超前超高端头液压支架设计.pdf

收稿日期２０１９－０８－２４作者简介王荣泉（１９８５），男，河南南阳人，２０１１年毕业于太原理工大学机械设计及理论专业，硕士，高级工程师，现从事煤矿机电设备的销售、管理工作。超前超高端头液压支架设计王荣泉１，２，白伟１，尚新芒１，２，党静１，２（１．陕西陕煤韩城矿业有限公司，陕西韩城７１５４００，２．西安重装韩城煤矿机械有限公司，陕西韩城７１５４００）摘要综采工作面端头围岩在多种支撑压力的作用下，受采动影响最大，矿压显现复杂，是顶板维护和管理的重难点。为解决某矿新采面形成后端头处出现的６ｍ超前超高巷道支护困难的问题，加强端头支护工作并进行有效的超前支护，开展了超前超高端头液压支架设计。根据工作面下端头的支护特点要求，结合端头支架结构设计要求和工作原理以及使用参数，对端头支架的技术参数进行了详细的设计计算；并对活塞杆、千斤顶和液压系统进行了分析及选型计算，以保证其支护强度达到使用要求。分析认为，该端头液压支架设计可以避免由于工作面超前支承压力和沿倾斜方向支承压力共同造成的巷道围岩破坏，提高综采工作面推进效率。关键词超前超高；端头；液压支架；支护设计；活塞杆中图分类号ＴＤ３５５．４１文献标志码Ｂ文章编号１６７１－７４９Ｘ（２０２０）０３－００５２－０５Ｄｅｓｉｇｎｏｆａｄｖａｎｃｅｄｓｕｐｅｒ  ｈｉｇｈｆａｃｅ  ｅｎｄｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔＷＡＮＧＲｏｎｇ  ｑｕａｎ１，２，ＢＡＩＷｅｉ１，ＳＨＡＮＧＸｉｎ  ｍａｎｇ１，２，ＤＡＮＧＪｉｎｇ１，２（１．ＳｈａａｎｘｉＳｈａｎｍｅｉＨａｎｃｈｅｎｇＭｉｎｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｈａｎｃｈｅｎｇ７１５４００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｘｉ ’ ａｎＨｅａｖｙＨａｎｃｈｅｎｇＣｏａｌＭｉｎｅＭａｃｈｉｎｅｒｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｈａｎｃｈｅｎｇ７１５４００，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＵｎｄｅｒｔｈｅａｃｔｉｏｎｏｆｖａｒｉｏｕｓｓｕｐｐｏｒｔｐｒｅｓｓｕｒｅｓ，ｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋａｔｔｈｅｅｎｄｏｆｔｈｅｆｕｌｌｙｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｆａｃｅｉｓｅａｓｙｔｏｂｅａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｍｉｎｉｎｇ，ａｎｄｔｈｅｍｉｎｅｐｒｅｓｓｕｒｅｉｓｃｏｍｐｌｅｘ，ｗｈｉｃｈｉｓｔｈｅｋｅｙａｎｄｄｉｆｆｉｃｕｌｔｐｏｉｎｔｏｆｒｏｏｆｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅａｎｄｍａｎａｇｅｍｅｎｔ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆ６ｍｓｕｐｅｒｈｉｇｈｒｏａｄｗａｙｓｕｐｐｏｒｔａｔｔｈｅｅｎｄｏｆｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｆａｃｅ，ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅａｄｖａｎｃｅｄｓｕｐｅｒｈｉｇｈｆａｃｅ  ｅｎｄｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｅｎｄ，ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｆａｃｅ  ｅｎｄｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔ，ｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｆａｃｅ  ｅｎｄｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔｗｅｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄｔｈｅｐｉｓｔｏｎｒｏｄ，ｌｉｆｔｉｎｇｊａｃｋａｎｄｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈａｔｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｅｎｇｔｈｍｅｅｔｓｔｈｅｕｓｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｆａｃｅ  ｅｎｄｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔｃａｎａｖｏｉｄｔｈｅｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｏａｄｗａｙｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅａｄｖａｎｃｅｄｂｅａｒｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｉｎｃｌｉｎｅｄｂｅａｒｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ，ａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｆｕｌｌｙｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓａｄｖａｎｃｅａｎｄｓｕｐｅｒ  ｈｉｇｈ；ｅｎｄ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔ；ｓｕｐｐｏｒｔｄｅｓｉｇｎ；ｐｉｓｔｏｎｒｏｄ０引言目前，对液压支架支护系统的研究大多数是针对工作面设备，而对超前超高顺槽和端头的支护系统研究则较少［１－４］。从煤矿综合机械化采煤的现状来看，综采工作面的基本支护技术已经较为成熟，支撑式液压支架、掩护式液压支架以及支撑掩护式液压支架可满足不同地质条件下综采工作面的支护［５－７］。然而工作面两端头处的支护技术，则发展相对缓慢，严重制约了综采生产的效率。根据煤矿安全规程规定，采煤工作面所有安全出口与巷道连接处２０ｍ范围内，必须加强支护；综合机械化２５王荣泉白伟尚新芒等超前超高端头液压支架设计２０２０年采煤工作面，此范围内的巷道高度不得低于１．８ｍ，即采煤工作面两顺槽２０ｍ范围内必须采取超前加强支护，此范围是工作面的矛盾集中点。综采工作面的端头处于采、运、支设备的交汇点，机电设备数量多，设备布置密集，人员出入频繁，特别是下端头，位于采煤机、运输机、转载机和液压支架的结合处机电设备数量较多，且受工作空间限制，设备布置密集，而端头处恰恰是生产人员进出工作面之处，显然此处的工作环境极易存在安全隐患［８－１１］。同时，端头围岩在多种支撑压力的作用下，受采动影响最大，矿压显现复杂，工作面端头支护是顶板维护的重点，也是顶板管理的难点。端头支护工作已成为工作面生产的重要环节，也是现场管理的薄弱环节。同时，对巷道进行有效的超前支护，可以避免由于工作面超前支承压力和沿倾斜方向支承压力共同造成的巷道围岩破坏，提高综采工作面推进效率，保证安全生产。１端头支架工作原理及设计１．１工作面下端头的支护要求支护特点和上端头相比，下端头区内布置设备更多，包括刮板输送机机头、转载机机尾等。