基于ADAMS軟件的液壓支架頂梁負載特性分析

高志偉

（霍州煤電集團河津騰輝煤業有限責任公司，山西 河津 043300）

掩護式液壓支架憑借著其結構簡單、回撤方便、可靠性好等優點，被廣泛應用于煤礦井下綜采工作面支護。但因掩護式液壓支架質量輕且采用

雙排立柱式［1］支撐結構，其對井下復雜環境的適應性相對較低。為進一步提高該支護方式在井下綜采面的適應性，本文提出采用ADAMS軟件對液壓支架頂梁的負載特性進行仿真分析，旨在獲得掩護式液壓支架頂梁承載調節和工作時的載荷平衡區，從而為優化掩護式液壓支架結構提供參考。

1 工程背景

騰輝煤業井下綜采面的煤層平均傾角為25.8°，煤層的平均厚度為3.6 m，煤層為極軟煤層。井下綜采面的長度約為156 m，綜采面的最大推進長度約為969 m。煤層的底板為細砂巖，頂板為硬質砂巖，采用ZY3400/14/32 型支撐掩護式液壓支架進行巷道支護，通過配平試驗，該支架在支護時的穩定初撐力為15 582 kN。在綜采擾動和礦壓作用下，支架頂梁所受力的位置和大小不斷變化，導致液壓支架支護失穩情況經常發生，嚴重影響了煤礦井下綜采作業安全性。因此迫切需要對不同力作用下的支架頂梁穩定性進行分析，為優化支架結構布置、提高支護穩定性奠定基礎，騰輝煤業井下液壓支架支護結構見圖1。

圖1 井下液壓支架支護實物

2 數值模擬分析

1）數值建模

利用數值模擬軟件建立液壓支架的三維模型，將其導入到ADAMS仿真分析軟件中，設置液壓支架工作時的初撐力為15 400 kN，各個支柱工作時的載荷為11 600 kN，頂板來壓步長為600步，其三維模型結構見圖2。

圖2 液壓支架三維模型

2）液壓支架單點支撐下載荷平衡區分析

通常情況下液壓支架工作時的支護高度越高，其穩定性越差［2］，因此在對液壓支架的載荷平衡區進行分析時，取ZY3400/14/32 型液壓支架在最大工作高度情況下的結構特性，利用ADAMS軟件對支架在單點支撐情況下的頂梁負載情況進行分析，結果見圖3。

圖3 液壓支架在單點支撐情況下頂梁的負載變化曲線

由仿真分析結果可知，掩護式液壓支架頂梁極限負載平衡特性曲線，呈現為漸進的雙曲線分布，在沿著頂梁的縱向方向上，負載的平衡區域可分為最佳的負載區域（Ⅱ區）、千斤頂拉力作用區域（Ⅰ區）以及千斤頂推力作用區域（Ⅲ區）。當在最佳負載區時，支架的平衡千斤頂為外推的工作狀態，頂梁的極限平衡負載隨著頂板對頂梁負載作用位置的外移呈現出逐漸降低的趨勢。當在千斤頂拉力作用區域和千斤頂推力作用區域，平衡千斤頂達到系統設定的穩定工作壓力，當液壓支架在該區域內時，液壓支架千斤頂工作阻力的變化對支架平衡負載影響較小。

由于該型液壓支架頂梁在端部的極限支撐力僅有約9 900 kN（圖中藍色虛線端部所示的平衡外載荷大小），遠小于穩定液壓支架所需的15 582 kN的初撐力要求，因此當井下頂板為不規則體或者破碎面時，極易使液壓支架頂板的前端或者后端單獨和頂梁接觸，形成一種單點支撐的支護狀態，使液壓支架工作時的穩定性極大的降低。

3）液壓支架頂梁水平受力對支架穩定性的影響

當煤礦井下綜采工作面內的煤層頂板相對完整時，掩護式液壓支架的頂梁能夠和煤層頂板正常接觸，但由于綜采作業過程中采煤機截割頂板、煤層底板不平等因素影響，頂梁和煤層頂板的接觸也不是完全的面接觸，而是一種以承載立柱為分界點的雙區域點接觸，此工況下頂板和頂梁之間的水平摩擦力對支架支撐穩定性具有重要的作用［3］。

將液壓支架正對著采空區的方向設置為摩擦力的正方向，根據井下頂板和頂梁接觸時的特點，其摩擦因數f分別設置為0.3、0.2 和-0.2，用于對頂梁水平受力對支架平衡區的影響進行分析。為了便于對穩定區域進行定量判斷，設置摩擦因數為0 時的平衡區域為最佳平衡區［4］（此時外載荷的值為基值），若在不同摩擦因數下的支架承載能力高于穩定區的基值，則說明此情況下為平衡穩定區，反之為不穩定區域，分析結果見圖4。

圖4 不同摩擦因數下支架承載能力變化曲線

由分析結果可知，隨著作用在頂梁上水平力的增加可以提升液壓支架最優平衡區域內的極限平衡載荷，但對于頂梁的支撐力和最優平衡區域范圍的影響不大。這主要是由于在支架最優平衡區域內，支架主要靠支撐立柱來承受作用在頂梁上的外載荷，而作用在平衡千斤頂上的承載力較小。隨著作用在頂梁上的水平力逐漸變大，此時支架頂梁和后側掩護梁鉸接點的作用力也逐漸增加，用于抵消水平力增加對頂梁不穩定性的影響。同時水平力的增加也使作用在頂梁上的平衡區域的合力逐漸移向支架頂梁后側，使支架最優平衡區域的極限平衡載荷迅速增加。

綜上分析，當回采工作面頂板對液壓支架的頂梁產生指向采空區域的水平摩擦力時，摩擦力的增加有利于維護液壓支架整體的穩定性，同時提高極限承載能力，能夠顯著增加掩護液壓支架頂梁的負載能力，增強對井下頂板結構的適應性，提高井下的支護安全性。

3 結論

本文針對現有液壓支架工作時對井下環境適應性差、頂梁負載能力不足的問題，在前人研究的基礎上，結合掩護式液壓支架的結構特點，利用ADAMS軟件對支架頂梁在不同受力特性條件下頂梁的負載特性進行了分析，結果表明：

1）掩護式液壓支架頂梁極限負載的平衡特性曲線呈現為漸進的雙曲線分布，在沿著頂梁的縱向方向上，負載的平衡區域可分為最佳的負載區域（Ⅱ區）、千斤頂拉力作用區域（Ⅰ區）以及千斤頂推力作用區域（Ⅲ區），其中千斤頂拉力作用區代表了支架抗頂梁抬頭的能力，千斤頂推力作用區代表了支架抗頂梁傾斜的能力；

2）綜采工作面煤層頂板對液壓支架的頂梁產生指向采空區域的水平摩擦力，有利于維護液壓支架整體的穩定性，提高極限承載能力，增強對液壓支架對頂板結構的適應性，提高綜采工作面支護安全性。