大采高垛式液压支架设计.pdf

第 4 3卷第 l 1期 2 0 l 7年 1 1月工矿自动化 I n d u s t r y a n d M i n e A u t o ma t i o n Vo 1 ． 4 3 No ．1 1 NO V ． 2 0 1 7 文章编号 1 6 7 l 一 2 5 1 X 2 0 1 7 1 l 一 0 0 9 0 0 4 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 7 ． 1 1 ． 0 1 8 大采高垛式液压支架设计曹连民，燕明伟，孙士娇，张震，朱志元，刘冰山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛 2 6 6 5 9 0 摘要针对榆林矿区某矿大采高综采工作面回风巷采用超前支架、单体支柱或木垛进行超前支护存在支护效果差、支护速度慢、支护成本高、工人劳动强度大等问题，设计了一种大采高垛式液压支架。对该支架在顶梁偏载与底座扭转、项梁扭转与底座集中载荷、顶梁集中载荷与底座偏载 3种工况下进行有限元分析，通过分析应力云图和变形云图发现该支架整体受力均匀，无明显应力集中现象，且支架未出现较大变形；对该支架进行现场测试，结果表明，该支架支护作用下的巷道围岩变形量小，有效保证了工作面巷道的安全。关键词煤炭开采；超前支护；液压支架；垛式液压支架；大采高液压支架中图分类号 T D3 5 5 ． 4 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 7 1 O 一 2 7 O 9 3 5 网络出版地址 h t t p ／／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 7 1 O 2 7 ． 0 9 3 5 ． 0 1 8 ． h t ml De s i gn o f h i gh c u t t i n g c ho c k t y p e h y d r a u l i c s up p o r t CA Li a n mi n， YAN Mi n g we i ， S UN S h i j i a o， Z HANG Zh e n， ZHU Zh i y u a n， LI U B i n g Col l e g e o f M e c h a ni c a l a n d El e c t r on i c Eng i ne e r i ng，Sh a nd on g U ni ve r s i t y of Sc i e n c e a n d Te c hn ol o gy Qi n g d a o 2 6 6 5 9 0 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f p r o b l e ms o f p o o r s u p p o r t e f f e c t ，s l o w s u p p o r t s p e e d，h i g h s u p p o r t c o s t a n d g r e a t l a b o r i n t e n s i t y o f a d v a n c e s u p p o r t wi t h a d v a n c e d h y d r a u l i c s u p p o r t ，s i n g l e h y d r a u l i c p r o p o r t i mb e r i n r e t ur n a i r wa y o f f ul l y me c ha n i z e d hi gh c u t t i ng c o a l mi n i ng f a c e of a c o a l m i ne i n Yu l i n mi ni n g a r e a，a hi g h c u t t i n g c h oc k t y pe hy dr a ul i c s up po r t wa s d e s i gn e d． Fi ni t e e l e m e nt a na l y s i s o f t he s u pp or t wa s c on du c t e d un de r t hr e e k i nd s of op e r a t i ng c o n di t i on s n a m e l y t op b e a m e c c e nt r i c l o ad a n d pe de s t a l t or s i on， t op be a m t o r s i on a nd p e d e s t a l c o nc e nt r a t e d l oa d，t op be a m c on c e n t r a t e d l oa d a n d pe de s t al e c c e nt r i c l oa d．The s t r e s s ne p ho gr a m a n d de f o r m a t i o n ne pho g r a m s h ow t h a t t he wh ol e s u pp or t i s s t r e s s e d u ni f o r m l y wi t hou t a p p a r e n t s t r e s s c o n c e n t r a t i o n p h e n o me n o n a n d l a r g e d e f o r ma t i o n．