液压支架护帮机构防片帮效果分析.pdf

第 3 6卷第 4期 2 0 1 1 年 4月 煤 炭 学 报 J OU RNAL OF CHI NA CO AL S OC I E T Y V0 1 ． 3 6 No ． 4 Apr ． 2 011 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 1 1 0 4 0 6 9 1 0 5 液压支架护帮机构 防片帮效 果分析 张 银亮， 刘俊 峰， 庞 义辉， 刘成 峰 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 为了研究液压 支架不同护帮机构的防片帮效果， 针对液压支架常用的 4种护帮机构组合形 式分别从机构的工作原理、 受力特点等方面进行 了详细的分析 ， 并以 Z Y1 7 0 0 0 ／ 3 2 ／ 7 0 D大采 高液压 支架为例求出了各类护帮机构形式的最大承载能力， 采用数值模拟的方法分别对 4种护帮机构形 式的防片帮能力进行 了模拟分析。结果显示 护帮机构对超前支承应力的分布规律没有产生影响， 但采用伸缩梁和护帮板分体结构可以有效延缓煤壁产生破坏的时间， 防片帮效果最好 ， 是大采高液 压支架理想的防片帮机构形式。 关键词 大采高液压支架； 片帮 ； 冒顶 ； 伸缩梁； 护帮板 中图分类 号 T D 3 5 5 ． 4 文献标 志码 A Ef f e c t a n a l y s i s o f p r e v e nt i o n r i b s p a l l i ng s y s t e m i n h y dr a ul i c s u pp o r t Z HANG Yi n l i a n g ， L I U J u n f e n g ， P ANG Y i h u i ， L I U C h e n g f e n g C o a l Mi n i n g＆De s i g n i n g D e p a r t me n t ， T i a n d i S c ie n c e＆ T e c h n o l o g C o ．， L t 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 I n o r d e r t o s t u d y t h e e ffe c t o f 4 k i n d s o f p r e v e n t i o n r i b s p a l l i n g s y s t e ms ， t h e wo r k i n g p r i nc i p l e a n d f o r c e c h a r a c t e ris t i c s o f 4 k i n d s o f p r e v e n t i o n r i b s p a l l i n g s y s t e ms we r e a n a l y z e d ．Ba s e d o n t he l a r g e mi n i n g h e i g h t f u l l y me c h a n i z e d h y d r a u l i c s u p p o r t o f ZY1 7 0 0 0 ／3 2 ／ 7 0D ， t h e ma x i mu m l o a d c a r r y i n g c a p a c i t y o f 4 k i n ds o f p r e v e n t i o n r i b s p a l l i n g s y s t e ms wa s c a l c u l a t e d． T h e a b i l i t y o f p r e v e n t i o n rib s p a l l i n g wa s a na l y z e d b a s e d o n t h