4所示。

圖3 固體充填液壓支架充填夯實結構模型圖

圖4 固體充填液壓支架參數化三維模型

2.2 有限元分析

本文對設計的固體充填液壓支架進行有限元分析時選用的是ANSYS Workbench 12軟件。在Pro/E中一次性建立好各種工況下的液壓支架的簡化模型，分別導入ANSYS Workbench軟件進行有限元分析。分別進行頂梁兩端加載、底座扭轉，頂梁中間加載、底座扭轉，頂梁兩端加載、底座兩端加載三種狀態下的有限元分析，結果如表2所示。

表2 不同工況下液壓支架有限元分析數據結果

從數據結果中可以看出，在有限元分析中，加載狀態為頂梁兩端加載、底座扭轉時應力最大，為257.25 MPa，導桿及立柱柱窩上的耳板應力也比較大，本次設計采用普通低合金結構鋼Q460，其屈服極限為460 MPa，可知設計滿足受力要求。

3 應用效果

目前固體填充液壓支架已在晉能控股集團某礦的充填工作面投入使用，取得了良好的效果，基本解決了矸石的大量輸出對土地、環境、人身的影響和危害的問題，具有良好的經濟、社會和環境效益。