Th e f i e l d t e s t r e s u l t s h o w t h a t t h e s u pp or t c a n e f f e c t i v e l y gu a r a nt e e s a f e t y o f wo r ki ng f a c e r oa dwa y wi t h s m a l l d e f o r m a t i o n o f s u r r o un di n g r oc k of r o a d wa y． Ke y wo r d sc oa l m i n i ng； a dv a n c e s u pp o r t ； hy dr a u l i c s u pp o r t； c h o c k t y pe hy d r a u l i c s u pp o r t ； hi g h c u t t i n g hy dr a ul i c s up po r t 0 引言榆林矿区某矿大采高综采工作面同风巷超前支护经历了 3个阶段 ① 第一阶段采用超前支架进行支护，但受已开采工作面采动影响，综采工作面回风巷顶板矿压显现剧烈⋯ ，导致超前支架被压死，造成支架撤出难度大，阻碍了工作面的正常推进。② 第二阶段采用单体支柱进行支护，但单体支柱支护强收稿日期 2 0 1 7 - 0 4 2 8 ；修回日期 2 O 1 7 - 0 9 2 4 ；责任编辑盛男基金项目中国煤炭 1 业协会科学技术研究指导性计划项目 MT KJ 2 0 l 6 - 2 7 9 ；青岛市应用基础研究计划资助项目 1 5 - 9 1 3 2 一 j c h ；山东科技大学人才引进科研启动基金资助项目 2 0 1 5 RC J J O 2 5 。作者简介曹连民 1 9 7 8 一，男，山东陵县人，副教授，博士，主要研究方向为电液控制、矿山机械等， E ma i l s k d c l ml 6 3 ． C O rn。引用格式曹连民，燕明伟。孙士娇，等．大采高垛式液乐支架设计 [ J ] ． 1 ’ 矿自动化， 2 0 1 7 ， 4 3 1 1 9 0 9 3 ． c人 L i a n mi n ， Y AN Mi n g we i ， S UN S h i j i a o ， e t a 1 ．D e s i g n o f h i g h c u t t i n g c h o c k t y p e h y d r a u l i c s u p p o r t [ J ] ． I n d u s t r y a n d Mi n e AU t o r n a t i o n， 2 01 7， 4 3 1 1 9 0 9 3 ． 2 0 l 7年第 l 1 期曹连民等大采高垛式液压走架设计 9 1 度低，容易被压断、损坏，同时 ⋯于体支柱数量多．造成支护速度慢、支护效率低。③ 第一阶段采用木垛进行支护， r h于支护强度低，回风巷米压时，木垛大范被压死或歪倒．导致巷道变形严重，无法满足巷道正常通风要求．难以保障安伞生产。同时小垛料同收利用率低，增 J J J 】 J 生产成本。鉴此，本义没汁 r一种大采高垛式液压支架．以实现对该矿综采 _ I 作面回风巷的有效超前支护。 l 工作面概况愉林矿区某矿煤层厚度为 3 ． 0 9 ～7 ． 0 0 m，煤层平均厚度为 5 ． 5 6 m，可采厚度为 3 ． O 9 ～6 ． 2 5 m，煤层层位稳定，厚度变化小；煤层结构简单，多数不含夹矸，煤层以黏煤为主，长焰煤次之．煤质变化小。陔矿综采工作而顶板岩性主要为砂质泥岩，少数为粉砂岩。底板岩性主要为砂质泥；采用一次采全高采煤法．全部垮落法管理顶板．一 r 作而后退式回采．共布置主运输巷、辅助运输巷和同风巷 3条巷道，长度均为 3 6 8 8 IT I ，断面呈矩形，其中同风巷宽 5 ． 4 i“I 1 ，高 3 ． 9 I “I 1 。 2大采高垛式液压支架设计支架最大结构高度为 H 一 M ⋯ 卜Sl 1 支架最小结构高度为 H ⋯一 M m S 2 式中 M ， M⋯ 分别为煤层最大、最小截割高度， M 取 4 m， M 取 3 ． 1 I T I ； S 为考虑伪顶冒落的最大厚度．大采高支架取 0 ． 2 ～0 ． 4 n 1 ，本文取 0 ． 4 m； S 为学虑周期米压时的下沉量．大采高支架取 0 ． 5 ～0 ． 9 1 T i m，本史取 0 ． 9 I l l I I 1 。按岩重法计算支架支护强度 qKM p 1 0 3 式中 K 为作用于支架上的顶板石厚度系数，一般取 5 ～8 ； M 为采煤高度，取 1 ． 4 n -1 ； _0 为岩石密度， _一般取 2 ． 5 1 0 k g ／ m 。支架支撑顶板的有效T 作阻力为 Q q F 1 0 4 式巾 F为支架支护而积。 F 一 L C B D 5 式中 j 为支架顶梁长度，取 6 m； C 为梁端距，大采高支架梁端距一般取 0 ．3 5～ 0 ． 4 8 n 1 。本文取 0 ． 4 l m； B为支架顶梁宽度．取 2 ． 6 4 5 m； D 为架间距，取 2 ． 5 n 1 。支架对顶板的初撑力一般为支架工作阻力的 0 ． 6 ～0 ． 8倍，本义取 0 ． 