一側可斜支撐四支柱支架的設計與分析

嚴海峰，趙 洋，徐靈靈，裴康超

(河北工程大學機械與裝備工程學院，河北 邯鄲 056038)

0 引言

近年來，我國實現了從傳統長壁開采的留煤柱開采到無煤柱沿空留巷的演進，解決了開采與掘進交替緊張的問題，提高了工作面回采效率[1-3]。新的切頂卸壓技術的提出又解決了沿空留巷巷道圍巖變形量大和頂板應力集中的問題[4-5]。但在中厚煤層的條件下，頂板須支撐壓力大，回轉變形大，不宜強支撐。巖幫先受采空區碎石跨落的動壓沖擊，后承受穩定的橫向壓[6]，因此，為了控制厚煤層切頂巷的頂板及巖幫，需要設計一種合理的支頂護幫方案，保證巷道穩定性。本文提出了一種新的支架聯合擋幫結構的力傳遞擋矸支頂方案，將擋矸護幫與支撐頂板作為整體來考慮，能夠實現擋矸與支頂聯合防護，解決了中厚煤層重載條件下，擋矸U型鋼彎曲失效的問題。同時對一側可斜支撐的四支柱支架的結構部分進行設計:支架的一側立柱可傾斜，另一側立柱豎直。本文對此方案的支架部分進行計算，對支架承力結構的箱型頂板進行力仿真分析，并提出優化方案。

1 支架聯合擋幫結構的力傳遞擋矸支頂方案

聯合擋矸支護方案主要應用于中厚煤層的切頂(見圖1)。首先，按所設計的支護參數對巷道頂板加強支護：一側可斜支撐的四支柱液壓支架布置于采空區側，采煤區側布置有單體液壓支架補強，巷道頂板打有恒阻讓壓錨桿。回采期間，通過切頂預爆破技術對預裂孔進行預裂切縫，待工作面推進至切縫處后，及時布置擋矸裝置及力傳遞裝置。擋矸布置采用36U型鋼配合菱形擋矸網的布置方式(見圖2)，同時，上下U型鋼件之間用2個恒阻卡扣相互連接，合理調整恒阻卡扣的預緊力，使擋矸布置在承受側向力的同時，也能夠有一定柔性的支頂力。力傳遞裝置如圖3所示：頂部通過卡扣與U型鋼聯合，與U型鋼接觸部分涂有潤滑脂，使力傳遞裝置在卡緊的情況下能夠上下移動，從而只傳遞側向力而不傳遞豎直方向的力；底部通過螺栓與支架連接，中間有3根傳力彈簧。

1—一側可斜支撐的四支柱液壓支架；2—彈簧力傳遞裝置；3—擋矸布置；4—單體液壓支架。圖1 切頂巷支頂擋矸布置簡圖

圖2 擋矸布置圖

圖3 彈簧力傳遞裝置

一側可斜支撐四支柱支架的斜立柱向切頂線側動態傾斜，結合液壓立柱的聯合液壓控制器及一些壓力傳感器，能夠隨著采空區頂板的不斷跨落壓實，對擋矸裝置的壓力變化，動態調整斜向立柱角度，提高擋矸支護效果。最后，待巷道穩定后，撤除臨時支護設備，封閉采空區，完成留巷。

2 一側可斜支撐的四支柱支架結構設計計算

2.1 一側可斜支撐四支柱支架整體結構介紹

一側可斜支撐四支柱液壓支架整體結構由2個一側斜撐雙立柱液壓組合單元支架和總頂板及一些連接件構成(見圖4)。一側可斜支撐雙立柱液壓組合單元支架的主體結構是由2個礦用雙伸縮立柱320/230 構成(見圖5)，此立柱在活塞裝有單向閥，使各級缸所承受的負載基本一樣，從而保證支架支撐的平穩。其中一側立柱頂端的套頂結構在箱型頂板軌道上向另一側套頂移動，套頂兩側通過2個推移液壓桿來實現斜立柱的移動控制，同時布置制動鎖止機構，使能夠斜立柱的任意位置穩定停止并能夠承受荷載。

