四柱液壓支架結構優化設計應用研究

王 躍

（山西寧武大運華盛老窯溝煤業有限公司，山西 寧武 036700）

引言

固體充填采礦技術自研發以來，在多礦區得到了廣泛應用，解放了多種困煤類型，涉及建筑物下、水體下、鐵路下的煤。四柱液壓支架是固體充填采礦技術的關鍵設備[1-3]。隨著科技的發展，其結構和功能不斷更新，對地質條件的適應性也有了顯著提高。四柱液壓支架在該技術中也起著至關重要的作用，它不僅輔助固體四柱材料的運輸，而且直接提供四柱空間和四柱材料的夯實力。由于這些作用，需要對四柱液壓支架的性能參數進行充分的研究。它直接影響到充填體的效率和充填體的密實度，從而影響最終的巖層控制效果。四柱液壓支架的優化設計研究有助于改善其性能參數[4-6]。

為了合理地提高四柱液壓支架的性能，改善其充填性能，本文從四連桿機構、后頂蓋、夯實結構等關鍵結構部件的優化設計方面闡述了四柱液壓支架的設計方法。在此基礎上，建立了四柱式液壓支架的優化設計過程。

1 四柱式液壓支架概況

為同時掩護采煤作業空間和充填體作業空間，充填體液壓支架的頂控距離（即頂蓋長度）增大，支架整體結構與傳統的綜采液壓支架有明顯區別。具體結構特性為：

1）車頂雨棚結構變化：盾構梁改為后車頂雨棚，車頂雨棚由前車頂雨棚和后車頂雨棚組成；

2）所增加的四柱物料刮輸送機懸浮在后車頂雨棚內，提供固體四柱物料的運輸動力；

3）搗固結構鉸接在底座上，為固體四柱材料提供搗固動力。搗固結構鉸接在底座端部，實現上下擺動不同角度；

4）搗固結構前端設置有搗固板，通過搗固板傳遞壓力，實現固體材料的密實搗固。

5）六柱-四桿和四柱-四桿四柱液壓支架結構的差異分別為：柱數不同、四桿連桿與天篷鉸接位置不同、夯實結構控制方式不同。

四柱液壓支架是充填采礦一體化的關鍵設備，其技術性能包括結構性能、支護性能、夯實性能和力學響應性能等。結構性能包括柱數、水平間隙、垂直間隙、頂蓋比等；支護性能包括支護強度、板比壓等；夯實性能包括夯實力、夯實角等；力學響應特性包括柱的荷載分布特征等。

四柱液壓支架在多個礦區的推廣應用，通過對四柱液壓支架的工程應用總結，主要存在以下問題：對煤層傾角和特殊地質條件的適應性低；夯實結構對采動高度變化范圍大的適應性差；夯實結構與四柱刮板輸送機的協同效率有待提高。針對工程應用中存在的上述缺陷，需要對四柱式液壓支架結構進行合理的優化設計。

2 優化設計的基本原則和關鍵部件設計

2.1 優化設計的基本原則

四柱液壓支架的結構嚴格控制其功能。由于四柱式液壓支架的結構與傳統支架有明顯的不同，因此這兩種支架具有不同的優化設計原則和方法。后頂蓋和夯實結構的設計使四柱液壓支架具有特殊的四柱屏蔽和實現功能。頂板控制長度、頂蓋長度比、四桿聯動形式和鉸孔位置等關鍵構件的尺寸參數影響充填體的支護性能、夯實性能和力學性能。四柱式液壓支架設計優化的基本原則是結合工程實際條件，通過優化關鍵結構尺寸，使支架四柱性能達到最優狀態，即滿足設計要求的基本技術參數，優化合理的尺寸配置，實現充填體性能的最佳狀態。從零件選擇和尺寸優化兩個方面對支架進行優化設計。本文中的尺寸優化涉及四桿機構、后頂蓋和夯實結構，并通過四柱體性能評價體系驗證尺寸優化的有效性，采用動態優化設計的方法。

