王啟鑫

（山西汾西正文煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 孝義 032302）

引言

采煤頂部的四柱液壓支架是采煤中使用最廣泛的支架類(lèi)型。然而，這些類(lèi)型的支撐結(jié)構(gòu)龐大且復(fù)雜，并且需要更高的工人。在使用中，前支撐桿和后支撐經(jīng)常被損壞。出現(xiàn)不均勻的力，低的工作阻力率，甚至出現(xiàn)回彈現(xiàn)象。特別是隨著煤礦厚度的不斷增加，對(duì)水力效率的要求也越來(lái)越嚴(yán)格[1-2]。帶護(hù)罩的四柱煤開(kāi)采的頂部液壓支架不再能滿(mǎn)足現(xiàn)有的生產(chǎn)需求。與四柱式盾構(gòu)頂部的水力采煤支架相比，二柱式盾構(gòu)頂部的水力采煤支架體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。它可以設(shè)計(jì)成自動(dòng)電液壓控制系統(tǒng)，具有相對(duì)較小的頂板梁，良好的支撐強(qiáng)度，較小的立柱前傾角以及可以支撐頂板的筆直的水平支撐力。支架有一個(gè)可以支撐它的平衡千斤頂?？梢酝ㄟ^(guò)平衡器千斤頂調(diào)節(jié)力的狀態(tài)，以重新定位頂梁的總力，從而更好地控制頂板上的壓力變化，并與電動(dòng)液壓控制具有良好的兼容性?？焖俚目蚣芤苿?dòng)速度，簡(jiǎn)單地控制和頂板。由于其高適應(yīng)性和其他優(yōu)勢(shì)，在煤礦開(kāi)采中使用雙頂液壓支架已經(jīng)成為現(xiàn)代先進(jìn)煤礦技術(shù)的發(fā)展方向。但是，淺層煤層的巖石表面較薄，疏松層較厚，很容易下沉。具有在淺煤層上施加保護(hù)層的液壓雙柱煤層隧道頂板往往會(huì)抵抗不充分的工作。屋頂支撐效果不佳，可能導(dǎo)致生產(chǎn)安全問(wèn)題?；谝陨蠁?wèn)題，利用空間力學(xué)和有限元分析對(duì)ZFY1200/25/42D雙立面覆層液壓千斤頂支架進(jìn)行了研究，該支架適用于煤層較淺的煤層，并適用于三種最危險(xiǎn)的情況。在保證結(jié)構(gòu)可靠性的前提下，簡(jiǎn)化了液壓支架結(jié)構(gòu)的兩柱式護(hù)罩上的煙囪結(jié)構(gòu)，使支架能夠控制頂板，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)支架進(jìn)行改進(jìn)和改進(jìn)。淺層支撐深度得到了改善。

1 兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架力學(xué)分析

1.1 放煤機(jī)構(gòu)受力分析

用于采煤的兩柱式復(fù)合頂部液壓支架使用四連桿機(jī)構(gòu)，而采煤機(jī)理則使用插入式采煤機(jī)構(gòu)。尾梁支架的后部通過(guò)鉸鏈連接到護(hù)罩。在頂梁的底端，后梁控制著后梁的運(yùn)動(dòng)，這可能導(dǎo)致后梁在設(shè)計(jì)角度內(nèi)自由擺動(dòng)，使頂部煤松散并為煤保留了空間，后部橫向千斤頂內(nèi)置可伸縮刀片，以磨碎大型煤塊并進(jìn)行不間斷的采煤工作[3-4]。

支撐梁護(hù)罩將承受煤和煤石q1的垂直載荷，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生護(hù)罩梁和尾梁q2的特定推力。為了便于計(jì)算，可以將防護(hù)梁，尾梁和插入板簡(jiǎn)化為全梁，并且垂直載荷q1必須滿(mǎn)足以下條件：