对下端头支护要求，除了应满足上端头支护要求之外，还有以下两个特点。①综采工作面下端头设备多，且体积大，端头支架要有较大的无立柱空间，以确保此处的设备正常运转、顺利前移及正常维护； ②为了保证刮板输送机机头及自身的顺利前移以及转载机和破碎机的前移，端头支架推移力及拉架力要大。总之，端头支架必须满足于综采工作面回采巷道机电设备的配套性，支护面积大，无立柱空间大，有护巷及护帮能力，利于拆棚和替棚，系统运动灵活，推拉力满足要求，保证设备的正常运转及工作面的推进要求。支护要求所设计的液压支架主要安装于大采高综合放顶煤工作面（６ｍ）顺槽及回风巷道两端头处，以及切顶卸压沿空留巷巷道段。在桑树坪煤矿３号煤工作面，该支架替代了原来的端头处采用不可回收的木垛支护。该支架总体结构呈可折叠门式支架，分为前架和后架，立柱支撑，顶板采用平衡缸支撑，中间通过铰接，形成折叠门式支架；护帮采用平行四连杆机构，通过立柱施加压力支撑，最终达到对工作面采煤机端头位置的支撑功能，将前架推移油缸与前溜子机头连接，在工作过程中可随前溜子移动达到同步支护要求。１．２端头支架结构设计及使用参数设计要求端头支架是工作面机头和机尾的支架，一般高度小于采高（中间支架），分别用于上下顺槽，与折叠支架形成一个支护空间。它的主要功能是维护好巷道和回采工作面交叉口处的顶板，协调该处排头支架，工作面运输机、顺槽转载机等设备之间的位置和配套关系。端头支架除了能自移外，还要为转载机和运输机机头的移动提供动力。端头支架自身具有防倒、调架或使用工作面倾角变化的能力，能适应左右工作面，换向方便。前梁深入巷道，起一定的超前支护作用。使用参数根据巷道支护要求及端头支架工作原理，对其进行详细设计计算后，其整体设计参数见表１。表１端头支架参数表项目参数宽度／ｍｍ３８００～４０００前架长度／ｍｍ５８００前后架间距／ｍｍ４００初撑力（Ｐ＝３１．５ＭＰａ）／ｋＮ４８５安全压力／ＭＰａ３４底座平均比压０．８７操作方式本架手动操作高度／ｍｍ３０００～６０００后架长度／ｍｍ４８００巷道截面（宽高）／ｍｍ４０００６０００工作阻力（Ｐ＝３４ＭＰａ）／ｋＮ１０６７最大支护强度／ＭＰａ０．５泵站压力／ＭＰａ３１．５重量／ｋｇ２９６８４１．３端头支架立柱设计端头支架立柱结构端头支架立柱结构同折叠支架立柱结构，用于维护采煤工作面端头巷道顶板的液压支架，如图１所示。该端头支架主要由前架和后架通过推移油缸连接组成，前后架分别由立柱、平衡缸、护帮缸、推移油缸、伸缩侧护板、顶板、顶座、底座、侧板、护帮板、液压管件等部件组成。端头支架立柱参数立柱形式为双伸缩双作用缸。端头支架立柱外缸内径为  ２００ｍｍ，中缸外径为  １８５ｍｍ，中缸内径为  １４０ｍｍ，活塞直径为  １３０ｍｍ。当供液压力为３１．５ＭＰａ时，中缸初撑力３５第３期王荣泉白伟尚新芒等超前超高端头液压支架设计为９８９ｋＮ，活柱初撑力为４８５ｋＮ，当压力超过安全阀设定压力３４ＭＰａ时，安全阀开启卸载，此时立柱工作阻力为１０５０ｋＮ。行程、一级行程、二级行程分别为３００５ｍｍ、１５６０ｍｍ、１４４５ｍｍ。图１端头支架系统结构１．４端头支架支护设计安全阀开启压力为３４ＭＰａ时，立柱的工作阻力设为１０６７ｋＮ，在此条件下计算端头支架参数及支护强度。端头支架顶梁尺寸计算前架顶梁尺寸（面积）３７００ｍｍ４０００ｍｍ；后架顶梁尺寸（面积）４８００ｍｍ４０００ｍｍ；不考虑端头支架的侧护时，前架顶梁尺寸（面积）为３７００ｍｍ２３００ｍｍ，后架顶梁尺寸（面积）为４８００ｍｍ２３００ｍｍ。端头支架支护强度计算 ①前架支护强度。１０６７０００Ｎ４（３７００ｍｍ４０００ｍｍ）＝０．２９Ｎ／ｍｍ２，即前架支护强度为０．２９ＭＰａ； ②后架支护强度。１０６７０００Ｎ４（４８００ｍｍ４０００ｍｍ）＝０．２２Ｎ／ｍｍ２，即后架支护强度为０．２２ＭＰａ； ③不考虑侧护面积时。前架支护强度１０６７０００Ｎ４（３７００ｍｍ２３００ｍｍ）＝０．