圖4 一側可斜支撐的四支柱支架整體結構

1—推移液壓桿；2—箱型頂板；3—斜立柱箱型頂套；4—雙伸縮雙作用液壓缸；5—斜立柱箱型底座；6—箱型底板。圖5 一側可斜支撐的雙立柱組合單元支架結構

一側可斜支撐雙支柱單元組合支架的箱型頂板上焊接有的半圓形支頂件可以去掉，也可以直接焊接為平頂的結構來取代半圓形支頂件，這樣，一側可斜支撐雙支柱單元組合支架便能夠單獨作為一個整體來承受頂板及擋矸壓力。同時，可拆卸式設計方便安裝與運輸，減少勞動強度。液壓支架配合使用電液控制器來完成對支架內的液壓元件的協同控制，通過設置合適的立柱與推移桿的同步運動，保證總頂板及拱形件連接件運動的合理性。

2.2 支架的主要參數設計

高度：2 200～3 600 mm；支架伸縮比：1.44；支頂面積：3.24 m3；支護強度:0.635 MPa；立柱形式:雙伸縮立柱；缸徑：320/230 mm。

支架高度的確定：

Hm≥hm+S1

Hm≤hn-S2-a-δa

(1)

其中，Hm為支架最大高度，m；Hn為支架最小高度，m；hm為煤層最大厚度，m，hm=4 m；hm為煤層最小厚度，m，hn=2.6 m；S1一般取值0.2～0.3 m，為危頂時的支撐高度，取S=0.2 m；S2一般推薦取值0.1～0.3 m，為頂板最大下沉量，取S=0.2 m；a為移架時，支架前后位置高度偏差，參考經驗取a=0.05 m；δa為浮煤浮桿厚度，一般取δa=0.05 m。Hm≥3.4+0.2=3.6 m；Hn≤2.5-0.2-0.05-0.05=2.2 m。適應煤層范圍為2.4～3.4 m的支架支撐設計高度為2.2～3.6 m。

支架伸縮比：

(2)

支護面積：

FC=L×B=1.8×1.8=3.24

液壓支架最大結構高度：

Hmax=Mmax-S1

(3)

液壓支架最小結構高度：

Hmin=Mmin-S2

(4)

其中，Mmax為煤層最大截高，m；Mmin為煤層最小截高，m；S為偽頂冒落的最大高度，對于中厚煤層取0.2～0.3 m，取S=0.3 m。S為考慮周期來壓時的頂板下沉量、支架移架時的下降量，對于中厚煤層支架取200～300 mm，取S=0.4 m。

所以，Mmax為3.6 m-0.3 m=3.3 m；Mnin為2.2 m+0.4 m=2.6 m。

支護強度計算公式如下:

q=KMρ×10-3

(5)

其中，K為作用于支架頂部的矸石厚度系數，一般取5～8，取K=7；M為截割高度，m；p為巖石密度，一般取2.5×103kg/m3。

q=KηMρ×10-3

(6)

其中，η為動載系數，取η=1.1。計算得q=7×3.3×2.5×103×10-5×1.1=0.635 MPa；工作阻力：p=q×Fc=0.635×3.24=2.06 MPa。

3 支架箱型頂板受力分析

3.1 箱型頂板結構分析

一側可斜支撐四支柱液壓支架箱型頂板結構由頂板、連接板、筋組成(見圖6)，材質為Q345鋼，整體結構焊接而成，通過焊接與斜立柱箱型頂套和直立柱箱型頂套連接。

圖6 箱型頂板結構示意圖

3.2 箱型頂板的三維模型建立

根據箱型頂板的基本構造特征，在SolidWorks環境中構建箱型頂板的三維模型，將箱型頂部的過度圓角和倒角進一步簡化，忽略了非關鍵的孔深，只保存了箱型頂部的基礎構造，提高了分析的準確度。箱式頂板的三維構造模型如圖7所示。

圖7 箱型頂板三維結構模型

3.3 頂梁結構仿真模型建立

該四支柱液壓支架的主要承載部位是箱型頂板，需要對箱型結構進行受力分析和強度校核，以確保支架結構設計和強度滿足使用要求。

將建立的箱型頂板結構的三維模型轉換為通用文件格式IGES并導入Workbench18.0有限元分析軟件中建立箱型頂板的仿真模型。斜立柱套頂和直立柱套頂等構件也需要建立仿真模型，與箱型頂板連接，箱型頂板表面設置接觸約束，材質屬性設置為Q345。將仿真模型在ANSYS中的網格劃分大小設置為5 mm，并對關鍵部位網格進行加密處理，保證網格厚度大于3個。箱型頂板的仿真模型如圖8所示，材質參數如表1所示。

