無梁端距高強護幫新型液壓支架的研究

崔貝貝

(山西晉城煤業(yè)集團 金鼎公司，山西 晉城 048006)

0 引言

對于煤礦井下綜采工作面，在開采過程中，當頂板巖性以泥巖、沙質(zhì)泥巖為主時，經(jīng)常會發(fā)生超前斷裂，引發(fā)工作面片幫、冒頂事件。特別是對于大采高工作面，由于其采高大、支架調(diào)高范圍也大，所以采煤機割煤后拉架速度較慢，很難實現(xiàn)及時支護，進而使得片幫和冒頂情況更加明顯。

根據(jù)調(diào)研，目前我國諸多礦井大都使用一次采全高采煤工藝，且6.2 m、7.2 m等系列掩護式大采高液壓支架在綜采工作面均已得到廣泛應(yīng)用。該系列液壓支架有較完善的伸縮護幫機構(gòu)，通常6.2 m支架多采用內(nèi)嵌式伸縮梁加二級護幫型式，7.2 m及以上支架多采用獨立伸縮梁加三級護幫型式，雖然可以產(chǎn)生很好的封閉性能，但是依然存在以下問題：①液壓支架伸縮梁可伸縮量較短，支護距離不足，當采煤機割煤后，支架不能及時進行有效支護，使得空頂距過大，存在冒頂風險；②發(fā)生冒頂現(xiàn)象時雖然支架伸縮護幫機構(gòu)及時打出，但是由于空間位置和結(jié)構(gòu)形式的限制，護幫千斤向上的支撐角度很小，向上支撐力不足，不能滿足支護需求；③支架對頂板的主動支撐力不夠，導致煤幫受力較大，出現(xiàn)片幫現(xiàn)象；④出現(xiàn)片幫現(xiàn)象時，護幫打出支撐煤壁，但是水平軸向支撐力不夠，不能滿足支護需求。

針對目前大采高工作面支護設(shè)備存在的以上問題，隨著國內(nèi)外支架設(shè)計、高強板焊接、大直徑液壓缸制造、密封制造、高強板制造等技術(shù)的大幅提升，以及國家對煤礦生產(chǎn)安全高效的要求，在此基礎(chǔ)上研制一種能有效減少或避免片幫、冒頂事故發(fā)生的新型無梁端距高強護幫液壓支架迫在眉睫。

1 新支架整體設(shè)計模型

針對存在的問題，新支架要具備梁端距較小、護幫支撐力較強、立柱和護幫千斤初撐力提升等功能，對比現(xiàn)有支架，主要從以下幾方面進行研究：

(1) 設(shè)計新頂梁，在保證支護強度不變的前提下，增加傳統(tǒng)掩護式大采高支架頂梁前端伸縮梁滑道距離，為伸縮梁加長預做準備。

(2) 伸縮梁加長設(shè)計，在保證有效支撐力的前提下，增加伸縮梁伸出長度，縮短空頂距。

(3) 增大護幫千斤缸徑，提升護幫千斤本身支撐力。

(4) 將支架作為一個系統(tǒng)，由于系統(tǒng)內(nèi)部無法再有效提升護幫支撐力，所以考慮引入系統(tǒng)外力，設(shè)計護幫斜撐機構(gòu)，通過可拆卸輔助機械設(shè)計，大幅增強護幫水平支撐力。

(5) 液壓系統(tǒng)設(shè)計，增加立柱和護幫千斤的初撐力。

根據(jù)上述分析，進行模擬、驗算和方案設(shè)計，無梁端距高護幫新型液壓支架總體模型如圖1所示。

1-伸縮梁；2-頂梁；3-斜撐機構(gòu)；4-液壓系統(tǒng)

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)總體設(shè)計方案，對新支架主要結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計。

2.1 頂梁設(shè)計

為了增加伸縮梁可伸出量，要求頂梁前端預留足夠長滑道，同時應(yīng)保證頂梁前端與伸縮梁有足夠搭接和良好導向性，這樣才能在割煤后及時伸出支護，防止空頂。通過重新計算、校核，在保證支護強度的前提下，新頂梁較原頂梁支護長度增加690 mm，前端滑道距離增加980 mm。新頂梁三維模型如圖2所示，新舊頂梁對比如圖3所示。