式中：M 為底層采煤厚度；Ks為頂煤松散系數(shù)；γ2為下位巖層密度。

水平載荷q2應(yīng)滿(mǎn)足如下條件：

式中：γ1為頂煤密度；M1為頂煤厚度；h 為不規(guī)則垮落帶煤矸石的厚度；λ 為散體介質(zhì)的測(cè)壓系數(shù)。

利用松散介質(zhì)力學(xué)原理計(jì)算掩護(hù)梁-尾梁上的載荷q3：

式中：α3為簡(jiǎn)化整梁與垂直線(xiàn)的夾角；φs為尾梁千斤頂與頂板之間的夾角。

將掩護(hù)梁摘除，尾梁－插板受力分析如圖2 所示。

圖2 尾粱-插板受力分析

對(duì)O 點(diǎn)取力矩，得：

式中：L2為插板和尾梁總長(zhǎng)度；P 為尾梁千斤頂?shù)耐评Γ籐1為尾梁千斤頂鉸接端到O 點(diǎn)的距離；α2為尾梁千斤頂與L3之間的夾角；L3為尾梁千斤頂鉸接端到尾梁的垂直距離[5]。

1.2 支架工作阻力的確定

在正常情況下，主屋頂在操作時(shí)會(huì)出現(xiàn)裂縫。當(dāng)發(fā)生裂縫時(shí)，主頂?shù)臋C(jī)械性能和壓力分布對(duì)于控制和監(jiān)測(cè)礦井中的壓力至關(guān)重要。主頂點(diǎn)銷(xiāo)毀后，將旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。初級(jí)裂紋尖端的旋轉(zhuǎn)角度，旋轉(zhuǎn)持續(xù)時(shí)間和長(zhǎng)度的大小與初級(jí)端的機(jī)械性能有關(guān)，也與繞組的支撐力有關(guān)[6-7]。基于以上分析，創(chuàng)建了周?chē)鷮?duì)接孔形成的典型力學(xué)模型，如圖3 所示。

圖3 考慮基本頂超前斷裂影響時(shí)的

2 兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架有限元模型

不管梁的工作狀態(tài)如何，頂梁與頂板接觸的減震塊，其垂直位移很小，必須加以控制。底座下方的緩沖塊與整個(gè)托架底板接觸，考慮到模型測(cè)試的要求，緩沖塊足夠自由。以煤礦用ZFY12000/25/42D 雙柱護(hù)煤巷道為研究對(duì)象，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件以及支座與頂板的關(guān)系進(jìn)行研究。圍巖和煤層頂腔的強(qiáng)度決定了主要的技術(shù)參數(shù)[8-9]。見(jiàn)表1。

表1 支架技術(shù)參數(shù)表

為了防止液壓支架保護(hù)層的頂部塌陷，大部分內(nèi)力從塔頂?shù)膫?cè)面施加到頂梁和支架上。由于插座柱是球形結(jié)構(gòu)，因此接觸過(guò)程變得更加困難。假設(shè)從圓柱體側(cè)面作用的力將相等地作用在球體上。假設(shè)根據(jù)規(guī)格，琴弦的總工作阻力為P1，那么在測(cè)試過(guò)程中施加的載荷為1.2P1。

3 液壓支架有限元求解及分析

3.1 頂梁受偏心載荷且底座兩端受載工況分析

支架的最大位移為2.51 mm，它出現(xiàn)在頂梁前端的內(nèi)側(cè)，并從前端內(nèi)側(cè)到后端外側(cè)逐漸減小。從屏蔽的偏移量增加，從嵌套的末端開(kāi)始減少；當(dāng)頂部被加載時(shí)，最大應(yīng)力為567.31 MPa，支架應(yīng)力的最大變化發(fā)生在上部支架梁柱的窩中。柱應(yīng)力和基礎(chǔ)應(yīng)力也發(fā)生了明顯變化，其他組件也發(fā)生了變化。.

3.2 分析三種工況對(duì)比

對(duì)比分析表明，在不同的工作條件下，支撐結(jié)構(gòu)各單元的應(yīng)力不同，分布狀態(tài)也不同。

1）通過(guò)分析以上三種工作條件下所有支架的應(yīng)力云圖（略），可以得出在此工作條件下支撐框架的最大載荷能力為712.69 MPa。

2）從三種工作條件下梁總位移的云圖（略）可以看出，梁位移和變形的趨勢(shì)與增加變形基本相同。

4 結(jié)論

可以將液壓梁的一般應(yīng)力分析結(jié)果與主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力分析結(jié)果結(jié)合起來(lái)，快速地評(píng)估梁在工作狀態(tài)下的應(yīng)力分布。當(dāng)液壓梁處于危險(xiǎn)的工作狀態(tài)時(shí)由于梁中的應(yīng)力分布是局部且有限的，因此優(yōu)化液壓梁可以降低成本，并且選擇具有高強(qiáng)度的平板或增加應(yīng)力集中材料的厚度以改善梁中的應(yīng)力分布。