５０Ｎ／ｍｍ２＝０．５ＭＰａ；后架支护强度为１０６７０００Ｎ４（４８００ｍｍ２３００ｍｍ）＝０．３９Ｎ／ｍｍ２＝０．３９ＭＰａ。端头支架前架参数高度为３１００～６０００ｍｍ；宽度为３２００～４０００ｍｍ；长度为５１００～５８００ｍｍ；重量为每架约１８３１８ｋｇ（不含阀及油管）。端头支架后架参数高度为３１００～６０００ｍｍ；宽度为３２００～４０００ｍｍ；长度为４８００ｍｍ；重量为每架约１７９６６ｋｇ（不含阀及油管）。２关键部件分析２．１活塞杆有限元分析计算三维实体模型活塞杆的有限元分析从立柱强度计算的第四种情况下开始进行，即安全阀开启压力为２０ＭＰａ，工作阻力为５０８６８０Ｎ时，活塞杆的承载力，其中活塞杆的材料为４０Ｃｒ，最大屈服强度为７８５ＭＰａ。借助ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件建立了活塞杆的三维实体模型，如图２所示。根据活塞杆的实际工作过程和约束及承载状态，在有限元分析中，对活塞杆的底部施加约束，顶部施加载荷，如图３所示。活塞杆承载能力计算（径向不受力） ①针对４种安全阀开启压力下液压系统提供的供液压力工况，分别对相应的立柱强度进行有限元计算，结果见４５陕西煤炭２０２０年图２活塞杆三维模型图３活塞杆约束与载荷施加表２。根据有限元计算结果可以判断，该４０Ｃｒ材质的活塞杆在安全阀开启压力为３９．３ＭＰａ，径向不受力的情况下，当轴向力为９９９５５６．２Ｎ时，活塞杆不会发生屈服失稳现象。表２活塞杆承载能力计算序号安全阀开启压力／ＭＰａ轴向受力／Ｎ径向受力／Ｎ最大屈服力／ＭＰａ１２０５０８６８００３５０２２７６８６７１８０４７３３３５８９０１９００６１３４３９．３９９９５５６．２０６８８活塞杆承载能力计算（径向受力）为计算立柱的径向承载能力，在有限元模型中，分别在活塞杆的顶端施加轴向载荷和径向载荷，如图４所示。仿真计算２０ＭＰａ和３９．３ＭＰａ安全阀开启压力下的活塞杆变形情况，计算结果见表３。①在安全阀开启压力为２０ＭＰａ，轴向受力为５０８６８０Ｎ的情况下，当承受１０００Ｎ的径向压力时，活塞杆最大弯曲变形量为２．３６ｍｍ，处于可使用范围；当承受１００００Ｎ的径向压力时，活塞杆最大弯曲变形量为２２．７８ｍｍ，活塞杆发生弯曲失稳； ②在安全阀开启压力为３９．３ＭＰａ，轴向受力为９９９５５６．２Ｎ的情况下，当承受１０００Ｎ的径向压力时，活塞杆最大弯曲变形量为２．５８ｍｍ，处于可使用范围；当承受１００００Ｎ的径向压力时，活塞杆最大弯曲变形量为２２．８１ｍｍ，活塞杆发生弯曲失稳。因此，当该４０Ｃｒ材质的活塞杆在轴向和径向同时受力时，只要径向受力超过１００００Ｎ（即１ｔ），就会发生弯曲失稳现象，而与轴向是否承受载荷无关。而且，活塞杆弯曲现象与立柱外缸的安全阀压力开启压力大小关系不大。图４活塞杆轴向、径向施加载荷表３活塞杆径向承载能力计算序号安全阀开启压力／ＭＰａ轴向受力／Ｎ径向受力／Ｎ最大屈服力／ＭＰａ径向最大弯曲距离／ｍｍ１２０５０８６８０１０００３４９２．３６２２０５０８６８０１００００３３９２２．７８３３９．３９９９５５６．２１０００６８７２．５８４３９．３９９９５５６．２１００００６７６２２．８１５５第３期王荣泉白伟尚新芒等超前超高端头液压支架设计２．２千斤顶特征参数平衡千斤顶参数普通双作用形式；缸径、杆径分别为  １２５ｍｍ、  ８５ｍｍ；拉力（Ｐ＝３１．５ＭＰａ）为２０８ｋＮ，推力（３１．５ＭＰａ）为３８６ｋＮ；行程为２９５ｍｍ。护帮千斤顶参数普通双作用形式；缸径、杆径分别为  １００ｍｍ、  ７０ｍｍ；拉力（Ｐ＝３１．５ＭＰａ）为１２６ｋＮ，推力（３１．５ＭＰａ）为２４７ｋＮ；行程为１９５ｍｍ。２．３端头支架液压系统系统构成端头支架液压系统包括前架和后架两部分。前架液压元件包括支撑油缸、立柱、护帮千斤顶等；后架液压元件包括立柱、护帮千斤顶等；前架和后架之间由推拉油缸完成动作的协调。