掩护式液压支架顶梁运动轨迹分析.pdf

第2 O卷 第3期 总第 1 2 4期 2 0 1 5年 6月 煤矿开采 COA L MI NI NG T E CHNOL OG Y V o 1 ． 2 0 N o ． 3 S e r i e s N o ． 1 2 4 J u n e 2 0 1 5 掩护 式液压支架顶梁运动 轨迹 分析 何明 。王建 国 天地科技股份有限公司 开采设计 事业部 ，北京 1 0 0 0 1 3 [ 摘要] 通过顶梁运动轨迹对三机配套梁端距、工作面支护状况及支架受力状况的影响分析， 结合具体支架设计，给出顶梁运动轨迹双纽线的设计要求，优化支架对32作面顶板 的支护，防止工作 面发生片帮、冒顶，更好地维护顶板。 [ 关键词] 梁端距；双纽线；顶梁水平分力；片帮；冒顶 [ 中图分类号]T D 3 5 5 ． 4 1 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 6 6 2 2 5 2 0 1 5 0 3 0 0 4 3 0 3 To p Be a m M o v e me n t Tr a i l o f S hi e l d Po we r e d S up po r t HE Mi n g ．WANG J i a n g u o C o a l Mi n i n g＆ D e s i g n i n g D e p a r t m e n t ，T i a n d i S c i e n c e＆T e c h n o l o g y C o ． ，L i d ． ，B e ij i n g 1 0 0 0 1 3，C h i n a Ab s t r a c t B y肌a l y z i n g t h e i n fl u e n c e o f t o p ． b e a m mo v e me n t t r a c k o f p o we r e d s u p p o r t o n d i s t a n c e b e t we e n b e a m a n d c o a l - wall ，s u p po r t i n g s t a t u s a n d s t r e s s s t a t e ， t h i s p a p e r p r e s e n t t h e d e s i g n r e q u i r e me n t of l e mn i s e a t e t o p - b e a m mo v e me n t t r a c k t o o p t i mi z e s u p p o rti n g r o o f a n d p r e v e n t mi n i n g f a c e f r o m c o a l - w a l l s l i d e a n d r oof f all i n g ． Ke y wo r d s d i s t a n c e b e t we e n b e a m a n d c o a1． wall ；l e mn i s c a t e ；h o ri z o n t al c o mp o n e n t f o r c e o f t o p - b e a m；c o a l wall s l i d e；r o o f f all i n g 煤层开采随着综采设备的普及，机械化程度越 来越高 ，中厚煤层 、厚煤层 、三软煤层 、大倾角煤 层都得到了有效开采 ，很多煤矿实现了 自动化工作 面。通过这几年的开采实践 ，煤层开采暴露 出了很 多问题 ，尤其是煤壁片帮，支架前端顶板 冒顶 ，这 种情况在大采 高开采 、大倾角开采 以及三软煤层开 采中尤甚 ，不仅影响工作面的推进 ，对顶板 的管理 不利 ，进而影 响综采设备 ，更主要 的是工作面出现 安全 隐患 。 其中， 设备配套梁端距的大小对煤壁片帮和顶 板冒顶有很大的影响，支架设计时，应控制支架在 工作高度范围内顶梁运动轨迹不要 出现大 的波动 ， 从而影响梁端距大的变化 。 本文主要通过顶梁运动轨迹对三机配套梁端距 的影 响、顶梁运动轨迹对工作面的影响以及顶梁运 动轨迹对支架受力情况分析 ，从而给出顶梁运动轨 迹双纽线的设计 ，从支架设计方面优化对工作面顶 板的支护 ，更好地管理工作面顶板。 1 顶梁运动轨迹对梁端距的影响 梁端距 日 如图 1 是影响支架前端顶板 冒落 和煤壁片帮的主要原因之一 ，研究表明 ，支架前端 顶板冒高和梁端距近似呈指数关系 ，随着梁端距的 增大，支架端面顶煤块体冒落越严重 。