四柱支撑掩护式放顶煤液压支架支护性能分析.pdf

第 1 5卷 第 5期 总第 9 6期 2 0 1 0年 I O月 煤 矿 开 采 Co a l mi ni ng Te c hn o l o g y V o 1 ． 1 5 N o ． 5 S e r i e s N o ． 9 6 0e t o be r 2 01 0 四柱支撑掩护式放顶煤液压支架支护性能 分析 马端 志 煤炭科学研究总院 开采设计研究分院 ，北京 1 0 0 0 1 3 [ 摘要] 通过对四柱支撑掩护式放顶煤液压支架． Y - 作状态及其力学性能进行分析，并列举实 例研究了四柱支撑掩护式放顶煤液压支架支护性能与其外载作用位置之问的关系，最后运用该理论对 四柱 支撑掩护式液压支架 出现的 “ 拔后柱” 问题进行 了分析。 [ 关键词] 放 顶煤 ；液压支 架；支 护性 能 [ 中图分类号]T D 3 5 5 ． 4 [ 文献标识码]B [ 文章编号]1 0 0 6 2 2 5 2 0 1 0 0 5 - 0 0 6 6 - 0 3 Su p po r t i ng Pr o pe r t i e s An a l y s i s o f 4一 p r o p St a nd i n g a nd S hi e l d i ng Co a l - c a v i n g Po we r e d S up p o r t 四柱支撑掩护式放顶煤液压支架是 目前国内综 放工作面使用的主导架型 ，分析其在不同外载条件 下支护性能的发挥程度 ，可以为液压支架优化设计 提供理论参考 ，为提高放顶煤液压支架对煤层及顶 板的适应性提供技术保障。 1 支架工作状态分析 四柱支撑掩护式放顶煤液压支架正常工作状态 主要可分为以下 3种 1 初撑状 态 指液压支架升架支撑顶板直 至达到初撑力的过程 。在该状态下 ，液压支架属于 主动支撑 ，其外载大小与液压支架初撑力相平衡。 2 “ 给定载荷” 工作状态指液压支架所受 的外载不超过液压支架额定工作阻力所产生合力的 阶段 。在该状态下 ，液压支架属于被动支撑 ，其支 护性能的发挥主要取决于外载的大小及作用位置。 3 “ 限定栽荷” 工作状态 指液压支架所受 的外载超过液压支架额定工作阻力所产生的合力阶 段。在该状态 下，液压支架支 护性能 已发挥到极 限 ，已有立柱安全阀处于开启状态 ，液压支架支护 性能的发挥主要取决于外载的作用位置 。 由此 可见 ，提高液压支架 “ 限定 载荷 ”工作 状态下支护性 能的发挥 能力是 提高其适应性 的关 键 ，因此 ，分析液压支架支护性能主要是分析液压 支架在 “ 限定载荷”工作状态下的支护性能情况。 2 支架支护性能与外载位置关系的分析 目前对于液压支架支护性能分析与研究 的出发 点 ，通常都是根据液压支架 自身力学性能 ，分析其 合力大小及作用位置 ，并根据液压支架在不同高度 下合力的理想值分析其支护性能。但是 ，由于外载 合力大小与作用位置的不确定性等因素 ，使其与液 压支架理想合力作用点不完全吻合 ，即液压支架在 “ 限定载荷”工作状态保 持平衡时液压支架合力作 用位置一般不是理想合力作用点，其合力值也非理 想合力值。液压支架支护性能的分析应根据外载合 力在顶梁不 同位置作用时液压支架提供有效支撑原 理来分析力学平衡方程。本文将液压支架受力简化 成平面力系 如 图 1 ，对四柱支撑掩护式放顶煤 液压支架支撑合力与外载位置之问的力学关系特性 进行分析 图 1 液压 支架受力简化模 型 如图 1所示 ，取顶梁 和掩 护梁 为分 离体 ，对 0 取力矩 ，得平衡方程 P 1 r 1 P 2 r 2 I厂 月 b c t a n E一 Q xb 0 1 [ 收稿 日期 ]2 0 1 0 0 3 2 3 [ 作者简介]马端志 1 9 8 0 一 ，男，山东乐陵人 ， 在读硕士，从事采场液压支架与支护技术研究。 