圖8 箱型頂板的仿真模型

表1 箱型頂板的材質參數

3.4 受載分析

斜立柱套頂和直立柱套頂固定，與箱型頂板的連接類型設置為接觸，箱型頂板圓形構件上施加3 500 kN的載荷，方向豎直向下，由ANSYS有限元得到箱型頂板總變形圖(見圖9)，最大變形發生在箱型頂板圓形構件上，最大變形量為1.217 mm。由ANSYS有限元得到箱型頂板總應力圖(見圖10)，由圖可知，箱型頂板圓形構件上的應力約為405 MPa，該值超過頂梁材質的屈服強度345 MPa，故該工況下箱型頂板結構薄弱點為圓形構件區域，箱型頂板在該工況下長期受載使用則可能發生區域結構變形和開裂現象，對箱型頂梁結構穩定性和支護能力產生嚴重影響；同時最高應力大于屈服強度345 MPa，且覆蓋區域很小，說明此箱型頂板存在應力集中。

圖9 箱型頂板總變形圖

圖10 箱型頂板應力圖

3.5 優化方案

為提高箱型頂板的圓形構件區域的結構強度，將此區域的鋼板加厚，采用雙層鋼板疊加來增強結構。同時為了保證整體重量不變，可以適當降低負載較低的其他區域的強度。箱型頂板存在應力集中，為了消除此影響，可以在應力集中的附近開孔，孔徑2 mm左右，開孔2～3個，減少應力集中，降低最大應力值。優化后的箱型頂板應力圖如圖11所示。

圖11 優化后的箱型頂板應力圖

從圖11中可以看出，圓形構件部分的最大承載力基本滿足要求，已經滿足鋼的極限屈服強度345 MPa，同時應力集中現象也有所降低；但應力集中現象尚沒有完全消除，可以考慮改進圓形構件與頂部鋼板的連接，加強焊接此處。

4 一側可斜支撐的四支柱支架的優點

1)提出一種擋矸機構及液壓支架，實現切頂巷的擋矸支頂聯合防護，并保證支頂效果，提高擋矸強度，結構穩定、裝卸方便、安全可靠。

2)支架頂梁、底座、立柱均為非對稱設計，使立柱能夠向切頂線方向移動，逐漸形成三角形的支撐結構，能夠更好地對靠近切頂線一側的頂板進行支撐。

3)立柱采用雙伸縮、雙作用的形式，可以適應更廣的采高范圍的變化，同時采用單向閥設計，平衡每一根立柱的承載。

4)四支柱設計相較于傳統的單體液壓支柱，采用組合單元支架的形式，使得支護強度更高。

5)四根液壓支柱既可以通過配套的電液組合控制器綜合的控制修正其姿態，又可以直接對每一根立柱進行單體控制，能夠適應不同的頂板條件及惡劣的工況條件。

6)采用可拆卸式方案設計，一側可斜支撐雙支柱組合單元支架根據焊接頂的形狀的不同，既可以組合起來作為四支柱支架整體使用，又可以在巷長不夠的條件下作為一個雙支柱組合單元使用。

7)一側可斜支撐四支柱支架也可以在立柱周圍裝上導力架，與力傳遞裝置結合，可以實現支頂擋矸的綜合支撐防護。

8)適用性強。雖然此四支柱支架在巷徑方向占用的空間大，一般不適應窄巷道條件，但也可以將一側可斜支撐雙支柱組合單元支架旋轉90°，將斜支撐立柱豎直設置，直接作為一個單元組合支架使用，但斜立柱側豎直支護能力較弱，因此可以組合單體液壓支架補強支護。

5 結語

本文提出一種新型的厚煤層切頂巷支頂護幫方案，該方案將擋矸護幫作為一個整體考慮，優化了擋矸布置，同時對一側可斜支撐的四支柱支架結構進行設計，加強了整體箱型頂板強度，減少了應力集中現象，最大承載應力降低至頂梁材質的極限屈服強度以下。