淮北矿 业芦岭煤矿为解决极破碎松软厚煤层工作面煤壁片 帮和架前 冒顶难题 ，梁端距设置为零 ，研究了无梁 端距 “ 抱采”放顶煤开采工艺 。 图 1 液压支 架梁端距示意 稳定机构为四连杆的支架顶梁运动轨迹是双纽 线 如图 2 ，双纽线在 b ，C 点突变 ，如果突变量 太大，势必改变梁端距大小。梁端距太小，采煤机 与顶梁可能干涉 ；梁端距太大 ，支架前端冒顶可能 性增大。因此在支架设计时 ，设备配套一定要严格 控制梁端距 ，同时在支架设计时应控制支架在工作 高度范围内顶梁运动轨迹不要出现大的波动，即 b ，c 点不要突变。 在煤矿开采过程中，常出现采煤机滚筒割支架 顶梁 。在实际三机配套时 ，常以运输机铰接点为中 【 收稿日期】2 0 1 4 - 1 0 - 2 9 [ D O I ]1 0 ． 1 3 5 3 2 ／ j ． c n k i ． c n l l 一 3 6 7 7 ／ t d ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 1 4 [ 基金项 目】 国家 重点基础研 究发展计划 9 7 3计划 2 0 1 4 C B 0 4 6 3 1 2 ；开采设计事业部科技创新基金 K J - 2 0 1 3 一 T D K J 一1 6 [ 作者简介]何明 1 9 8 3 - ，男，山东泰安人，助理研究员，博士研究生，主要从事液压支架设计工作。 [ 引用格式 ]何明，王建 国 ．掩护式液压支架顶梁运动轨迹分析 [ J ]．煤矿 开采 ，2 0 1 5，2 0 3 4 3 4 5 ． 43 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 1 2 4期 煤矿 开 采 2 0 1 5年第3期 图2支架顶梁运 动轨迹 曲线示意 心将采煤机顺时针方 向旋转 5 。 ，检查采煤机 与支 架顶梁前端是否干涉。国内大采高液压支架的梁端 距甚至增加到 7 0 0 m m以上 ，给顶板管理带来 困难 。 但是，在天地科技股份有限公司开采装备研究 所为乌克兰及俄罗斯设计支架时，对方明确要求梁 端距变化量不能超过 3 0 0 m m，尤其为俄罗 斯设计 的z Y 1 0 8 0 0 ／ 2 5 ／ 5 3 D大采高液压支架，俄罗斯要求 在支架的整个调高范围内，梁端距变化量不能过 大。为此，对该型大架端面距进行了优化，将其变 化量控制在对方要求的合理范围内。 2 顶梁运动轨迹对工作面顶板的影响分析 稳定机构为四连杆式掩护式支架的特性决定支 架顶梁运动轨迹呈 双纽线 ，支架 在支撑调高范 围 内，顶梁会在水平方 向前后摆动 如 图 2 ；当支 架顶梁向前运动时 ，如 图 2中 Ⅱ 6段 ，支架在下降 过程 中对顶板摩擦力指向煤壁 ，给前方煤壁产生压 应力 ，有助于保持顶板完整。当支架顶梁向后运动 时，如图 2中 6 c 段，支架在下降过程中对顶板摩 擦力指向采空区，这时对煤壁产生拉应力 ，不利于 顶板的管理。 由于工作面顶板岩石的力学特性是抗压强度较 高 ，抗拉强度低 ] ，为 了控制煤壁 片帮 、顶 板 冒 顶 ，应设法保持工作面上未被支护顶板的距离尽量 小 ，支架对前方顶板有一定的压应力 ，这在三软煤 层开采 中更为重要。 在实际的生产过程中，当采煤机采煤后未移架 前 ，支架前方出现截深和梁端距等未支护顶板 ，此 时 ，支架对前端顶板无支护作用 ，可能出现片帮和 冒顶 ，所以在支架设计时应使支架顶梁运动轨迹在 工作高度范围内向前摆动 ，使支架对顶板始终保持 向前 的作用力 ，对前方顶板和煤壁保持压应力 ，同 时设法增大压应力来维护支架前方顶板的稳定 、完 整 。 3 顶梁运动轨迹双纽线设计 支架顶梁运 动轨迹近似超越 方程 ，用常规 4 4 方法无法精确求解。液压支架设计中 ，对支架顶梁 运动轨迹的设计通常是给出梁端距的摆动量 D，在 支架最大高度和最小高度及范围内取一点对支架四 连杆进行优化。许多研究液压支架 四连杆优化设计 的论文认为 ，四连杆机构运动轨迹值 ，双纽线摆幅 越小越好 ，所以将 四连杆机构运动轨迹近似直线作 为 目标函数 ，此时支架承受附加力小 ，对支架受力 有利 。 普通 的支架顶梁运动轨迹优化因其工作需要反 复 ，作图量大，在实际支架设计应用中有很大的局 限性。P r o ／ E软件本身具有强大的数据计算能力， 可通过编写程序对 四连杆机构尺寸进行优化 ，缩短 设计时间，提高设计精度。 