66 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 马端志四柱支撑掩护式放顶煤液压支架支护性能分析 2 0 1 0年第5期 取顶梁为分离体 ，对 0取力矩 ，得平衡方程 P 1 r 3 P r 4 Q f t -I oQ 0 2 由方程 1 和 2 求解 支架合力 值 Q和外 载作用位置 X得 出 Q ㈩ f t l o 上述公式中各符号的物理意义见图 1 。 由方程 4 可知外载作用位置 是关于前后 排立柱支撑力 P 和 P 的 比值 P ／ P 的函数 ，支架 前后排立柱支撑力在 0到立柱额定工作阻力之间变 化 ，且 r 1 r 3 ， r 2 r 4 ， P 2 ／ P1 ∈ 0 ， ∞ ，由函数 的性质可 知，X值域 为 f H o ， ，1一， 3 二 f t ／ o ，可见液压支架外载作用范 r 2 一 r 4 围不是在整个顶梁上 ，而是有一定的范 围，也就是 说 当外载合力超出该范围值 时，很小 的作用力都能 够使液压支架失去平衡 。因此 ，对于四柱支撑掩护 式液压支架 ，增强其对外载变化适应的能力的最有 效途径就是增大 r ，减小 r 3 的值 ，即前排立柱尽可 能靠前布置 ，后排立柱尽量 向后布置。 由液压支架外 载作用范 围 值 域可知 ，分析 液压支架外 载作 用位置与液压支架 支护性能 的关 系，可以转化为求解在前后排立柱作用力不同比值 情况下液压支架合力大小及作用位置间的关系。 3实例 分析 以 Z F 1 2 0 0 0 ／ 2 6 ／ 4 0型四柱支撑掩护式放顶煤液 压支架为例 ，分析该液压支架在 3 8 0 0 mm高度时外 载位置与支架性能之间的关系 ，在该工况下各参数 值如 图 2所 示 ，其 中前 后 排 立柱 的值 域 为 0 ， 6 0 0 0 k N 3 ． 1 液压支架合力作用范围 图2液压支架简化参 数 由液压支架外载合力作用位 置 值域 函数可 知 ，其值域范 围和顶梁与顶板的摩擦系数有关 ，为 方便说 明问题 ，摩擦系数大小取 0 ． 2 。摩擦系数的 方向与支架顶梁与顶板相对运动方向有关 ，即与液 压支架 四连杆机构运动轨迹方向有关 ，当液压支架 让压下降有向煤壁运动趋势时 ，摩擦系数取正 ，反 之取负。 1 当摩擦 系数 ．厂 0 ． 2时 ，液压支架外 载作 用位置 范围为 6 1 3～ 2 2 7 1 m m。 2 当摩擦系数 一 0 ． 2时 ，液压支架外载作 用位置 范围为 5 1 6～ 2 1 8 1 IT l m。 3 ． 2 液压支架合力 与外载作用位置 间的关系 将 前 排 立 柱 取 6 0 0 0 k N，后 排 立 柱 分 别 取 6 0 0 0k N ， 5 0 0 0kN，40 0 0k N， 3 0 0 0k N ， 2 0 0 0kN， 1 0 0 0 k N和 0等值 ，或将后排立柱取 6 0 0 0 k N，前排 立柱分 别 取 5 0 0 0 k N，4 0 0 0 k N，3 0 0 0 k N，2 0 0 0 k N， 1 0 0 0 k N和 0等值对液压支架进行 力学计算 ，求解 液压支架合力的大小及外载作用位置。 1 当摩擦 系数厂 0 ． 2时，液压支架合力 的 大小及外载作用位置如表 1 所示。 2 当摩擦系数， 一 0 ． 2时 ，液压支架合力 的 大小及外载作用位置如表 2所示。 表 1 摩擦系数为 0 ． 2时液压支架合力的大小及外载作用位置 3 ． 3 液压支架合力与外载作用位置关系 将在摩擦系数为正负 0 ． 