基于截面幾何尺寸的礦井液壓支架結構設計研究

次亞坤

（晉能控股裝備制造集團大同機電裝備公司中央機廠，山西 大同 037001）

引言

礦井液壓支架的支護是地下煤礦開采的基本保護措施。從開采過程來看，液壓支架支撐的著力點更為重要，因為它直接保護了巖體開采區。液壓支架支撐主要是旨在保護工作空間（開采長壁）免受巖體變形的影響，支架由相互配合的獨立連接部分組成。單個區段和整個支架的操作參數影響開采過程的能耗和頂板巖層崩落的程度[1]。在操作過程中，每個液壓支架的組件部分都執行許多動作，并且隨時向前移動。本文旨在驗證液壓支架簡化模型的試驗結果，驗證所開發的測量系統和傾角儀，并證明液壓支架伸縮機構運行期間會發生扭轉，從而導致不平衡載荷。在這種狀態下工作可能會導致支腿負載不均勻、截面結構元件不對稱彎曲，對巖體切割過程的能耗產生負面影響。同時得出無論是在臺架試驗還是在真實條件下，使用支撐截面的簡化模型可以驗證特定狀態下試驗截面的幾何形狀是否滿足工程要求。

1 液壓支架應用簡介

1.1 基本機構

圖1-1顯示了Glinik-20/45-POz型礦井液壓支架的支撐部分，通過圖形標記了基本部件。液壓支架支撐部分的設計很復雜，基本結構組件如圖1-1所示。

圖1-2顯示了由于未能保持其幾何形狀而產生的不均勻載荷對支架運行的影響。礦井液壓支架滾輪系統螺栓的凸耳安裝處有一條可見的裂紋。

1.2 應用工況

實際上，隨著時間的推移，液壓支架支架最常承受靜態或可變負載，但變化幅度小、頻率低。因此，斷面荷載參數主要取決于圍巖狀態[2]。然而，單個部分的結構以及所使用的電源系統和控制系統對這些負載有重大影響。

圖1 液壓支架支撐部分及其由非對稱載荷引起的變形示例

頂板支護部分與巖體配合的簡圖如下頁圖2所示，作業期間，頂板支架承受頂板巖石的過載，并將它們轉移到沖擊支架的底板上。因此，頂板支護與巖體的配合既取決于頂板支護的結構，也取決于進行開挖的巖體的力學特性[3]。同時崩落或碎石的塌陷的物理特征對整個區域安全性也有著較大的影響。

2 簡化模型的截面幾何分析

在液壓支架操作過程中，頂板伸縮部分不能總是完全展開（即平行于屋頂和地板）。事實上，即使液壓支架達到這樣的狀態，它也會在不同的平面上運動。這導致該部分的頂棚和地板基座以及其他機械元件上的負載不均勻，液壓缸上的負載也不均勻。由此產生的不對稱可能導致超出允許的狀態，這反過來可能導致截面元件的損壞及其不正確的操作，同時阻礙了支架與巖體的配合，并可能導致屋頂損壞和整個動力聯合體的運行出現問題。

圖2 液壓支架支撐圍巖簡圖

因此，對單個支持部分的分析采用適當的假設至關重要。有必要對液壓支架截面的幾何模型開展分類討論。截面的基本幾何參數將根據液壓支架模型確定。本文根據工程情況，探討了截面的幾何模型種類如圖3所示。

圖3 液壓支架不同幾何尺寸造型

圖3顯示了由于不同圍巖與煤炭連接導致變形、由屋頂施加的載荷的靜態沖擊而處于膨脹狀態的支撐部分。根據斜撐狀態，為斜撐準備了不同截面結構圖和表征其載荷的力的平面圖。它構成了針對礦井給定開挖條件的設計過程和液壓支架支護選擇的基礎。

3 液壓支架工程試驗分析

3.1 測試臺的安裝

通過簡化模型研究獲得的液壓支架截面最可能的幾何狀態進行了臺架試驗。如前所述，對Glinik-20/45-POz型液壓支架支撐部分的原型結構進行了研究。

進行臺架試驗的基礎是開發合適的測量系統并專門用于測試支撐部分的幾何形狀，傾斜儀是這個系統的基本元件。開發了一種特殊的信息技術工具來記錄、分析和可視化測試結果。

3.2 測試幾何圖形的確定

作為臺架試驗的結果，簡化截面模型的試驗結果得到了驗證。將臺架試驗中獲得的幾何參數值與液壓支架理論計算獲得的幾何參數值進行比較，確定每個幾何尺寸的精確投影圖，將這些通過理論和試驗分析后得出的幾何尺寸模擬于真實工況。

在這些測試中選取常見的四種液壓支架幾何狀態的示例，如圖4所示。

圖4 四種類型液壓支架幾何狀態簡化圖

3.3 測試組件安裝

工作面長壁移動的液壓支架截面幾何形狀的分析包括平行于頂板和底板的天棚、雙紐線系統和盾構支架。無線傳感器和測量系統的布置類似于臺架試驗。為此，在安裝傳感器時，使用了帶有磁鐵的特殊設計的板，傾斜儀安裝在該板上。該解決方案的應用能夠穩定、連續地測量測試參數，并明確了長壁工作面液壓支架容易斷裂的位置。

3.4 試驗結果分析

通過工作面對支架工作阻力進行觀測，開始時采取遠程讀取直讀式壓力表的方式，每天只觀測一次。在工作面過斷層開采期間分別四個不同幾何尺寸的液壓支架前后兩立柱工作阻力進行了監測記錄，工作阻力變化曲線如下頁圖5所示。

圖5 液壓支架前后兩立柱工作阻力曲線圖

由下頁圖5可以看出，工作面支架工作阻力主要分布在6 200～7 500 kN之間，最大工作阻力為7 412.6 kN，是額定工作阻力的88.23%，該情況出現在類型1幾何尺寸上，說明液壓支架呈現出類型1的幾何尺寸后容易發生結構斷裂。同時其余類型幾何尺寸也出現了不同程度的前后立柱受力不一致的情況，說明處于非常不利的負荷條件下。因此，在對液壓支架進行設計時，應當考慮頂板與立柱之間的夾角，對于整體結構的受力有著較大的影響。類型3幾何尺寸顯示頂板的角度是180°，且前后立柱的受力趨勢較為均勻，而類型2和類型4顯示出了前后立柱受力方向的不統一性。由此可以得出，液壓支架頂板的角度與地面保持平行為最佳狀態。

4 結語

本文的主要目的是研究開發一種有效的方法，以確定在液壓支架在操作過程中的位置（幾何形狀）合理性。利用了角度傳感器（傾角計）的使用安裝在選定的機械元件的部分，獲得不同形態的幾何形式測試結果。所獲得的結果清楚地表明，在理論分析中還沒有考慮到的液壓支架結構存在一些擾動。在運行過程中獲得的分析結果表明，在許多工況情況下，其整體部件受力是不對稱的，處于非常不利的負荷下。因此，在強度分析和結構設計中應當對該因素進行考慮，因為在許多情況下，幾何尺寸不合理是造成截面元件損壞的原因，尤其是頂板角度的安裝問題，在對礦井液壓支架設計時應當加以注意。本文研究成果為礦井液壓支架結構設計提供了依據。