2.2 四連桿機構優化設計

四桿連桿機構的有效性決定了頂蓋前端的運動軌跡、連桿機構及前后頂蓋的應力、采煤和充填空間等。在四柱式液壓支架四桿機構優化設計中，變量主要包括最大支護高度、最小支護高度、橫向幅值、后連桿機構鉸點與底座、后連桿機構鉸點與上連桿機構鉸點的水平距離、后方連桿鉸鏈點和基礎，包括角度，后方連桿和水平線，如圖1-1 所示。

圖1 四桿機構優化示意圖

主要約束條件包括在從高到低的支撐高度的支撐過程中，雨棚前端軌跡總是傾向于肋側；前聯動鉸點和上聯動鉸點的距離與前聯動鉸點和后聯動鉸點的距離之比應控制在4∶1～6∶1 之間。如圖1-2 所示，四柱液壓支架四桿機構優化結構。優化設計主要是通過改變前連桿鉸鏈點的比值，即將圖1-1 中ME的長度在圖1-2 中的S 改為圖1-2 中的S'。這種變化將導致頂篷前端運動軌跡的差異、聯動及前后頂篷受力的差異、采煤四柱空間的差異等。

2.3 頂蓋優化設計

頂層長度比的變化對頂層荷載分布、支架穩定性、支架承重及夯筑性能有明顯影響；頂蓋長度比是支架優化設計中的一個重要優化目標。不同類型的四柱式液壓支架具有不同的頂篷長度比；六柱四柱支護頂板長度比為1∶0.70～1∶0.50，四柱四柱支護頂板長度比為1∶1.36～1∶0.54。本研究主要通過優化后車頂雨棚長度來實現雨棚長度比的優化。通過改變后車頂雨棚長度，得到結構性能、支護性能、夯實性能和力學響應性能等指標，頂蓋比優化示意圖如圖2 所示。

圖2 頂層長度比優化示意圖

2.4 夯實結構優化設計

夯實結構是影響搗實性能的重要結構，具體體現在搗實板的面積和搗實油缸的尺寸決定搗實力的大小；夯擊結構的鉸鏈位置和夯擊臂的最大、最小長度影響夯擊頭水平間隙、垂直間隙和夯擊頭間隙的大小；填土刮板輸送機的夯實臂和懸掛位置共同影響夯實角的大小。夯擊力、屋頂垂直間隙、屋頂水平間隙、夯擊角和夯擊頭間隙是夯擊性能的具體內涵。本研究中夯實結構的優化主要是改變夯實結構的長度、鉸接位置以及充填體刮板輸送機的懸浮高度。夯實結構優化示意圖如圖3 所示。

3 工程應用

按照四柱式液壓支架的設計流程，其結構和尺寸的優化主要包括三部分，即四桿機構優化、頂蓋長度比優化和夯實結構優化。通過改變后車頂雨棚長度，實現了車頂雨棚長度比的優化；通過改變搗實結構的長度、鉸接位置和四柱刮板輸送機的懸掛高度，實現了搗實結構的優化。通過優化四桿機構、頂蓋長度比和夯實結構，充填體的垂直頂板間隙、水平頂板間隙、夯實角和夯實頭間隙等性能得到了明顯改善。

在采礦液壓支架、刮板輸送機、四柱刮板輸送機等充填采礦設備的配合下，實施了循環采礦技術。循環操作的順序繼續前面的輸送機前進。液壓支架的推進與采煤機緊密相關，采煤機后滾筒后面的四柱液壓支架首先推進，支撐采煤機卸煤后立即暴露的頂板，然后運送到煤巷。四柱物料刮板輸送機開始將固體四柱物料卸入采空區，并利用支架背面的夯實裝置進行加固。四柱刮板輸送機移動后，雙滾筒采煤機反方向切煤，所有作業開始循環。該方法可在開采煤炭資源的同時，將固體充填入采空區。經過優化設計，四柱液壓支架的充填效率得到明顯提高，壓實率控制在90.0%以上，從而大大保證了充填工作面巖層控制效果。

4 結論

通過改變上連桿鉸鏈位置來優化四桿機構，通過改變后車頂雨棚長度來優化雨棚長度比，通過改變搗實結構的長度、鉸接位置和四柱刮板輸送機的懸掛高度來優化搗實結構。工程實例表明，通過優化四桿機構，充填體垂直頂板間隙、水平頂板間隙、搗固角和搗固頭間隙等性能得到了明顯改善。