端头支架的液压系统主要由乳化液泵站、过滤器、操纵阀、回液断路器、立柱双向锁、立柱安全阀、护帮千斤顶液控单向阀、护帮安全阀、支撑油缸液控单向阀、支撑油缸安全阀等组成。工作原理立柱的升柱、降柱和支撑等动作通过手动换向阀、双向锁等液压控制元件完成。护帮千斤顶和支撑油缸的伸出和缩回等动作通过手动换向阀、液控单向阀等液压控制元件完成。乳化液泵站的高压油液，经过操纵阀后，通过双向锁进入立柱的无杆腔，支撑顶板，立柱有杆腔的乳化液经双向锁和操纵阀后流回乳化液箱。当系统压力达到安全阀的设定值时，安全阀打开，液压油通过安全阀卸载流回乳化液箱，避免支架过载造成破坏；当操纵阀处于中位时，立柱双向锁处于关闭状态保证立柱无杆腔的液压油不流回乳化液箱，实现支架正常接顶，并保证足够支撑力。平衡千斤顶和支撑油缸的操纵阀与双向锁的作用与立柱的液压系统。３结语随着综采工作面装备水平的提高，如强力电牵引采煤机、垂直布置的交叉侧卸式输送机等设备的配套使用，使现有的端头支护方式存在维护强度大、安全隐患多等问题。端头的特殊性决定了端头区域维护困难，端头及超前支护效果对机电设备的正常运转和工作人员的安全影响极大。根据液压支架的支护要求，以及支架系统结构和工作原理，对端头支架及关键部件的技术参数进行了详细的计算和分析。该端头液压支架设计可以避免端头围岩在多种支撑压力的作用下受到破坏，提高综采工作面推进效率。参考文献［１］杨瑞琨，李士杰．ＺＴ１８０００／２２／４０型一主两副式端头液压支架的设计及应用［Ｊ］．煤矿机械，２０１８，３９（５）４０－４２．［２］贾领军．充填开采工作面端头液压支架的设计及应用［Ｊ］．煤炭与化工，２０１６，３９（１）８８－９１．［３］黄永安．综采面上下端头煤炭开采工艺研究与实践［Ｊ］．陕西煤炭，２０１９，３８（３）１１０－１１３．［４］李剑峰．端头及超前运输顺槽液压支架研制成功［Ｊ］．煤矿机械，２０１１，３２（３）１１１－１１１．［５］王庆雄．综采工作面采空区下开采端头悬顶控顶技术［Ｊ］．陕西煤炭，２０１７，３６（１）９９－１０３．［６］王志勤．轻型端头自移支架的设计及应用［Ｊ］．矿山压力与顶板管理，１９９５，１２（１）３１－３４．［７］邢小军．新型综放端头及过渡液压支架的研制及应用［Ｊ］．能源技术与管理，２００９，３４（２）７２－７３．［８］张崇宏．兖州矿区综放面端头及两巷超前液压支架研制与应用［Ｊ］．煤矿开采，２０１０，１５（３）８０－８１．［９］王永安．综放面端头自移式超前支护液压支架的设计研究［Ｄ］．青岛山东科技大学，２００５．［１０］张俊满，张孝荣，呼少平，等．Ｚ型工作面切顶留巷支护技术研究［Ｊ］．陕西煤炭，２０１８，３７（６）４４－４７．［１１］李伟，辛忠玉，牟亮礼．综放面轨道巷（沿空）端头及超前支护液压支架研制与应用［Ｊ］．中国煤炭，２００７，３３（６）檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪５５－５６．（上接第５１页）［８］孙峰．基于远程在线监控的综合防尘示范化矿井建设［Ｊ］．陕西煤炭，２０１７，３６（４）８７－８９，８３．［９］刘俊锋，刘庚，黄林．基于ＣＡＮ总线的采煤机远程控制及故障诊断装置［Ｊ］．科学技术创新，２０１８，２２（３３）１７７－１７８．［１０］王波，邓文革，关伟．自动化技术在综采工作面的应用［Ｊ］．陕西煤炭，２０１１，３０（３）１０７－１０８．［１１］符如康，张长友，张豪．煤矿综采综掘设备智能感知与控制技术研究及展望［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１７，４５（９）７２－７８．［１２］黄曾华，苗建军．综采工作面设备集中控制技术的应用研究［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１３，４１（１１）１４－１７，２１．［１３］付国军，杨明亮，许太山．综采无人工作面的整体设计与实现方法的构想［Ｊ］．工况自动化，２０１３，３９（１）３９－４２．６５陕西煤炭２０２０年