2两种工况下 ，液压支 架合力值与外载作用位置问的关系绘制成 图 3 ，其 中横坐标是合力作用位置 ，纵坐标是液压支架合 力值 Q。由图 3可知 1 四柱支撑掩护式液压支架保持外载合力 6 7 黼 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 9 6期 煤 矿 开 采 2 0 1 0年第 5期 d Ⅱ 出 图3 液压支架合力与合力位置关系 平衡的作用范围有限，且其作用范围主要在前 、后 排立柱之间，增大前后排立柱问顶梁的长度 比例是 提高该类液压支架对顶板的适应性 的关键。 2 液压支架 四连 杆运动轨迹方向对液压支 架合力值 的大小影响很小 ，对外载合力作用范围调 节有一定 的影 响，当运动轨迹 向煤壁方 向移动时， 液压支架合力作用范围比向采空区移动时约 向前平 移 2 f t ／ 0 距离。 3 当外载合力作用位 置发生变化 时，液 压 支架调节能力变化 比较大，其支护性能的发挥程度 差异很大，在外载合力可以作用范 围内液压支架支 护性能差别达 5 0 ％。 因此 ，根据采煤工作面直接顶或顶煤的具体条 件 ，优化支架结构 ，使外载合力作用位置趋近于液 压支架理想合力作用点 ，才能使液压支架充分发挥 其支护性能。 4 放顶煤液压支架 “ 拔后柱”问题分析 四柱支撑掩护式放顶煤液压支架 ，在井下使用 过程中存在最突 出的问题是 “ 拔后 柱”现象 ，在 该状态下 ，由于顶梁后部顶煤放空 ，顶梁与顶煤接 触面积变小 ，外载合力位置 向煤壁方向移动 ，使液 压支架理想合力作用点与外载合力作用位置偏离较 大 ，最终超出液压支架合力调节范围，造成液压支 架处于非正常工作状态。“ 拔后柱”状态下后排立 柱失去支撑作用 ，液压支架支护性能发挥程度达不 到其理想值的 5 0 ％，工作状态十分恶劣。可见，综 放工作面液压支架应根据基本顶和顶煤具体特征进 行设计 ，优化液压支架结构 ，使其外载合力作用位 置变化范围在液压支架合力调节范围之内，并尽量 接近液压支架理想合力作用位置 ，充分发挥液压支 架的整体支护性能 。 [ 参考文献] [ 1 ]王彪谋 ．四柱放顶煤液压支架 主要技术问题研究 [ J ]．煤 矿 开采 ，2 0 0 9，1 4 5 5 6 5 7 ． [ 2 ]王 国法 ．液 压支 架 技 术[ M]．北 京 煤 炭 工 业 出 版 社， 1 9 9 9． [ 责任编辑 张银亮] 上接 1 0 3页 表 1 图模 库一体化 组态 系统实时海量数据测试 结果 4 结束语 随着煤矿 自动化和信息化的综合应用实践 ，对 图模库一体化组态系统提出了更多需求 ，本文给出 的煤矿综合 自动化图模库一体化组态系统 ，为高质 量 、高效 、快速地开发出图模库一体化组态系统提 供了一种新思路 ，实践使用证 明达到了预期设计效 果 ，其较高的实时海量数据处理能力和其可靠稳定 6R 运行 ，证 明了这种开发模式的正确性。该 图模库一 体化组态系统价格便宜 、自动化程度高，并且针对 煤矿专业设计的高级功能能实现煤矿井下监控设备 的自动检测 、监测监控图的 自动生成 、图形格式 自 动转换 、通风阻力计算等。 [ 参考文献] [ 1 ]J G r a p h Wo r k G r o u p ．J G r a p h M a n u a l[ G ／ O L ] ．h t t p ／ ／ w w w ． j g r a p h ．c o m ／ j g r a p h ．h t m 1 ． [ 2 ]陈道达 ，曹冬林 ，李 绍蠢．基 于 J G r a p h的变 电站综合 自动化 图形 组态系统 [ J ] ．计算机工程 ，2 0 0 9，3 5 7 2 5 3 - 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