液压支架选型研究的现状、发展趋势及应用.pdf

煤 炭 科 技 5 6 C0 AL S C I ENC E T EC HNOL 0GY MAGAZ I NE 2 0 1 1 年第 4 期 No ． 4 2 01 1 文章编号 1 0 0 8 3 7 3 1 2 0 1 1 0 4 0 0 5 6 0 3 液压支架选型研究的现状、 发展趋势及应用 宋日 彪， 牛玉生 山西汾西矿业集团正新煤焦有限责任公 司 贾郭煤矿 ， 山西 沁源0 4 6 5 0 0 摘要 液压支架在我国采矿发展史上 占有重要地位。首先介绍了支架与围岩相互作用关 系， 然后从支架类型及外载分析、 支架工作阻力和初撑力的确定两个方面阐述了如何进行 液压支架选型， 并指出液压支架选型的发展趋势， 最后结合贾郭煤矿的情况具体阐述 了液 压支架的选 型应用。 关键词 液压支架； 初撑力； 工作 阻力； 外载 中图分类号 T D 3 5 5 ． 4 文献标志码 A 我 国液压支架的发展经历了坎坷 的历程从 2 0 世纪 6 0 年代自主研发失败， 7 0 年代引进国外产品并 不断摸索消化， 到 8 0 年代 自主研发新产品， 再到 9 0 年代特种支架的研制。目前 ， 我国已制造出 z z系列、 Z Y系列 、 Z D系列等不同规格的支架 ，并广泛用于煤 矿企业， 取得了良 好的经济效益。其中郑煤机械厂为 神东公司补连塔煤矿定做的液压支架采高高达 7 m， 额定工作阻力最大到 1 6 8 0 0 k N ，是目 前世界上最高 的掩护式液压支架。随着计算机技术、 自 动化技术的 普及与应用， 液压支架的控制获得突破性进展， 逐步 向程序控制、 数字控制、 遥控和自动化控制迈进。 目前， 以液压支架为主体的支护技术趋于成熟。 但是在使用支架的过程中出现了各种问题，最核心 的就是液压支架选型的确定。液压支架选型主要包 括两方面的因素 一是对工作面顶底板条件的适应， 二是支架应具有良 好的支撑性能。 归结为～点， 即支 架要能与开采后形成的围岩结构相适应 ，否则支架 选型小会导致支架受力增大 以致压死 ；选型过大则 不能充分发挥支架的支撑性能，造成一定程度的浪 费。 1 支架与围岩的相互作用关 系 目前普遍认为支架与围岩的关系反映在支架工 作阻力与顶板下沉量的关系上， 其中“ _△ ” 曲线上 有一临界点。 大于此值支架处于给定载荷状态， 老顶 变形由直接顶承担， 支架承受直接顶重量， 增大支架 工作阻力对顶板下沉影响不大； 小于此值， 支架处在 给定变形状态， 即老顶变形全部传到支架上， 支架应 具有足够支护强度和可缩量，提高工作阻力对顶板 下沉有显著影响。 回采工作面的液压支架与其支撑的围岩是一对 相互作用着的矛盾统一体。液压支架结构及性能的 设计必须符合回采工作面围岩运动规律。 只有这样， 才能使支护结构设计既经济又合理。 2 支架类型及外载分析 液压支架由底座和顶梁、立柱、移架装置等组 成， 目前广泛使用恒阻式液压支架。 2 ． 1 支撑式液压支架外载分布及研究 支撑式液压支架支撑力 的分布与有排柱放顶的 单体支架工作面类似， 平时前柱工作阻力大于后柱， 周期来压时， 后柱大于前柱， 这种支撑力分布状态适 应于直接顶比较完整，老顶有明显周期来压或者直 接顶 比较坚硬的情况 。 但是当采空区坚硬顶板冒落时，易形成对支架 强大的水平推力 ， 使支架受到损坏。因此 ， 必须护好 刚露出的顶板， 加强前梁支撑力。 目 前有些现场采用 在顶梁尾部上方冒落处架设木垛，既浪费坑木也不 安全。 有时也将后柱改为拉力， 这实际上就是掩护式 支架。 2 ． 2 掩护式液压支架外载分布及研究 掩护式液压支架在直接顶比较破碎的工作面中 使用 ， 它缩小了控顶距 ， 减少了托梁与顶板之间反复 支撑的次数， 提高了对顶板的支撑力 ， 另外可以承受 一 定的水平推力， 实现承载迁移。 但由于掩护梁承受 载荷，支柱的工作阻力并不能直接反映托梁上载荷 2 0 1 1 年第 4 期 宋日 彪 等 液 压 支 架 选 型 研 究的 现 状、 发 展 趋 势 及 应 用 5 7 的大小。 必须考虑支柱与顶扳之间的夹角， 才可换算 出托梁与掩护梁上的载荷。 2 ． 