張 震，閆少宏，尹希文，于 雷

（1.煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采設(shè)計(jì)研究分院，北京 100013;2.天地科技股份有限公司，北京 100013; 3.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013）

基于平衡千斤頂受力分析下的兩柱綜放支架適應(yīng)性研究

張 震1，3，閆少宏2，尹希文1，3，于 雷1，3

（1.煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采設(shè)計(jì)研究分院，北京 100013;2.天地科技股份有限公司，北京 100013; 3.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013）

為研究?jī)芍谧o(hù)式綜放支架在特定地質(zhì)條件下的適應(yīng)性，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)支架合力作用點(diǎn)位置、平衡千斤頂安全閥開(kāi)啟率、放煤前后平衡千斤頂?shù)氖芰顟B(tài)及平衡千斤頂對(duì)頂梁的水平作用力等進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:在該特定地質(zhì)條件下平衡千斤頂有效地調(diào)節(jié)和保持了支架的幾何位態(tài)，合理地調(diào)節(jié)了支架合力作用點(diǎn)位置;有效地保證了端面頂煤的穩(wěn)定，從而驗(yàn)證了在該特定地質(zhì)條件下兩柱綜放支架的適應(yīng)性。研究結(jié)果對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)操作及該種架型的改進(jìn)具有一定的指導(dǎo)意義。

平衡千斤頂;狀態(tài)分析;兩柱綜放支架;適應(yīng)性

厚煤層的綜放開(kāi)采技術(shù)自1982年被我國(guó)引進(jìn)以來(lái)，發(fā)展迅速，現(xiàn)已成為我國(guó)厚煤層開(kāi)采的主要方法之一［1］。多年來(lái)，放頂煤支架一直采用四柱支撐排斥式架型，普遍存在工作阻力利用率低、前后立柱受力不均甚至后立柱受拉等現(xiàn)象［2－4］，在總結(jié)四柱綜放支架問(wèn)題的基礎(chǔ)上，我國(guó)成功研制開(kāi)發(fā)了兩柱式綜放支架，并在神華等礦區(qū)成功使用。

平衡千斤頂作為兩柱掩護(hù)式支架的一個(gè)重要部件，其使用狀態(tài)的好壞在一定程度上決定了兩柱綜放支架的支護(hù)性能［5］。本文基于ZF12000/23/40D兩柱掩護(hù)式綜放支架，從平衡千斤頂入手來(lái)分析兩柱綜放支架的適應(yīng)性，為該架型更好地發(fā)揮支護(hù)作用提供指導(dǎo)和借鑒。

1 現(xiàn)場(chǎng)條件

該綜放工作面所采煤層為石炭系上統(tǒng)太原組頂部4號(hào)煤層，屬中硬煤層，平均厚度6.9m。工作面走向長(zhǎng)度2690m，傾向長(zhǎng)度300m，采高3.4m，放煤高度3.5m。煤層頂板為5.51～20.33m的中粗粒砂巖，底板為泥巖與細(xì)砂巖互層。工作面使用ZF12000/23/40D型兩柱掩護(hù)式綜放支架，具體參數(shù)如表1所示。

2 平衡千斤頂運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的支架位態(tài)

平衡千斤頂在支架的升架和放煤過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。在這兩個(gè)過(guò)程中，平衡千斤頂不僅要保持或調(diào)整支架的幾何位態(tài)，而且更重要的是要調(diào)節(jié)合力作用點(diǎn)的位置，使支架支護(hù)狀態(tài)與頂板圍巖壓力相適應(yīng)［6］。

表1 基本支架的具體參數(shù)

在升架的過(guò)程中若平衡千斤頂不發(fā)揮作用或者環(huán)形腔能力不夠，均可能導(dǎo)致支架出現(xiàn)“高射炮”的現(xiàn)象［2］。從理論上講，放煤前頂板外載合力作用點(diǎn)位于支架立柱的后方，此時(shí)平衡千斤頂受拉，如果支架外載合力作用點(diǎn)超出了極限平衡范圍，平衡千斤頂安全閥開(kāi)啟，支架可能出現(xiàn)“高射炮”的現(xiàn)象;放煤后頂板外載合力作用點(diǎn)前移，此時(shí)若支架外載合力作用點(diǎn)超出了極限平衡范圍，支架就有可能出現(xiàn)“栽頭”現(xiàn)象［6－9］。

3 兩柱綜放支架平衡千斤頂狀態(tài)分析

3.1 基于平衡千斤頂下的頂梁合力作用點(diǎn)的范圍

平衡千斤頂可以調(diào)節(jié)頂梁合力作用點(diǎn)的位置，使支架在極限平衡的范圍內(nèi)處于一個(gè)較好的工況，以維持圍巖的穩(wěn)定性，因此，從支架合力作用點(diǎn)的位置可以對(duì)支架的適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

將兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架簡(jiǎn)化為平面力學(xué)體系，如圖1所示。

圖1 液壓支架掩護(hù)梁及頂梁受力體系

取兩柱掩護(hù)式液壓支架的掩護(hù)梁及頂梁為分離體，分別進(jìn)行受力分析，其受力分析如下［7－8］。

支架合力:

式中，Q為頂煤對(duì)支架的作用載荷;X為支架合力作用點(diǎn)位置;f為頂梁與頂煤之間的摩擦系數(shù) （一般取0～0.3）;P為立柱承受載荷;PE是平衡千斤頂對(duì)頂梁的載荷;r1，r2分別為四連桿瞬心與掩護(hù)梁與頂梁鉸接點(diǎn)到立柱的垂直距離;r3為掩護(hù)梁與頂梁鉸接點(diǎn)到平衡千斤頂?shù)拇怪本嚯x;b為掩護(hù)梁與頂梁鉸接點(diǎn)到頂梁的垂直高度;a為四連桿瞬心到掩護(hù)梁與頂梁鉸接點(diǎn)瞬心的水平距離;φ為四連桿瞬心與頂梁掩護(hù)梁鉸接點(diǎn)連線(xiàn)與水平線(xiàn)的角度。

這里假定支護(hù)能力為0.7～1倍的額定工作阻力，平衡千斤頂在最大推力和拉力之間變化，頂梁合力作用點(diǎn)起點(diǎn)假定為頂梁與掩護(hù)梁鉸接的位置。

將支架參數(shù)代入得到支架在支護(hù)效率較好時(shí)頂梁合力作用點(diǎn)的范圍為 （1278mm，1623mm），分析計(jì)算工作面支架合力作用點(diǎn)在該范圍之內(nèi)所占比重分別為93.8%（55號(hào)支架），49.5%（65號(hào)支架），63.3%（75號(hào)支架），57.64%（95號(hào)支架），40.4%（105號(hào)支架），39.3%（125號(hào)支架），86.75%（135號(hào)支架）。由以上分析可知在該地質(zhì)條件下平衡千斤頂對(duì)支架起到了很好地調(diào)節(jié)作用，支架合力作用點(diǎn)大部分落在了支架支護(hù)效率較好的范圍內(nèi)，保持了支架承載中的穩(wěn)定性。

3.2 平衡千斤頂安全閥開(kāi)啟率統(tǒng)計(jì)

當(dāng)支架頂梁外載合力超出極限平衡范圍時(shí)，平衡千斤頂安全閥開(kāi)啟，當(dāng)活塞腔 （上腔）安全閥開(kāi)啟時(shí)有可能造成支架栽頭的現(xiàn)象，而環(huán)形腔（下腔）安全閥開(kāi)啟時(shí)可能會(huì)造成支架“高射炮”的現(xiàn)象，如圖2、圖3所示。平衡千斤頂安全閥的開(kāi)啟率在一定程度上顯示了兩柱式綜放支架出現(xiàn)“高射炮”及“栽頭”現(xiàn)象的概率。

表2為回采期間支架平衡千斤頂安全閥開(kāi)啟率情況。整個(gè)工作面平衡千斤頂兩腔安全閥開(kāi)啟率較低，從而可以推斷支架在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的過(guò)程中出現(xiàn)的“高射炮”及“栽頭”的現(xiàn)象較少。

3.3 放煤工藝下平衡千斤頂?shù)氖芰顟B(tài)

受放煤工藝的影響支架頂梁外載合力作用點(diǎn)處于一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，放煤后頂梁后部放空使得外載合力點(diǎn)前移，此時(shí)平衡千斤頂活塞腔壓力增大，在平衡千斤頂合理作用范圍之內(nèi)調(diào)節(jié)支架的幾何位態(tài)，防止支架發(fā)生“栽頭”現(xiàn)象。表3為支架放煤前后平衡千斤頂?shù)氖芰顟B(tài)。

支架在放煤后活塞腔 （上腔）壓力增大，而環(huán)形腔 （下腔）壓力減小，且兩腔均在平衡千斤頂?shù)暮侠碜饔昧Ψ秶畠?nèi)，支架合力作用點(diǎn)向前移動(dòng)，有效地調(diào)節(jié)和保持了支架的幾何位態(tài)。

圖2 支架“栽頭”示意

圖3 支架“高射炮”示意

表2 回采期間安全閥開(kāi)啟率統(tǒng)計(jì)