采用 P r o ／ E软件对顶梁运动轨迹进行优化 ，首 先在 P r o ／ E中根据最优 目标 函数建立一个 骨架模 型，骨架模型采用动态骨架 ，骨架模型显示支架最 小 、最大高度位置，运动骨架承载与支架运动相关 的信息 ，通过模型来观察 和模拟支架的运动情况 ， 进而模拟出顶梁的运动轨迹 。支架总体骨架模型树 及四连杆优化见图 3 。 图 3 支架总体 骨架模 型树 及 四连杆优化 在支架顶梁运动轨迹优化时，如果变量太 多， 优化是非常困难的，因此需要对一些参数提前约 定 ，见图 3 。本文约定支架高度范 围内顶梁摆动量 D、后连 杆 长度 、后 连杆 底 座 铰接 点 高 度 B， 前 、后连杆底 座铰 接点水 平距 离 A都是 确定 的 ， 通过优化后连杆水平夹角 A 、掩护梁长度 L 及背 角 A ，对顶梁运动轨迹进行优化 。但是优化 的前 提是顶梁摆动量 D的选定是合理 的 ，详见后面论 述 。 在 P r o ／ E建立的骨架下通过编程对支架四连杆 进行优化 ，并对优化结构进行运动分析 ，得出顶梁 运动轨迹曲线。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 何 明等掩护式液压支架顶梁运动轨迹分析 2 0 1 5年第 3期 图 4为 Z Y 4 0 0 0 ／ 0 9 ／ 2 0液压支架梁端距变化曲 线 ，梁 端 距 摆 动 量 为 1 0 1 mm，在 支 架 高 度 从 2 0 0 0 mm降到 1 8 0 0 mm、顶梁前摆 5 7 m m、支架使用 高度从 1 8 0 0 mm降到 1 2 0 0 mm时 ，顶梁轨迹仍 向前 摆动 3 9 mm。优 化 的梁端距 曲线 是一 直 向前摆 动 的。 量 磐 觥 支 架高厦 ／ mm 图4 Z Y 4 0 0 0 ／ 0 9 ／ 2 0液压支架梁端距变化曲线 图 5为 z Y1 0 8 0 0 ／ 2 5 ／ 5 3 D液压支架梁端距变化 曲线 ，梁 端 距 摆 动 量 为 1 1 5 m m，在 支 架 高 度 从 5 3 0 0 m m降到 5 1 0 0 m m、顶梁前摆 1 1 m m、支架使用 高度从 5 0 0 0 m m降到 3 1 0 0 m m 时，支架梁端曲线变 化平稳 ，支架在从高到低 的运动过程 中，变化量仅 为 8 mm，整条 曲线 没有 发生突变 ，并且 梁端距不 超过 3 0 0 mm。 支 架高度 ／ m m 图 5 Z Y 1 0 8 0 0 ／ 2 5 ／ 5 3 D液压支架梁端距 变化 曲线 从 图4、图5可以看出 ，四连杆运动轨迹 双 纽线 ，并不是摆幅越小越好 。而是适 当增大 ，一 般要大于 1 0 0 m m，对于大采 高液压支架 ，摆 幅要 大于 1 5 0 m m。在实 际设计 支架 时，采用 P r o ／ E等 软件对四连杆机构、掩护梁背角等结构参数进行优 化，实现了顶梁运动轨迹一直向前摆动，并且使支 架在工作面范围内支架梁端曲线变化平稳 ，减小了 支架内力 ，并有效控制支架前端顶板 。 4 结论 1 梁端距是影响端面顶板 冒落高度和煤壁片 帮的主要 原因之一 ，冒高和梁端距 近似呈指 数关 系 ，在支架设计时 ，应控制支架在工作高度范围内 顶梁运动轨迹不要出现大的波动 ，从而影响梁端距 大的变化。 2 支架对顶板 的水平方 向作用 力影响支架 前方顶板的稳定 。掩护式液压支架设计时顶梁运动 轨迹始终向前摆动 ，使支架对顶板岩石 的水平方 向 作用力始终指向煤壁 ，保持一定的大小 ，对顶板管 理非常有效 ，同时可以减小支架 内力 ，设计支架时 减轻支架重量。 3 支架 设 计 时，四连 杆运 动 轨 迹 双纽 线 ，并不是摆 幅越小越好 ，而要适 当增大 ，一般 要大于 l O O m m，对于大采 高液压支架 ，摆幅要 大 于 1 5 0 mm，同时通过对 四连杆机构 、掩 护梁背 角 等结构参数进行优化 ，可以实现顶梁运动轨迹一直 向前摆动 ，并且使支架在工作面范围内支架梁端曲 线变化平稳 ，有效控制顶板 。 [ 参考文献] [ 1 ]张银亮 ，刘俊峰 ，庞 义辉 ，等 ．液压 支架护 帮机构 防片 帮效 果分析 [ J ]．煤 炭学报 ，2 0 1 1 ，3 6 4 6 9 1 6 9 5 ． [ 2 ]王冬，谢桂林 ． 基于 U D E C下端面煤岩体稳定性及其合理 支护参数数值模拟研究 [ J ]．矿冶 ，2 0 1 4，2 3 3 9 1 3 ． [ 3 ]臧传伟，张兆龙，何富连，等 ． 软煤综放面端面失稳数值模 拟研究[ J ]．矿山压力 与顶板 管理 ，2 0 0 1 2 9 - 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