回填充液壓支架在煤礦井下的應用及結構優化

樊穎輝

（陽泉煤業集團翼城堡子煤業有限公司， 山西 翼城 043500）

引言

自固體回填采礦技術研究開發以來，已被廣泛應用于我國多個煤礦集團，包括鐵路建設、地下水路建設、煤礦礦道開發等多個方面。回填液壓支架是全機械化固體回填開采關鍵設備技術，有助于固體回填材料的運輸以及直接提供回填材料的空間和夯實力?；靥钜簤褐Ъ艿男阅軈抵苯佑绊懟靥钚屎突靥铙w緊湊性以及最終的巖層控制。

關于回填液壓支架，苗新和等人通過對比分析固體回填煤礦與傳統煤礦的差異建立了礦山壓力的力學模型。該分析方案計算得到了屋頂的支撐位移曲線。周浩等人分析了冠層和冠層的應力狀況和三排柱應力的關系，研究建立液壓支架回填蓋的力學模型；其運動過程屬性的提升也在這項工作中進行了研究。張義等人定義了回填液壓支架垂直頂板間隙，研究垂直屋頂間隙挖掘高度和深度的變化規律并分析其影響因素。在這項研究中，設計了一個垂直屋面間隙的合理性判斷方法，然后形成測試指數。同時，他們提出了回填液壓支架的回填概念屬性并闡述其回填特性的內涵和控制措施。翠平平等介紹六柱回填液壓支架工作阻力計算方法并優化四連桿機構的結構參數。以上研究均集中在支持結構方面、支持與周邊之間的互動以及基本的技術參數上，而幾乎沒有任何研究得出最佳的結構設計[1]。

1 回填液壓支架的基本結構性能

目前，回填液壓支架廣泛應用在各大煤礦當中，主要由立柱、底座、夯實結構和四桿連鎖組成。具體來說，回填液壓支架有六柱四柱聯動和四柱四桿聯動兩種形式。

保護采煤作業空間和回填操作空間，屋頂距離控制（即屋頂篷長度）的回填液壓支架增加和支持的整體結構明顯不同于傳統的全機械化液壓支架。具體的結構特性是頂棚結構變化，屏蔽梁改變進入后屋頂蓋和屋頂蓋組成正面屋頂蓋和后屋頂蓋；增加回填刮板輸送機懸掛在后部屋頂的內部華蓋，提供固體回填材料的運輸能力；夯實結構被鉸接在基座上提供固體回填材料的夯實能力。夯實結構被鉸接在基座的末端來實現上下不同角度擺動；夯實在搗固結構的前端設置板，且實現夯板傳遞的壓力緊湊的固體材料搗固。

六柱四桿機構和四柱四桿機構回填結構的差異主要是：液壓支架分別包含不同數量的列。前者有六列，后者有四列；與六連桿相比，四連桿具有不同位置的鉸接；前者與中間部分鉸接，前屋頂蓋和后者共用同軸與前面和后面天窗一起搖晃；搗固結構的不同控制模式，前者從下層進行控制搗固結構和后者從夯實結構的上部進行控制。

2 工程應用情況

回填液壓支架是集成回填和采礦的關鍵設備，不僅具有基礎性煤礦開采所需的傳統支護功能，還包括回填所需的特殊功能。它的技術性能包括結構性能、支撐性能、搗固性能和機械響應特性等，結構性能包括列數、水平屋頂間隙、垂直屋面間隙、屋蓋比率等；支撐屬性包括支持強度，具體樓層壓力等；搗固性能包括搗固力、搗固角等；機械響應特性包括列的負載分布等。回填液壓支架目前在工程應用中出現的主要問題有：煤層傾斜角度和特殊性地質條件適應性低，采礦高度變化范圍大引起的搗固結構適應性差[2]。

3 回填液壓支架的結構優化

配備特殊的回填液壓支架回填屏蔽和實施的功能。該關鍵部件的尺寸參數如屋頂的長度控制，屋頂長度比，四柱形式連接和鉸接位置會影響回填特性像支撐性能、搗固性能和機械性能?；靥钜簤褐Ъ茉O計優化的基本原理是通過密鑰的優化使回填的支持屬性達到結構尺寸與實際工程相結合的最佳狀態，即滿足設計要求基本技術參數，最優合理尺寸配置和回填最佳狀態的實現屬性。

支撐的優化設計從組件選擇和尺寸兩個方面優化進行。這項工作中的尺寸優化指的是通過回填性能評估系統，對四連桿機構，后屋頂蓋和夯實結構、尺寸有效性的優化；特別是借助于動態優化設計方法，如Pro/E。

3.1 四連桿機構的優化設計

屋頂篷前端運動軌跡，壓力連桿和前后車頂蓋，煤礦和回填空間等效果都是由四連桿機構決定的。圖形方法和分析方法經常被用來進行優化設計。在回填四桿機構的優化設計中液壓支架，變量主要包括最大支撐高度（hmax），最小值支撐高度（hmin），振幅（D0）。后方鉸接點之間的水平距離為A0，后連桿鉸接點和底座之間的高度B0，后連桿與水平線的夾角α0（一般不超過85°，當支架處于最高位置時常常為75°～85°，當它處于最低位置時常常為25°～30°），上部連桿背角β0（52°～70°時支撐在最高位置，10°～16°時支撐在最低位置），如圖1-1所示。優化原理圖圖1-2中顯示了回填液壓支架的四連桿機構。這項工作中的四連桿機構的優化設計主要是通過改變正面鉸接點的比例，圖1-1中改變ME長度的連接，即從圖1-2中的S到S′。這種改變將導致這種屋蓋前端運動軌跡的差異情況[3]。

圖1 回填液壓支架的四連桿機構優化示意圖

3.2 屋蓋長度比（后頂篷）的優化設計

屋蓋長度比的變化明顯影響支撐的穩定性，屋頂蓋負載分配，支撐和夯實承重性能；屋蓋長度比是優化設計中重要的優化目標。不同類型的回填液壓支架具有不同的屋蓋長度比，六柱回填支架的屋蓋長度比在1∶0.80和1∶0.56之間，而四柱回填支撐屋蓋長度比在1∶1.33和1∶0.53之間。屋蓋長度比的優化為主要通過優化后頂篷的長度來實現（在圖2中從L2改變為L2′）。具體來說，結構性能指標、配套性能、搗固性能和機械響應屬性是通過改變后部屋頂的長度來獲得的，然后通過綜合評價指標判斷優化程度。優化屋蓋長度比示意圖見圖2。

圖2 屋蓋長度比的優化示意圖

3.3 搗固結構的優化設計

夯實結構是影響夯實性能的重要結構，特別反映在本研究中的搗固結構優化主要是指改變長度和擺動位置搗固結構以及回填料的刮板輸送機懸浮高度 （從 Lmin改為 Lmin′，a 到 a′和 g 到 g′分別在圖 3中）。優化原理圖的搗固結構如圖3所示。

圖3 搗固結構的優化設計示意圖

4 結論

選擇液壓支架的基本類型，根據要求和設計依據優化液壓支架，符合相關標準和規范的要求，符合采煤技術合理結構要求，應力狀態良好，穩定性高，支撐和移動能力良好，支持強度高，根據煤炭煤層的發生情況、屋頂和底板的情況確定液壓支架的參數，具體包括支持強度、工作阻力、設置負載、最大/最小支撐高度、中心距離和支持的寬度等，其中，結構和尺寸的優化主要包括四桿機構的優化、屋蓋長度比的優化與優化搗固結構的優化。