同煤集團(tuán)四臺礦液壓支架的優(yōu)化研究

李月鵬

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司四臺礦，山西 大同 037007）

液壓支架作為煤礦井下支護(hù)作業(yè)的核心，其支護(hù)時的可靠性直接關(guān)系到煤礦井下綜采作業(yè)的安全。液壓支架支護(hù)作業(yè)時的穩(wěn)定性與井下地質(zhì)條件有直接的關(guān)系，因此需要根據(jù)煤礦井下的實際地質(zhì)條件進(jìn)行相應(yīng)的選型和優(yōu)化，以滿足井下液壓支架可靠支護(hù)的作業(yè)需求。同煤集團(tuán)四臺煤礦21220巷為矩形斷面，巷道寬×高=4.3×2.7m，支護(hù)方式為：巷道頂板采用錨桿+W型金屬鋼帶＋錨索聯(lián)合支護(hù)，巷道兩幫采用錨桿+短鋼帶+菱形金屬網(wǎng)支護(hù)，錨桿布置四排，排間距1000×1000mm，使用Φ18×1800mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿配合鋼帶、拱形托盤；錨索按兩排“五花”布置，排間距1500×3000mm，使用Φ17.8×4000mm的鋼絞線配套鋼板；左右護(hù)幫采用1.7m長的螺紋鋼錨桿配合短鋼帶固定金屬網(wǎng)，錨桿排間距為1250×150mm。整體地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對脆弱，因此針對性地提出了液壓支架的優(yōu)化方案，通過合理選擇液壓支架的架型、完善液壓支架的防倒功能、強(qiáng)化液壓支架的主體構(gòu)件結(jié)構(gòu)等極大地提升了液壓支架工作時的支護(hù)穩(wěn)定性和可靠性，具有較大的應(yīng)用推廣價值。

1 液壓支架的合理選型

四臺礦采用的為四柱掩護(hù)式液壓支架，但在實際應(yīng)用過程中經(jīng)常出現(xiàn)液壓支架的傾斜。本文將壓力傳感器分別設(shè)置在前側(cè)立柱和后側(cè)立柱上，對液壓支架在工作過程中的受力情況進(jìn)行分析[1]，結(jié)果如圖1所示。

圖1 四柱掩護(hù)式液壓支架前柱和后柱受力示意圖

由實際監(jiān)測結(jié)果可知，所采用的四柱式液壓支架在工作過程中前側(cè)立柱和后側(cè)立柱的受力極不平衡，導(dǎo)致了在不同的支護(hù)階段液壓支架的支護(hù)失穩(wěn)，工作阻力利用率較低，也容易導(dǎo)致支架立柱過載發(fā)生破壞。同時由于四柱式液壓支架整體結(jié)構(gòu)重量大，在支護(hù)和收撤過程中存在著工序多、速度慢、井下操作困難等因素。在綜合評估后四臺礦采用兩柱式液壓支架替換四柱掩護(hù)式液壓支架。由于兩柱式液壓支架無后側(cè)的立柱，因此在整個支護(hù)過程中巷道頂板的壓力全作用在兩個立柱上，立柱受力均勻，工作阻力利用率高，而且結(jié)構(gòu)重量小，支護(hù)過程中的工序少、操作簡單、方便，極大地提升了井下支護(hù)作業(yè)效率和液壓支架支護(hù)過程中的穩(wěn)定性。

2 液壓支架防倒結(jié)構(gòu)優(yōu)化

四臺礦液壓支架在井下傾斜面支護(hù)的過程中，隨著綜采作業(yè)的進(jìn)行，液壓支架會逐漸產(chǎn)生傾斜，并最終導(dǎo)致液壓支架朝著傾斜面滑移。當(dāng)其重心超過液壓支架底座的邊緣后，液壓支架便會發(fā)生傾倒[2]，給煤礦井下的支護(hù)和綜采作業(yè)造成了極大的安全隱患。液壓支架在穩(wěn)定狀態(tài)、臨界狀態(tài)和傾倒?fàn)顟B(tài)下的支護(hù)狀態(tài)如圖2所示，式中G表示支架重心，α表示斜面傾角。