e n u me r i c a l s i mu l a t i o n． Th e s t u d y r e s u hs s h o w t h a t t h e r e g u l a r i t y o f s t r e s s d i s t r i b u t i o n i s n’ t i n flu e n c e d b y t h e pr e v e n t i o n s y s t e ms ． Th e fi s s i o n s y s t e m o f e x t e n s i b l e c a no p y a n d f a c e g u a r d c a n d e l a y t h e t i me o f c o a l r i b t o f a i l u r e e f f e c t i v e l y ． Th e e f f e c t o f p r e v e n t i o n r i b s p a l l i n g o f t h e fi s s i o n s y s t e m o f e x t e n s i b l e c a no p y a n d f a c e g ua r d i s t he be s t ， whi c h i s t h e i d e a l p r e v e n t i o n r i b s p a l - l i n g s y s t e m． Ke y wo r d s l a r g e mi n i ng he i g h t f u l l y me c h a n i z e d h y d r a u l i c s u p p o r t ； r i b s pa l l i n g； r o o f f a l l i n g； e x t e n s i bl e c a n o p y； f a c e g u a r d 大采高综合机械化开采以其单产高、 效率高、 巷 道布置简单 、 采出率高等优势 ， 已逐渐成为我国缓倾 斜厚煤层的主要开采方法之一 ， 广泛应用于西 山、 邢 台、 徐州 、 义马、 阜新 、 龙 口、 开滦 、 铜川 、 双鸭山 、 淮南、 晋城、 神府等矿区 】 J 。然而 ， 生产实践表明 随着采 高的增加 ， 煤壁发生片帮的几率也增大 ， 并 由此容易 引起端面 冒顶 ， 使工作面开采条件进一步恶化， 导致 支架受力不均， 引起支架部件损坏 ， 极 易引发顶板安 全事故 ] 。 目前 ， 控制煤壁片帮和架前 冒顶的方法 主要 有 ① 提高支架初撑力； ② 带压移架 ； ③ 快速移架 ； ④ 减小支 架粱端距 ； ⑤ 采用合 理 的支架 护帮机 构 等。多年的大采高开采实践表 明 在工作面开采参数 一 定的条件下， 通过给支架安设合理 的护帮 、 护顶机 构是抑制煤壁片帮 、 防止架前冒顶的最有效方法。 本文针对 目前国内大采高液压支架常用 的 4种 护帮机 构 ， 以 Z Y 1 7 0 0 0 ／ 3 2 ／ 7 0 D大 采 高液压 支架 为 例， 采用力学分析与数值模拟相结合的方法 ， 对不同 收稿 日期 2 0 1 0 0 8 0 5 责任编辑 柴海涛 基 金项 目 国家“ 十一五” 科技支撑计划资助项 目 2 0 0 7 B AB 1 3 B 0 1 作者简介 张银亮 1 9 6 7 一 ， 男 ， 山东曹县人 ， 研究员。1 1 e l 0 1 0 - 8 4 2 6 3 1 4 2 ． E - m a i l z h a n g y i n l s i n a ． c o m 煤 炭 学 报 2 0 1 1 年第3 6 卷 护帮机构的工作原理 、 护帮能力进行了详细分析 ， 并 对其支护效果进行数值模拟计算 ， 最终确定最优的支 架护帮机构形式。 1 工作面概况 煤层厚度 1 ． 1 5～9 ． 