3 支顶掩护式液压支架外载分布及研究 支顶掩护式液压支架综合了上述两种支架的优 点， 其工作空间宽裕， 通风断面大， 受力状态好， 挡矸 性能好。其受力特点为只有当Q作用在立柱与顶梁 铰接点附近时才能充分发挥作用，超出此范围支撑 效率下降， 并产生附加力。 2 ． 4 支撑掩护式液压支架外载分布及研究 支撑掩护式顶梁长度较长， 增加了支撑力， 缩短 了掩护梁长度， 加大了坡度， 改善了支架底座与底板 受力情况。 其合力作用点位于前排支柱上方时， 承载 能力相当于前排支柱的工作阻力，如果两排支柱工 作阻力相等， 则相当于支架工作阻力一半， 可见支撑 掩护式支架支撑能力较强，对顶板适应性较强。另 外， 底座外载作用点至前端距离小， 对软底有较好的 适应性。 3 液压支架支护强度分析 液压支架的支护强度主要是根据初撑力与支架 工作阻力两个参数决定的。 3 ． 1 工作阻力的计算 液压支架工作阻力是液压支架研制的关键性参 数， 但影响该参数的合理值的因素多而复杂， 故至今 仍处于探索和发展中。 1 岩石 自重法。这种方法在我国研究得比较 深入 ， 理论分析与实际观测均有研究 ， 且与实际相差 不大。 此法实质是 以老顶周期来压时采面上覆岩层移 动所波及的范围，即以垮落带内岩石重量和周期性 断裂层所产生冲击载荷来确定液压支架工作阻力 的。 很多学者以此为基础推算了很多公式 ， 以载荷估 算法和 理论分析法为代表。 2 动载系数法 。根据实测所得加权平均工作 阻力和最大工作阻力及采面至开切眼距离 ，可确定 老顶周期来压步距， 即两次阻力峰值间距， 进一步可 确定动载系数 ， 从而求得工作阻力。 3 载荷折算法。按照相近条件工作面的采面 单体支柱实测支护强度折算得出液压支架支护强 度。 这种方法虽然比较准确， 但是须有支柱载荷数据 方可使用， 具有局限性。 4 老顶来压步距法 。认 为老顶来压步距是影 响支架工作阻力 的重要指标 ，经 回归分析得 出了公 式 。 5 顶底板移近量法。用单体支柱或支架的顶 底板移近量经回归分析得出， 比较准确， 但是支架的 顶底板移近量很难测得。 6 支架工作特性法。利用支护阻力与活柱压 缩关系确定 。 7 实测统计法。支架的时间加权平均工作阻 力是一个随机变量 ，服从正态分布。经我 国近 3 0 a 来实测统计，由煤炭科学研究总院根据这种方法提 出了我国煤炭行业标准综采工作面的支护强度表。 8 临界阻力法 。这是 比较有影响力的方法 ， 由 煤科总院提出，根据实测液压支架支护阻力计算采 面支架临界阻力， 然后乘以适当系数， 确定液压支架 的合理支护强度。 9 数值模拟法。通过 F L A C数值模拟， 取不同 的支护强度， 根据下沉量关系得到合适的支护强度。 3 ． 2 初撑力的计算 1 初撑 力决定 了支架一 围岩 的工作状态和从 不平衡到平衡发展 的过程。采用低初撑力或设计初 撑力不低但利用率低的支架，压力时间曲线容易出 现急增阻型， 难以达到支架顶板相对平衡。 我国早期 液压支架初撑力偏低， 出现了很多顶板事故。 2 初撑力对工作面实际支架阻力起决定作 用， 尤其当阻力高时。定量回归分析表明， 初撑力增 加 ，平均工作阻力明显增加 ，顶板下沉及破碎度减 小。 3 维持直接顶重力平衡 ， 避免离层冒落， 可使 直接顶破坏显著减小。 4 如果初撑力不仅足以避免直接顶离层， 且 能压缩顶底板 的话 ， 可增大支撑系统刚度 ， 减小顶板 早期下沉 。 5 初撑力过高，上述阻力及顶板状况变化幅 度减小， 且支架构件内应力增高， 支架成本增加。因 此， 初撑力应提高， 但应控制在一定范围内。 3 ． 3 液压支架的选型 主要指支架的结构形式与工作阻力选型。主要 根据直接顶稳定性类别， 基本顶压力显现级别， 底板 抗压入特性 ， 结合采高、 开采方法等因素确定支架结 构形式。 根据我国的经验， 支顶掩护式支架和支撑掩 护式支架有较大的适用范围，而极不稳定顶板优先 选用支顶掩护式支架，直接顶稳定和基本顶来压强 烈的顶板优先选用支撑掩护式。 初撑力和工作阻力选用如上所述。选型结束后 5 8 煤炭科技 2 0 1 1 年第 4 期 还需① 验算底座尖端比压是否超过允许比压； ② 以结构内力最小为目 标函数，并考虑足够的安全系 数 ， 完成结构参数优化设计 。 3 ． 4 液压支架选型研究的发展趋势 3 ． 