圖2 新頂梁三維模型

圖3 新舊頂梁對比

2.2 伸縮梁設(shè)計

伸縮梁做加長設(shè)計，提升板材材質(zhì)，增加斜筋板。為保證與頂梁的有效搭接長度，經(jīng)計算、校核，確定伸縮梁加長距離為325 mm，通過有效增加伸縮梁可伸量，減少空頂距。新舊伸縮梁對比如圖4所示。

圖4 新舊伸縮梁對比

2.3 斜撐機構(gòu)設(shè)計

受液壓支架前端結(jié)構(gòu)和空間位置的限制，支架護幫對煤壁的水平支撐力不足是一直存在的問題，通常都采用適當加大護幫千斤缸徑來提升護幫對煤壁的支撐力，但是這樣增加的力很小，依然不能滿足片幫情況下的支護需求。如果想要大幅提升支架護幫支撐力，就必須引入支架系統(tǒng)外組件，通過增加輔助機械結(jié)構(gòu)來達到有效支撐效果。基于此，本設(shè)計引入斜撐機構(gòu)，具體設(shè)計如下：

(1) 井下采煤過程中，因地質(zhì)條件復雜，煤幫情況多變，所以斜撐機構(gòu)不能與護幫直接鉸接，但應(yīng)能夠支撐到護幫板任意位置，且不能影響護幫板的正常使用。

(2) 斜撐機構(gòu)采用條件分離法設(shè)計，在煤幫條件不好或一些特殊情況下，利用斜撐機構(gòu)進行輔助支撐；當正常采煤條件下，不需要使用，能夠自動收回。

(3) 當斜撐機構(gòu)收回時，預留空間位置不能影響采煤機正常開采和行人正常通過。

(4) 斜撐機構(gòu)的鉸接固定應(yīng)充分利用原支架的連接部位，降低機構(gòu)復雜性，方便井下安裝使用。

護幫斜撐機構(gòu)及安裝示意圖如圖5所示。斜撐機構(gòu)鉸接于頂梁防倒筒位置，可隨意拆卸更換，滿足條件分離需求；同時本機構(gòu)設(shè)計有斜撐千斤和回轉(zhuǎn)千斤，所有動作依靠液壓系統(tǒng)自動完成；此外斜撐千斤設(shè)計為雙伸縮結(jié)構(gòu)，通過減小其回轉(zhuǎn)半徑，保證大采高支架在降至3.3 m位置時無干涉現(xiàn)象。經(jīng)計算，本斜撐機構(gòu)可對煤壁提供水平支撐力至少為1 000 kN，能有效減少或避免片幫現(xiàn)象的出現(xiàn)。

1-護幫；2-活動支撐頭；3-斜撐千斤；4-頂梁；5-回轉(zhuǎn)千斤；6-后座機構(gòu)

3 液壓系統(tǒng)設(shè)計

對于煤礦井下片幫、冒頂現(xiàn)象，其中一個很重要的原因就是液壓支架對頂板的主動支撐力不足，即初撐力不夠，要想增加立柱初撐力和護幫初撐力，就需要增加系統(tǒng)壓力?；诖?，結(jié)合傳統(tǒng)大采高支架液壓系統(tǒng)和生產(chǎn)實際，核實各液壓件的壓力極限和對應(yīng)的安全系數(shù)，液壓系統(tǒng)有兩種設(shè)計方案：

(1) 調(diào)大泵的額定工作壓力。本方案執(zhí)行相對簡單，但是需綜合考慮液壓支架的閥、千斤、膠管以及各管路件的承受壓力，應(yīng)根據(jù)相應(yīng)標準，配置等強的液壓元件。

(2) 采用雙系統(tǒng)，增加一個小流量泵，同時使用旁路增壓液控單向閥。本方案執(zhí)行相對復雜，但是無需整架更換膠管、閥等液壓件，只需更換增壓閥處膠管即可。

根據(jù)實驗分析，兩種方案均能有效提升支架對頂板的主動支撐力，達到降低煤幫壓力、減少片幫冒頂現(xiàn)象的目的。

4 結(jié)語

無梁端距高強護幫新型液壓支架對大采高工作面頂板管理有良好的支護效果，能有效防止片幫和冒頂事故發(fā)生。該支架具有伸縮梁可伸量大、護幫板支撐力強和對頂板主動支護力高等特點，可為大采高工作面安全支護提供強有力的設(shè)備支撐，進而保證采煤生產(chǎn)安全快速推進。