3 0 m， 平 均 5 ． 8 7 m， 层位稳 定 ， 厚度变化规律 明显 ， 结构 简单 ， 煤层倾角 0～ 5 。 ， 普氏硬度系数厂 2 ． 5～ 3 ． 0 ， 韧性大。煤层含 1 ～2层 夹矸 ， 夹矸厚 0 ． 0 6～0 ． 7 5 m， 岩性 为粉砂岩、 泥岩。 煤层顶板以细粒砂岩为主 ， 局部为粉砂岩 、 中粒砂岩 ， 厚度为 1 ． 6 0 3 2 ． O 0 m。煤层底板为粉砂岩、 细粒砂 岩 ， 厚度为 0 ． 6 5～ 1 4 ． 7 5 m。 根据工作面地质条件及矿井生产能力 的要求 ， 确 定工作面采高 6 ． 0～6 ． 8 m， 工作面倾斜长度 3 0 0 m， 采煤机截深为 0 ． 8 6 5 m， 液压支架梁端 距为 0 ． 8 m。 Z YI 7 0 0 0 ／ 3 2 ／ 7 0 D大采高液压支架的主要技术参数 型式为两柱掩护式液压支架； 支架高度 最低／ 最高 为 3 2 0 0 mm ／ 7 0 0 0 m m； 工作阻力为 1 7 0 0 0 k N； 支护 强度为 1 ． 4 8 M P a ； 中心距为 2 0 5 0 m m。 2 支架护帮机构 形式及参数 目前 ， 国内液压支架采用的护帮、 护顶机构主要 有以下 4种形式 。 1 伸缩梁机构 方案 1 。支架顶梁形式为整 体顶梁 ， 顶梁前端设计抽屉式伸缩梁， 伸缩梁千斤顶 的最大工作阻力为 2 x 3 1 4 k N， 如图 1所示。 图 1 伸缩梁机构 Fi g ．1 Ex t e ns i bl e c a n o p y s y s t e m 2 护帮板机构 方案 2 。由于工作面采高较 大 ， 支架顶梁前端采用三级护帮机构 ， 三级护帮板收 回后与二级护帮板折叠 ， 一级护帮千斤顶固定在顶梁 上 ， 通过小 四连杆机构与铰接在顶梁上的一级护帮板 相连 ， 一级护帮千斤顶的最大工作阻力为 2 x 6 1 6 k N， 护帮板可以挑平 ， 如图 2所示。 3 伸缩梁和护帮板连体机构 方案 3 。支架 顶梁前端设计抽屉式伸缩梁和三级护帮机构 ， 一级护 帮千斤顶的活塞杆通过小 四连杆机构与铰接在伸缩 梁上一级护帮板相连 ， 另一端通过托梁 与伸缩梁 连 接 。工作时伸缩梁带动护帮板前后移动， 护帮板可以 挑平 ， 如图 3所示。 4 伸缩梁和护帮板分体机 构 方案 4 。支架 ．P g 1 图 2 护帮板机构 F i g ． 2 F a c e g u a r d s y s t e m 图3 伸缩梁和护帮板连体机构 F i g ． 3 T h e j o i n t s y s t e m o f e x t e n s i b l e c a n o p y and f a c e g u a r d 顶梁前端设计抽屉式伸缩梁和三级护帮机构 ， 两套机 构各 自独立、 分别工作 ， 一级护帮千斤顶 固定在顶梁 上 ， 另一端与铰接在顶梁上 的一级护帮板相连， 护帮 板不能挑平 ， 如图4所示。 J - ， ‘ i 图4 伸缩梁和护帮板分体机构 F i g ． 4 Th e f i s s i o n s y s t e m o f e x t e n s i b l e c a n o p y a n d f a c e gu a r d 3 护帮能力的确定 3 ． 1 支架顶梁受力分析 通过对支 架 进行 总体 受力 分 析可 知 支 架在 6 ． 8 m时的合力作用点位于距顶梁后端 1 3 5 5／ n l T l 处 ， 合力 Q 1 7 3 8 8 k N 。 为了方便计算 ， 将顶梁合力分解为作用于顶梁前 第 4期 张银亮 等 液压支架护帮机构 防片帮效果分析 6 9 3 端的支顶力和作用于顶梁后端的切顶力 ， 根据力 的平 衡原理 ， 当支架顶梁不带伸缩梁或伸缩梁处 于收回状 态时， 支 架 的支 顶力 Q ． 