圖2 液壓支架在斜面上不同支護(hù)狀態(tài)示意圖

根據(jù)液壓支架的失穩(wěn)特性，液壓支架在支護(hù)過程中的防倒功能主要是通過調(diào)整底調(diào)結(jié)構(gòu)和側(cè)護(hù)板來實現(xiàn)的。液壓支架的側(cè)護(hù)板和底調(diào)裝置在工作中通常會承受較大的工作阻力，易導(dǎo)致支架護(hù)板的變形，導(dǎo)致在對側(cè)護(hù)板和底調(diào)裝置調(diào)節(jié)時的失效。本文提出將側(cè)護(hù)板結(jié)構(gòu)改為箱形，同時對側(cè)護(hù)板采用高強(qiáng)板進(jìn)行加強(qiáng)。為了降低在調(diào)節(jié)過程中對液壓支架產(chǎn)生的“拉鎖”效應(yīng)，采用了將液壓支架的頂梁支護(hù)角度控制在110°以內(nèi)[3]，將液壓支架底調(diào)的橫梁由單一的相互平衡收縮方式更改為非平衡收縮方式，增強(qiáng)該機(jī)構(gòu)調(diào)整過程中的穩(wěn)定性。采用兩柱式液壓支架后，由于支架整體重量降低，重心下移，因此會在一定程度上提升液壓支架的抗倒性能。

3 液壓支架關(guān)鍵構(gòu)件的強(qiáng)化

液壓支架頂梁和底座的強(qiáng)度直接影響液壓支架工作過程中的支護(hù)安全。針對四臺礦液壓支架在工作過程中頂梁和底座受力變形，加劇支護(hù)不穩(wěn)定性的現(xiàn)狀，本文提出在液壓支架的頂梁上蓋板和下蓋板之間焊接一組厚度為25mm的加強(qiáng)筋，使上下蓋板之間構(gòu)成一個封閉的棋盤型結(jié)構(gòu)，能夠有效地提升液壓支架頂梁處的支護(hù)剛度，降低在受到頂板來壓沖擊作用下的變形。

液壓支架的底座是液壓支架保持可靠支護(hù)的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的液壓支架底座結(jié)構(gòu)通常為由鋼板焊接而成的箱型結(jié)構(gòu)，在焊接位置極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致底座受力變形。因此根據(jù)實際應(yīng)用情況，采用將液壓支架底座的鋼板拼接位置采用圓弧過渡連接[4]，同時在液壓支架底座的前側(cè)位置設(shè)置一個調(diào)節(jié)千斤頂，在液壓支架支護(hù)過程中沿斜面反方向?qū)⑶Ы镯旐敵觯軌蚱鸬綄σ簤褐Ъ芟禄囊粋€抑制力。為了確保對支架作業(yè)人員的防護(hù)，在支架千斤頂四周設(shè)置了防護(hù)擋板，防止落石對人員的傷害。優(yōu)化后液壓支架的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 液壓支架加強(qiáng)后的結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

本文結(jié)合煤礦井下實際情況，提出了合理選擇液壓支架的架型、完善液壓支架的防倒功能、強(qiáng)化液壓支架的主體構(gòu)件結(jié)構(gòu)等方式對液壓支架進(jìn)行優(yōu)化，對優(yōu)化方案等進(jìn)行了論述，結(jié)果表明：

（1）兩柱式液壓支架無后側(cè)的立柱，因此在整個支護(hù)過程中巷道頂板的壓力全作用在兩個立柱上，立柱受力均勻，工作阻力利用率高，而且結(jié)構(gòu)重量小，支護(hù)過程中的工序少、操作簡單、方便，極大地提升了井下支護(hù)作業(yè)效率和液壓支架支護(hù)過程中的穩(wěn)定性。

（2）將側(cè)護(hù)板結(jié)構(gòu)改為箱形，同時對側(cè)護(hù)板采用高強(qiáng)板進(jìn)行加強(qiáng)。將液壓支架的頂梁支護(hù)角度控制在110°以內(nèi)，將液壓支架底調(diào)的橫梁由單一的相互平衡收縮方式更改為非平衡收縮方式，能夠顯著提升液壓支架在工作過程中的穩(wěn)定性。