四柱式液壓支架工作特性的應用研究

時小軍

（山西古縣蘭花寶欣煤業有限公司， 山西 古縣 042405）

引言

近年來，隨著煤礦綜采掘進技術的不斷進步，綜采作業時的深度不斷加大，煤礦井下的地質條件也日趨復雜，在綜采作業時出現巷道塌方、垮落等事故的概率不斷增加。因此，對井下綜采作業時的支護安全性提出了更高的要求[1]。四柱式液壓支架作為一種重要的井下巷道頂板支護設備，具有承載能力強的優點，但由于其結構復雜，對井下地質條件的要求也較高，支護作業時的適應性較差，在使用過程中也存在著較大的安全隱患，極大地影響了煤礦井下的綜采作業安全性。

本文以四柱式液壓支架為分析對象，對其支護作業時的受力承載特性進行研究，明確了在不同工作環境條件下的液壓支架安全支護特性區間，同時根據分析結果明確了四柱式液壓支架的適應條件，極大地提升了液壓支架在應用過程中的支護安全性和對復雜地質條件的適應性，對提升煤礦井下的支護作業安全、煤礦井下的綜采作業效率具有十分重大的意義。

1 四柱式液壓支架的承載能力分析

為了對四柱式液壓支架的承載特性進行分析，在液壓支架上設置傳感器設備，對支架的頂梁到尾部不同距離條件下支架的承載能力進行分析[2]。該液壓支架在最大支護高度情況下，前側的兩個立柱和豎直方向的夾角為7.8°，后側的兩個立柱和豎直方向的夾角為0°；前側兩個立柱到頂梁與掩護梁連接點位置的距離為2 246 mm，后側兩個立柱到頂梁與掩護梁連接點位置的距離為691 mm。而四柱式液壓支架在支護作業時的有效承載區域為兩者共同構成的承載區，即支架的頂梁到尾部距離為691～2 246 mm 的區域，其寬度范圍為1 555 mm，不同距離條件下的承載能力如圖1 所示。

圖1 至頂梁到尾部不同距離時液壓支架的承載特性

由圖1 可知，在頂梁到尾部距離不同條件下，液壓支架的有效承載能力呈現出了先增加，然后再逐漸降低的趨勢，其最大承載能力為在頂梁距離尾部約1 470 mm 的位置，最大承載載荷約為12 000 kN。

2 四柱式液壓支架承載特性影響因素分析

由以上分析可知，液壓支架在支護作業時的承載特性與頂梁到尾部距離有關，同時根據對液壓支架應用狀況的長期分析發現，影響四柱式液壓支架承載特性的因素還包括以下幾個方面[3]：

2.1 液壓支架前后排立柱的支護阻力

液壓支架工作時，前后側的立柱工作阻力不同，將導致液壓支架頂梁的承載區間和角度發生變化，在確保最大支撐能力不變的情況下，最終改變支護作業時在距離頂梁尾部不同距離處的承載能力。根據所用的四柱式液壓支架前排立柱和后排立柱的有效支護阻力區間（前側支柱的支護阻力為6 000～7 000 kN，后側支柱的支護阻力為3 000～4 000 kN 之間），對其不同組合狀態下的應用支架承載特性分析結果如下頁圖2 所示。

圖2 不同支護阻力下液壓支架的承載特性

由分析結果可知，當液壓支架前側立柱的支撐阻力為7 000 kN、后側立柱的支撐阻力為3 000 kN 情況下，液壓支架的最大有效承載能力仍為12 000 kN，此時其有效承載區域在頂梁距離尾部500～2 100 mm的范圍內，有效支護寬度增加到了1 600 mm。當液壓支架前側立柱的支撐阻力為6 000 kN、后側立柱的支撐阻力為4 000 kN 情況下，液壓支架的最大有效承載能力仍為12 000 kN，此時其有效承載區域在頂梁距離尾部850～2 350 mm 的范圍內，有效支護寬度降低到了1 500 mm。但調整后液壓支架支護時在液壓支架頂梁的端部和尾部的支護能力比最初均有了顯著的提升。由此表明，通過加大液壓支架前側兩個支柱的工作阻力，并同步降低后側的兩個支柱的工作阻力，能夠顯著提升液壓支架支護作業時的支撐力和支護穩定性。

2.2 液壓支架的整體結構尺寸

液壓支架的整體結構尺寸與液壓支架支護時的承載特性具有直接的關系，其承載能力主要取決于前側支架和后側支架之間的距離。當按結構設計比例增加兩組支架的距離后，能夠有效地提升其工作時的承載能力。但增加液壓支架的整體結構尺寸，將導致支架組整體重量和支護作業的難度增大。

3 四柱式液壓支架的井下適應性分析

由于四柱式液壓支架在工作時承載能力大，而且通過調整前側支架和后側支架的支護阻力能夠靈活地調整其承載能力[4]，因此，比較適合應用于井下地質環境多變、綜采作業時頂板壓力波動大、支護作業要求高的環境條件。

4 結論

本文針對四柱式液壓支架在應用過程中對井下復雜環境的適應性差、收撤速度慢等缺點，以及支護作業時承載不穩定，嚴重影響煤礦井下綜采作業效率和安全性的現狀，以四柱式液壓支架為研究對象，對其在不同支護條件下的承載工作特性進行了研究，結果表明：

1）在頂梁尾部距離不同條件下，液壓支架的有效承載能力呈現出了先增加然后再逐漸降低的趨勢，其最大承載能力為在距離頂梁尾部約1 470 mm 的位置，最大承載載荷約為12 000 kN。

2）通過加大液壓支架前側兩個支柱的工作阻力，并同步降低后側兩個支柱的工作阻力，能夠顯著提升液壓支架支護作業時的支撐力和支護穩定性。

3）四柱式液壓支架在工作時承載能力大，比較適合應用在井下地質環境多變、綜采作業時頂板壓力波動大、支護作業要求高的環境條件。