4 9 6 5 k N， 支架 的切 顶力 Q 1 2 4 2 3 k N； 当支架伸缩梁处于伸出状态时， 将顶 梁合力分解为顶梁前端支顶力 Q 3 4 0 1 k N、 伸缩梁 前端 支 顶 力 Q 1 4 9 8 k N 和 支 架 切 顶 力 Q ， 1 2 4 8 9 k N， 如 图 5所 示 。 Q 图 5支架顶梁受 力分析 F i g ．5 Th e f o r c e a na l y s i s o f h y d r a u l i c s u pp o r t t o p b e a m 3 ． 2 不 同机构 护帮 能力 的确定 3 ． 2 ． 1 伸缩梁机构 伸缩梁对煤壁的作用力包含摩擦力和伸缩梁千 斤顶的作用力。最大摩擦力的计算方法为 图 6 将 伸缩梁简化为一个杠杆 ， 根据杠杆平衡原理 、 受力点 的位置及伸缩梁前端支顶力 ， 可以求出伸缩梁后端的 反作用力 Q 2 7 8 5 k N， 伸缩梁 中部支点处所受 的支 撑力 Q 4 2 8 3 k N， 伸缩梁与顶梁之间的摩擦因数按 0 ． 1 5计算 ， 则伸缩梁顶住煤壁 时所 能承受 的由摩擦 力产生的最大反作 用力为 0 ． 1 5 2 7 8 5 4 2 8 3 1 0 6 0 k N Q - Q 4 图 6 伸缩 梁受力分析 F i g ． 6 The f o r c e a n a l y s i s o f e x t e n s i b l e c a n o p y 根据支架设计参数可知， 伸缩梁顶住煤壁时所能 承受的由伸缩梁千斤顶产生的最大反作用力为 3 1 4 x 26 2 8 k N。 由此可得伸缩梁所能给予煤壁 的最大反作用力 为 F 4 1 0 6 0 6 2 8 1 6 8 8 k N 3 ． 2 ． 2 护帮板机构 护帮板机构为小 四连杆护帮机构 ， 为了得到护帮 板能够给予煤壁的最大支撑力 ， 首先需要得到护帮千 斤顶通过小 四连杆机构能够传递到护帮 板上的力。 将护帮千斤顶 、 长杆 、 短杆作为一个受力体 图 7 ， 建 立如下力学平衡方程 f Fl s i n 一 F2 s i n 0 1 F 。 F 2 c o s F 式中， F 为长杆所受的拉力 ； F 为短杆所受的压力 ； F 为护帮千斤顶的最大支撑能力 ， 取 2 x 6 1 6 k N； O l 为护 帮千斤顶中心线与长杆中心线之间的夹角， 取 5 9 。 ； 为护帮千斤顶 中心线与短杆 中心线 之间的夹角 ， 取 5 2。。 通过对上式进行求解可得 F 2 s i n 3 c o s c ／ s i n O L C O S 1 ． ⋯ I f I 图 7小 四连杆机构受力分析 F i g ． 7 T h e f o r c e a n a l y s i s o f f o u r l i n k t y p e 将护帮板作为一个受 力体并进行受力分析 图 8 。由于护帮板与煤壁是 面接触 ， 各点作用力 的大 小与作用点到护帮板上铰点 的距离成反 比， 因此 ， 假 设护帮板与煤壁完全接触 ， 沿高度方向单位长度 的作 用力呈梯形分布 ， 如图 2所示。根据梯形几何性质及 力学原理， 可以求出合力作用点距护帮板上接触点的 距离 及煤壁作用于护帮板上的最大合力 的表达 式为 『 X 2 q 2q 1 L ／ 3 q 2q I ⋯ 【 F 3 q lq 2 L ／ 2 图 8 护 帮板受力分析 Fi g ．8 The f o r c e a n a l y s i s o f f a c e g u a r d 分析护帮板的受力 ， 可以建立力矩平衡方程为 M 3 求解式 2 、 式 3 可得 q 、 q 的表达式为 r 6 M jq l 4 【 q 煤 炭 学 报 2 0 1 1 年 第3 6 卷 式中， 为力 F 2 对坐标原点 即铰接点 力矩 ， 其它各 参数的物理意义如图 8所示 。 将各参数代入式 2 、 4 ， 得 q 0 ． 0 7 8 2 k N ／ mm ， q 2 0． 