8倍。考虑巷道实际 T况，确定大采高垛式液压支架主要技术参数支架高度为 2 ． 2 ～4 ． 4 n ．支架宽度为 1 ． 9 ～2 ． 6 4 F I 1 ．支护强度为 0 ． 5 4 6 MP a ，幸 7 J 撑力为 1 6 0 0 0 k N．r作阻力为 2 0 0 0 0 k N，泵站压力为 3 7 ． 5 MP a ．采用电液控制方式。大采高垛式液支架结构如 1所示。该液支架结构特点 ① 为防止巷道两帮冒落的矸石进入支护空间，液压支架顶梁住靠近两帮侧没有顶梁侧挡板。② 为便于排浮煤、碎矸和抬起底座，底座采用整体刚性中分式结构，支架带抬底机构和底渊机构，同时底座靠近两帮侧没有底座同定挡板． j 一侧设计双底测机卡勾并底座上预留底座凋架。 ③ 为实现移，推移机构采用长推杆倒装千斤顶结构，推杆通过环链与前架底座连接，也可单独通过底座问两边连接的 2 个推移 l下斤顶实现移。 ④ 为保证支架调高范大、使用方便，支架立往采用双伸缩型式。 1 坝； 2 J m 侧板；，{掩 ’ ； 1 前连 f 『； 5』 - 连秆； 6底膻定板； 7 底座； 8 长椎杆 1 火采高垛式液压支架结构 Fi g．I Sl r I l ’ i t l F f h i gh c ut t i n g c ho c k t yp e hy d r a ul i c s up t o r t 3 大采高垛式液压支架有限元分析由于液支架部分组件对于液压支架整体有限元分析的影响不大．只对液压支架主要组成部件进行有限元分析。通过在顶梁和底座不同位置放置垫块来模拟支架仵井下的受力T 况，边界条件按工矿自动化 2 0 1 7年第 4 3卷照 B 2 5 9 7 4 ． 1 2 O 1 煤矿用液压支架第 1部分通用技术条件中规定的支架型式试验条件来确定，采用内加载方式进行有限元分析。。分别在顶粱偏载与底座扭转、顶梁扭转与底座集中载荷、顶梁集中载荷与底座偏载 3种工况下对大采高垛式液压支架进行模拟加载试验 ” ，得到支架 3种工况下的应力云图和变形云图，分别如图 2 4所示。鬯 l l 『 0 ，移／ mm ； 1 应力五 b变形图罔 4 顶梁集中载荷与底座偏载分析结果 Fi g．，l An a l y s i s r es ul t s of t o p b e a m c o nc e nt r a t e d l oa d a nd pe d e s t a l e c c e nt r i c l oa d 从 2网 4可看出液压支架最大应力均出现的连杆与掩护梁铰接的销轴孔处，在顶梁集中裁荷与底座偏载 T 况下应力最大，达 7 8 6 ． 0 5 MP a 。顶梁偏载与底座扭转工况下应力最小，液压支架其余部位受力均匀，均未出现应力集中现象；液压支架最大变形均出现在顶梁前端，在顶梁集中载荷与底座偏载 r 况下变形量最大，达 2 9 ． 0 8 4 mi l l ，顶梁偏载与底座扭转工况下变形量最小，顶梁前端至顶梁后部变形量逐渐减小，液压支架其余部位变形偏小，均未 m现较大变形。 4现场测试在榆林矿区某矿大采高综采 T作面回风巷对大采高垛式液压支架进行 r现场测试。支架在综采工作面采用两排对称方式布置，为实现支架自移．前后相邻支架问距不得大于推移千斤顶行程．同时为实现对巷道的有效支护，并列两排支架顶梁问距不得大于 9 0 0 mm。在回风巷顶底板和两帮处各没 1个观测点，测量得到累积移近量和 T 作面推进距离关系曲线，如罔所示。可看出巷道累积移近量随着 _ r 作面的推移逐渐缩小，表明采用大采高垛式液压支架进行巷道超前支护后，工作面巷道围岩变形量小，巷道处于稳定状态．验证 r大采高垛式液压支架设计的合理性。罔 5 累积移近量和工作面推进距离关系曲线 Fi g ．5 Re l a t i on c u r v e be t we e n c u mul at i v e di s pl a c e me nt a n d a d va n c i n g d i s t an c e o f wor ki ng f a c e 5 结语设计了一种用于巷道超前支护的大采高垛式液压支架，并对其进行有限元分析和现场应用测试。结果表明该支架整体受力均匀，无明显应力集中现象，且未出现较大变形；该支架支护作用下的巷道围岩变形量小，证明其能有效保证综采工作而巷道的安全。后续需要对支架结构进行优化改进，降低支架自身整体质量。参考文献 R e f e r e n c e s [1 ] 周凯，挛刚，赵帅．短壁开采用履带行走式液支架研制及应用[ J ] ．煤炭科学技术． 2 0 1 3 ， 4 1 4 8 5 8 8 ． ZH 【 J Ka i ， LI Ga n g． ZH A Sh ua i ．De ve l op m e nt a n d a pp l i c a t i on of c r a wl e r wa l ki n g t y pe hy dr a ul i c powe r e d s u p p o r t u s e d f o r s h o r t wa l l mi n i n g [ J ] ． C o a l S c i e n c e a nd Te c hn ol ogy． 20l 3， 41 4 8 5 8 8． [ 2] 郭继圣．综采工作面巷道超前液压支架选型设计及展 _ - 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