綜采工作面液壓支架選型研究

劉 波 ，李春英

（1、太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 山西 太原 030024； 2、大同煤礦集團(tuán)幾點(diǎn)裝備公司中央機(jī)廠，山西 大同 037001）

引言

目前，廣泛應(yīng)用于綜采工作面液壓支架的類型有ZZ系列、ZD系列以及ZY系列[1]。液壓支架的選型一般遵循兩點(diǎn)原則：一是液壓支架與頂?shù)装逡ヅ洌欢且簤褐Ъ艿闹文芰σ獫M足要求。總之，液壓支架的選型要充分考慮工作面的圍巖狀況，具體而言，支架選型壓力小會(huì)造成塌方事故，壓力過大會(huì)造成浪費(fèi)。

1 支架與圍巖相互作用的理論基礎(chǔ)研究

支架與圍巖相互作用的理論基礎(chǔ)是基于對(duì)液壓支架工作阻力和頂板下沉距離的研究。據(jù)研究表明：二者之間存在一個(gè)臨界點(diǎn)。若液壓支架的工作阻力高于此臨界點(diǎn)的壓力，則液壓直接承受頂板的壓力；若液壓支架的工作阻力低于臨界點(diǎn)的壓力，則此時(shí)液壓支架會(huì)發(fā)生變形的情況，一定程度上增大工作阻力對(duì)頂板的下沉有顯著的效果。

綜采工作面中的液壓支架和頂板的圍巖呈現(xiàn)一個(gè)對(duì)立統(tǒng)一的關(guān)系。只有保證所選液壓支架的型號(hào)與綜采工作面的相互配合、協(xié)調(diào)才能夠保證綜采工作面經(jīng)濟(jì)、安全、高效的生產(chǎn)[2]。

2 液壓支架外載荷分析研究

液壓支架是由底座、頂梁和立柱以及其他輔助裝置組成的。根據(jù)液壓支架的結(jié)構(gòu)形式可以將其分為：支撐式液壓支架、掩護(hù)式液壓支架、支頂掩護(hù)式液壓支架以及支撐掩護(hù)式液壓支架[3]。不同類型的液壓支架其所對(duì)應(yīng)的外載荷情況也各不相同。

2.1 支撐式液壓支架的外載荷研究分析

支撐式液壓支架支撐力的分布情況與單體液壓支架有點(diǎn)相似，在液壓支架不工作時(shí)，壓力主要靠前排立柱承擔(dān)，當(dāng)頂板有壓力傳來時(shí)，壓力主要靠后排壓力承擔(dān)。鑒于工作時(shí)后柱壓力高于前排壓力的情況，該類型支架主要適用于頂板比較完整或堅(jiān)硬的情況。

然而，當(dāng)頂板發(fā)生冒落的情況時(shí)，后柱的壓力過大會(huì)給液壓整體一個(gè)很大的水平推力，造成液壓支架受損。因此，在綜采工作面中冒落處安裝木垛，或者將后柱壓力改為拉力，對(duì)支架來進(jìn)行掩護(hù)。

2.2 掩護(hù)式液壓支架外載荷研究分析

掩護(hù)式液壓直接適用于頂板比較破碎的綜采工作面中使用，該類型液壓支架的優(yōu)勢(shì)在于能夠減小控頂?shù)木嚯x，從一定程度上減少了頂梁與頂板之間的支撐次數(shù)，進(jìn)而提高了液壓支架對(duì)頂板的支撐力。但是，當(dāng)液壓支架工作時(shí)立柱的工作阻力并不能夠完全體現(xiàn)到頂板的支撐力上，因?yàn)榱⒅c頂板呈一定的角度。

2.3 支頂掩護(hù)式液壓支架外載荷研究分析

支頂掩護(hù)式液壓支架結(jié)合了支撐式液壓支架和掩護(hù)式液壓支架的優(yōu)勢(shì)，該類型的液壓支架的優(yōu)勢(shì)在于：支頂掩護(hù)式液壓支架的工作空間大、受力情況好、具有很好的掩護(hù)特性。值得注意的是，只有將支架的工作阻力作用于立柱和頂梁的鉸接處才能夠充分發(fā)揮支架的作用，若支架的工作阻力未能作用在該位置，支架的整體工作性能將下降，而且還會(huì)對(duì)支架產(chǎn)生附加的力。

2.4 支撐掩護(hù)式液壓支架外載荷研究分析

支撐掩護(hù)式液壓支架與支頂掩護(hù)式液壓支架相比，支撐掩護(hù)式液壓支架的頂梁的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，掩護(hù)梁的長(zhǎng)度較短，一定程度上提高了支架的支撐力，并改善了支架底座與底板的受力情況。而且，該類型還有一定優(yōu)勢(shì)在于，當(dāng)支架前方的受力點(diǎn)位于前排立柱上方時(shí)，此時(shí)液壓支架的承載力與立柱的工作阻力相同，也就是說此時(shí)增加了液壓支架的承載能力。除此之外，支撐掩護(hù)式液壓支架對(duì)工作面頂面的適應(yīng)能力強(qiáng)，對(duì)地面的適應(yīng)能力也很強(qiáng)。