4 ． 1 液压支架外载研 究的发展趋势 对液压支架的外载往往具有随机性，即使同一 支架在不 同时刻 由于触点不一也会导 致外载的不 同， 目前普遍采取求平均值和合力作用点来研究， 但 这样与实际相差很大。 该矿正在将可靠度和随机力学理论引入液压支 架的设计与分析中，对支架在特定 的时间、指定地 段、 指定条件的稳定状态进行安全性评价， 并用随机 有限元法进行进一步分析。 3 ． 4 ． 2 工作 阻力研 究的发展趋势 1 目前的工作阻力确定方法更倾向于经验 ， 理论分析较少 ， 很多方法都建立在实测的基础上。 2 目 前确定工作阻力的各种方法并不是独立 的 ， 而是相互继承和发展的关系。 3 在工作阻力的确定中，动载系数的确定是 一 个迟迟未解决的问题，大多数方法都是像取安全 系数一样取动载系数，以前虽然也有人研究过其机 理， 但所给的公式较复杂。因此， 找到一种简单易行 的方法来表示动载系数势在必行。 4 数值模拟方法有待进一步发展 。由于地质 条件的复杂性， 对于工作阻力的确定， 应用数值模拟 应是未来的方向， 并通过一定的数学手段， 比如线性 回归、 模糊数学、 可靠性等来辅助。 3 ． 4 ． 3 初撑 力研究的发展趋势 目前我国初撑力研究定性已经很好，但定量研 究仍显不足。 在液压支架外载及工作阻力 、初撑力的确定中 经常会遇到的一个问题是安全系数 的确定 ，然而安 全系数只是一个值，并未考虑设计参数任何内在变 异性，其值往往取决于工程人员的设计经验和工程 判断能力 ， 并没有广为接受的法则 ， 就难免带有一定 程度的随意性和人为因素， 甚至是主观臆断。 不能定 量是安全系数最大的缺点。 4 支架的选型应用 4 ． 1 工作面基本情况 贾郭煤矿井田内无岩浆岩活动， 矿井地质构造 复杂程度总体上属简单类。 井田内主要可采煤层有 1 、 3 、 7 下 、 91 0 、 l 0 下 、 1 1 煤共 6 层 ，首采区为四采 区内 9 l O 煤。9 1 0 煤为缓倾斜中厚煤层， 煤层 赋存较稳定。对于中厚煤层， 可供选择的采煤工艺 比较单一， 结合矿井井型， 设计 9 1 0煤采用综采 一 次采全高采煤工艺， 后退式回采 ， 全部冒落法管 理顶板 。 4 ． 2 支架类型的确定 由于 9 1 O 煤为缓倾斜中厚煤层 ，煤层赋存 较稳定。其平均厚度约 2 ． 6 8 m， 9 1 0 煤含 0～2 层夹矸 ， 顶板为石灰岩、 泥岩 ， 底板为泥岩、 砂质泥 岩 。 从顶底板条件可以看出，工作面直接顶较为破 碎 ， 因此选用掩护式支架 。 4 ． 3 支架工作阻力及初撑力的确定 目 前仍然主要采用估算法计算工作面液压支架 支护强度 P 4～8 M 9 ． 8 ／ l 0 0 0 式中P 一支架所需支护强度， M P a ； 煤层采高，四采区9 1 0 煤采高为 1 ． 8 5 ～ 2 ． 9 1 m ， 平均采高2 ． 6 8 m 包含夹矸 ； r顶板岩石视密度 ， 2 ． 6 t ／ m 。 贝 0 P 48 2 ． 6 89 ． 82 ． 6／1 0 0 0 0． 27 5 ～0．5 5 MPa 根据以上计算， 设计选用 Z Y 6 0 0 0 ／ 1 8 ／ 3 5型掩 护式液压支架 ，其支护强度为 0 ． 7 8～0 ． 8 5 M P a 0 ． 5 5 M P a ， 可满足支护强度要求。 额定初撑力一般为工作阻力的 8 0 ％左右。由于 该地区直接顶较为破碎， 为防止直接顶离层， 可适当 增加初撑力， 最后确定为工作阻力的 8 4 ． 4 5 ％， 即额 定初撑力为 5 0 6 7 k N 。 该液压支架主要技术参数如下 支架高度 ， m m 1 8 0 03 5 0 0 支架 中心距 ， mm 1 5 0 0 工作 阻力 ／ k N 60 0 0 额定初撑力／ k N 5 0 6 7 支护强度 ／ MP a 0 ． 7 8 0 ． 8 5 作者简介 宋日彪 1 9 6 6 一 ， 男， 山西平遥人， 1 9 8 6毕业 于陕西煤炭工业学校通风安全专业， 山西汾西矿业集团正新 煤焦有限责任公司贾郭煤矿工程师。 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 7 2 2