兩柱掩護式放頂煤液壓支架力學性能分析

王啟鑫

（山西汾西正文煤業有限責任公司，山西 孝義 032302）

引言

采煤頂部的四柱液壓支架是采煤中使用最廣泛的支架類型。然而，這些類型的支撐結構龐大且復雜，并且需要更高的工人。在使用中，前支撐桿和后支撐經常被損壞。出現不均勻的力，低的工作阻力率，甚至出現回彈現象。特別是隨著煤礦厚度的不斷增加，對水力效率的要求也越來越嚴格[1-2]。帶護罩的四柱煤開采的頂部液壓支架不再能滿足現有的生產需求。與四柱式盾構頂部的水力采煤支架相比，二柱式盾構頂部的水力采煤支架體積小，重量輕，結構簡單。它可以設計成自動電液壓控制系統，具有相對較小的頂板梁，良好的支撐強度，較小的立柱前傾角以及可以支撐頂板的筆直的水平支撐力。支架有一個可以支撐它的平衡千斤頂。可以通過平衡器千斤頂調節力的狀態，以重新定位頂梁的總力，從而更好地控制頂板上的壓力變化，并與電動液壓控制具有良好的兼容性。快速的框架移動速度，簡單地控制和頂板。由于其高適應性和其他優勢，在煤礦開采中使用雙頂液壓支架已經成為現代先進煤礦技術的發展方向。但是，淺層煤層的巖石表面較薄，疏松層較厚，很容易下沉。具有在淺煤層上施加保護層的液壓雙柱煤層隧道頂板往往會抵抗不充分的工作。屋頂支撐效果不佳，可能導致生產安全問題。基于以上問題，利用空間力學和有限元分析對ZFY1200/25/42D雙立面覆層液壓千斤頂支架進行了研究，該支架適用于煤層較淺的煤層，并適用于三種最危險的情況。在保證結構可靠性的前提下，簡化了液壓支架結構的兩柱式護罩上的煙囪結構，使支架能夠控制頂板，對其進行優化，對支架進行改進和改進。淺層支撐深度得到了改善。

1 兩柱掩護式放頂煤液壓支架力學分析

1.1 放煤機構受力分析

用于采煤的兩柱式復合頂部液壓支架使用四連桿機構，而采煤機理則使用插入式采煤機構。尾梁支架的后部通過鉸鏈連接到護罩。在頂梁的底端，后梁控制著后梁的運動，這可能導致后梁在設計角度內自由擺動，使頂部煤松散并為煤保留了空間，后部橫向千斤頂內置可伸縮刀片，以磨碎大型煤塊并進行不間斷的采煤工作[3-4]。

支撐梁護罩將承受煤和煤石q1的垂直載荷，同時會產生護罩梁和尾梁q2的特定推力。為了便于計算，可以將防護梁，尾梁和插入板簡化為全梁，并且垂直載荷q1必須滿足以下條件：

式中：M 為底層采煤厚度；Ks為頂煤松散系數；γ2為下位巖層密度。

水平載荷q2應滿足如下條件：

式中：γ1為頂煤密度；M1為頂煤厚度；h 為不規則垮落帶煤矸石的厚度；λ 為散體介質的測壓系數。

利用松散介質力學原理計算掩護梁-尾梁上的載荷q3：

式中：α3為簡化整梁與垂直線的夾角；φs為尾梁千斤頂與頂板之間的夾角。

將掩護梁摘除，尾梁－插板受力分析如圖2 所示。

圖2 尾粱-插板受力分析

對O 點取力矩，得：

式中：L2為插板和尾梁總長度；P 為尾梁千斤頂的推拉力；L1為尾梁千斤頂鉸接端到O 點的距離；α2為尾梁千斤頂與L3之間的夾角；L3為尾梁千斤頂鉸接端到尾梁的垂直距離[5]。

1.2 支架工作阻力的確定

在正常情況下，主屋頂在操作時會出現裂縫。當發生裂縫時，主頂的機械性能和壓力分布對于控制和監測礦井中的壓力至關重要。主頂點銷毀后，將旋轉一個角度。初級裂紋尖端的旋轉角度，旋轉持續時間和長度的大小與初級端的機械性能有關，也與繞組的支撐力有關[6-7]。基于以上分析，創建了周圍對接孔形成的典型力學模型，如圖3 所示。

圖3 考慮基本頂超前斷裂影響時的

2 兩柱掩護式放頂煤液壓支架有限元模型

不管梁的工作狀態如何，頂梁與頂板接觸的減震塊，其垂直位移很小，必須加以控制。底座下方的緩沖塊與整個托架底板接觸，考慮到模型測試的要求，緩沖塊足夠自由。以煤礦用ZFY12000/25/42D 雙柱護煤巷道為研究對象，根據現場地質條件以及支座與頂板的關系進行研究。圍巖和煤層頂腔的強度決定了主要的技術參數[8-9]。見表1。

表1 支架技術參數表

為了防止液壓支架保護層的頂部塌陷，大部分內力從塔頂的側面施加到頂梁和支架上。由于插座柱是球形結構，因此接觸過程變得更加困難。假設從圓柱體側面作用的力將相等地作用在球體上。假設根據規格，琴弦的總工作阻力為P1，那么在測試過程中施加的載荷為1.2P1。

3 液壓支架有限元求解及分析

3.1 頂梁受偏心載荷且底座兩端受載工況分析

支架的最大位移為2.51 mm，它出現在頂梁前端的內側，并從前端內側到后端外側逐漸減小。從屏蔽的偏移量增加，從嵌套的末端開始減少；當頂部被加載時，最大應力為567.31 MPa，支架應力的最大變化發生在上部支架梁柱的窩中。柱應力和基礎應力也發生了明顯變化，其他組件也發生了變化。.

3.2 分析三種工況對比

對比分析表明，在不同的工作條件下，支撐結構各單元的應力不同，分布狀態也不同。

1）通過分析以上三種工作條件下所有支架的應力云圖（略），可以得出在此工作條件下支撐框架的最大載荷能力為712.69 MPa。

2）從三種工作條件下梁總位移的云圖（略）可以看出，梁位移和變形的趨勢與增加變形基本相同。

4 結論

可以將液壓梁的一般應力分析結果與主要結構構件的應力分析結果結合起來，快速地評估梁在工作狀態下的應力分布。當液壓梁處于危險的工作狀態時由于梁中的應力分布是局部且有限的，因此優化液壓梁可以降低成本，并且選擇具有高強度的平板或增加應力集中材料的厚度以改善梁中的應力分布。