3 液壓支架強(qiáng)度的分析研究

液壓支架的承載能力很大程度上是由液壓支架的工作阻力和初撐力決定的。

3.1 液壓支架工作阻力的計(jì)算

液壓支架的工作阻力是液壓支架的關(guān)鍵參數(shù)之一，其計(jì)算方法也很多。常見的計(jì)算方法有：巖石自重法、動(dòng)載系數(shù)法、載荷折算法、老頂來壓步距法、頂?shù)装逡平糠ā⒅Ъ芄ぷ魈匦苑ā?shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)法、臨界阻力法以及數(shù)值模擬法等[4]。

1）巖石自重法。我國(guó)對(duì)巖石自重法的研究相對(duì)比較深入，而且計(jì)算所得結(jié)果與實(shí)際相差不遠(yuǎn)。該方法是通過頂板來壓時(shí)產(chǎn)生的沖擊載荷來確定液壓支架的工作阻力。

2）動(dòng)載荷系數(shù)法。通過平均工作阻力和最大工作阻力等因素，確定液壓支架的動(dòng)載荷系數(shù)，進(jìn)而求得液壓支架的工作阻力。

3）載荷折算法。依據(jù)綜采工作面情況相近的單體液壓支柱的支護(hù)強(qiáng)度，采取一定的計(jì)算手段折算出液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度。該方法是基于大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，因此具有一定的局限性。

4）臨界阻力法。根據(jù)實(shí)際工作中液壓支架的實(shí)際工作阻力確定為臨界阻力，而后乘以一定的系數(shù)，最終確定了液壓支架的工作阻力。

3.2 液壓支架初撐力的計(jì)算

1）初撐力主要體現(xiàn)了液壓支架從不平衡到平衡的發(fā)展過程。若所采用液壓支架的初撐力低或者初撐力利用率低的支架很難保證液壓支架工作達(dá)到一個(gè)平衡的狀態(tài)，很容易發(fā)生頂板的事故。

2）初撐力從一定程度上決定了液壓支架的工作阻力。據(jù)研究表明，當(dāng)液壓支架初撐力增加時(shí)，液壓支架的平均阻力也相對(duì)增加，從一定程度上減少了直接頂被破壞的事故發(fā)生。

3）初撐力適當(dāng)不僅可以增加液壓支架的剛度，從而避免了頂板早起下沉的情況發(fā)生。

3.3 液壓支架的選型原則

液壓支架的選型主要指的是支架結(jié)構(gòu)形式和工作阻力的確定。在生產(chǎn)中，主要根據(jù)采高、底板抗壓入特性以及開采方式?jīng)Q定液壓支架的結(jié)構(gòu)[5]。根據(jù)我國(guó)的地理位置和地下每層的分布情況，支頂掩護(hù)式液壓支架和支撐掩護(hù)式液壓支架比較適用，而支頂掩護(hù)式液壓支架適用于頂板不穩(wěn)定的工作面，支撐掩護(hù)式液壓支架適用于頂板穩(wěn)定而且來壓強(qiáng)烈的工作面。

工作阻力和初撐力的選型主要依據(jù)3.1和3.2的內(nèi)容。一般情況下，液壓支架選型結(jié)束后需對(duì)支架的選型進(jìn)行校核，主要完成對(duì)底座尖端比壓的校驗(yàn)，并考慮適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)進(jìn)一步優(yōu)化液壓支架的設(shè)計(jì)和選型。

4 結(jié)語

液壓支架作為綜采工作面的關(guān)鍵支護(hù)設(shè)備，其選型與綜采工作面是否匹配決定著煤炭開采能否安全進(jìn)行。通過對(duì)支撐式液壓支架、掩護(hù)式液壓支架、支頂掩護(hù)式液壓支架及支撐掩護(hù)式液壓支架外載荷情況分析，并結(jié)合液壓支架相關(guān)參數(shù)的理論計(jì)算，為綜采工作面的液壓支架選型提供理論支撐。

[1] 王國(guó)法.液壓支架技術(shù)體系研究與實(shí)踐[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010，35（11）：1 903-1 908.

[2] 董繼先，郭媛，馬安強(qiáng).綜采液壓支架發(fā)展回顧與前瞻[J].煤礦機(jī)械，2004（12）：1-3.

[3] 王國(guó)法.工作面支護(hù)與液壓支架技術(shù)理論體系[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，39（8）：1 593-1 601.

[4] 黃慶享，胡火明，劉玉衛(wèi)，等.淺埋煤層工作面液壓支架工作阻力的確定[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2009，26（3）：304-307.

[5] 王國(guó)法.大采高技術(shù)與大采高液壓支架的開發(fā)研究[J].煤礦開采，2009，14（1）：1-4.