表3 放煤前后平衡千斤頂上下腔壓力變化 MPa

3.4 平衡千斤頂對(duì)端面頂煤水平作用力

平衡千斤頂?shù)淖饔弥饕菐椭斄喝〉闷胶猓纳浦Ъ芙禹斍闆r，同時(shí)增加水平力，對(duì)保持端面頂煤的穩(wěn)定性有一定作用。當(dāng)支架達(dá)到一定采高時(shí)，立柱傾角較小，提供的水平力有限，此時(shí)平衡千斤頂對(duì)于增加水平力的作用就非常明顯。

該支架在3.4m采高條件下立柱傾角為87°，而平衡千斤頂與頂梁的角度為32°，統(tǒng)計(jì)分析回采期間平衡千斤頂對(duì)水平力的影響，如表4所示。從分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，該條件下兩柱式綜放支架平衡千斤頂對(duì)支架頂梁提供了較大部分水平力，從而有效地保證了端面頂煤的穩(wěn)定性。

表4 支架平衡千斤頂及立柱提供的水平力

4 結(jié)論

（1）支架合力載荷作用點(diǎn)大部分分布在支架支護(hù)效率較好的區(qū)域。

（2）支架平衡千斤頂安全閥開(kāi)啟率較低，支架“高射炮”及“栽頭”現(xiàn)象較少。

（3）放煤前后支架平衡千斤頂兩腔壓力變化明顯，放煤后活塞腔即上腔壓力增大，環(huán)形腔壓力減小，平衡千斤頂合理地調(diào)節(jié)了頂梁合力作用點(diǎn)的位置，有效地保持了支架的幾何位態(tài)。

（4）在一定的采高條件下，當(dāng)支架立柱傾角較小時(shí)，平衡千斤頂提供的水平力對(duì)于端面頂煤的穩(wěn)定起到了很好的作用。

［1］閆少宏，富 強(qiáng).綜放開(kāi)采頂煤頂板活動(dòng)規(guī)律的研究與應(yīng)用［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2003.

［2］楊培舉，劉長(zhǎng)友，等.平衡千斤頂對(duì)放頂煤兩柱掩護(hù)式支架適應(yīng)性的作用［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2007（9）.

［3］楊培舉，劉長(zhǎng)友，金 太.兩柱掩護(hù)式綜放支架的承載規(guī)律及工藝研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2010（12）.

［4］孫公贊，張曉東，樊 軍.兩柱與四柱放頂煤液壓支架架型及結(jié)構(gòu)淺析［J］.煤礦機(jī)械，2009（2）:167－169.

［5］孫桂英.液壓支架平衡千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)改進(jìn)［J］.煤礦開(kāi)采，2009，14（4）:66－67.

［6］王國(guó)法.兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架設(shè)計(jì)研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2003（4）:36－41.

［7］樊 軍，錢(qián)玉軍，徐祖輝.兩柱掩護(hù)式液壓支架受力分析及結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度校核［J］.煤礦機(jī)電，2008（2）:167－169.

［8］馬端志.四柱支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架支護(hù)性能分析［J］.煤礦開(kāi)采，2010，15（5）:66－68.

［9］馬端志.兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架承載特征的研究［D］.北京:煤炭科學(xué)研究總院，2010.

Research on Adaptability of Two-prop Full-mechanized Caving Powered Support Based on Force Analysis of Balance Jack

ZHANG Zhen1，3，YAN Shao-hong2，YIN Xi-wen1，3，YU Lei1，3

（1.Coal Mining＆Designing Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China; 2.Tiandi Science＆Technology Co.，Ltd，Beijing 100013，China; 3.Coal Mining＆Designing Department，Tiandi Science＆Technology Co.，Ltd，Beijing 100013，China）

In order to research adaptability of two-prop shield powered support for caving top-coal，applying field data，this paper analyzed action location of powered support's join forces，safety valve's open rate of balance jack，force state of front and back balance jack before and after top-coal caving，balance jack's horizontal force on top beam.Results showed that under the geological condition，balance jack effectively adjusted and kept powered support's attitude，amended action location of join forces and ensured stability of top-coal between face and top beam.Adaptability of this powered supportwas proven.This could be used to instructactualoperation and improvement of this powered support.

balance jack;state analysis;two-prop caving powered support;adaptability

TD355.41

A

1006-6225（2012）01-0065-03

2011－11－04

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目:大采高綜放開(kāi)采工藝技術(shù)研究 （2008BAB36B01）;大采高綜放開(kāi)采成套技術(shù)集成與示范（2008BAB36B12）

張 震 （1985－），男，山東德州人，碩士研究生。

［責(zé)任編輯:徐亞軍］