0 21 7 k N／ mm ， F3 1 1 8 k N， 9 5 6 mm。 3 ． 2 ． 3 伸缩梁和护帮板连体机构 该机构护帮板 的工作原理与方案 2相同， 其力的 计算方法也相同。将该机构 的有关参数代人式 2 、 4 可得 g 】 0 ． 1 2 9 7 k N ／ m m， g 2 0 ． 0 0 4 8 k N ／ m m， F3 2 3 0 k N ， 1 1 8 3 mm 。 由于该机构中力 F 远远小于伸缩梁所能承受的 最大水平力 ， 因此 ， 在护帮板承受最大力时不会将伸 缩梁推 回去。而由于结构 的限制 ， 伸缩梁不能接触煤 壁， 对煤壁不产生作用力。 3 ． 2 ． 4 伸缩梁和护帮板分体机构 该方案护帮机构的工作原理与方案 2相同， 伸缩 梁机构的工作原理与方案 1 相同， 伸缩梁机构受力大 小也相同。将护帮机构的有关几何参数代入式 2 、 4 ， 可得 力 F 与护 帮千斤顶的最大作用力相 同 q 1 0 ．1 0 5 3 k N／mm ，q 2 0 ． 0 2 6 4 k N／mm ，F3 1 4 7 k N ， 8 9 0 mm。 4 护帮效 果数值模拟分析 为了对上述 4种护帮机构的护帮效果进行 比较 ， 将上述计算结果施加到煤壁上， 以 Z Y 1 7 0 0 0 ／ 3 2 ／ 7 0 D 型大采高支架在采高 6 ． 8 m时 围岩状况为基础进行 了 F L A C数值模拟分析， 将护帮板 的支护作用以梯形 载荷的形式施加在煤壁上， 计算过程中采用的岩石力 学参数见表 1 ， 模拟分析结果如图 9所示。 表 1 岩石力学参数 Tabl e 1 Ro c k me c h an i C S pa r a m e t e r s 煤 岩 密度／ 体积模剪切模抗拉强内摩擦 黏结 名称 k g m。／ MP a ／ MP a 度／ MP a 角／ 。 力／ MP a 通过对数值模拟结果 的垂直应力云图和破坏区 分布图进行分析可得 1 4种方案 的工作面超前支承应力分布规律基 本相同， 说明液压支架不论采用何种护帮机构 ， 其对 煤壁的作用力均有限 ， 不足以改变工作面前方煤体的 应力分布规律， 不能从根本上改变煤壁产生片帮的趋 势 ， 但是能够延缓煤壁片帮的时间并保护工作面的安 a 垂直应力 - El a s t i c El a s t i c ． y i e l d in p a s t 。At y i e l d i n s h e a r o r vo 1 ． At y i e l d i n t e n s i o n b 破坏区分布 图 9 数值模拟结果 F i g ． 9 Th e r e s u l t s o f nu me r i c a l s i mu l a t i o n 全 。 2 比较应力分布区域的位置， 方案 4的最大应 力区距煤壁的距离最小 ， 说明方案 4可 以延缓工作面 超前支承应力增加的速度和煤壁发生破坏的进度。 3 比较 4种方案煤壁破坏区范 围， 方案 1的破 坏 区范 围最大， 方案 4的破坏区范 围最小 ， 4种方案 的破 坏 区分 别 占煤 壁 总 高 度 的 7 8 ． 6 ％ 、 7 1 ． 4 ％、 7 8 ． 6 ％ 、 5 7 ． 1 ％。这是由于方案 1只有伸缩梁 ， 其煤 壁破坏区的范围最大 ， 靠近煤壁侧煤体几乎都发生了 剪切破坏 ； 方案 2采用了护帮板 ， 护帮板支护区域内 的煤壁由剪切破坏发展为弹性 ， 说明护帮板起到了一 定的维护作用 ； 方案 3虽然护帮面积大 ， 但单位面积 的护帮力小 ， 煤壁破坏情况也 比较严重 ； 方案 4采用 了伸缩梁和三级护帮分体结构 ， 煤 壁破坏区范围最 小 ， 且在护帮范围内煤体由剪切破坏发展成 为弹性 ， 有利于抑制煤壁片帮。 5 结 论 1 伸缩梁和护帮板分体护帮机构能够充分发 挥伸缩梁、 护帮板各 自的支撑潜力和能力 ， 对 围岩的 支撑力分布合理 ， 抑制片帮效果好 ， 结构简单。 2 4种机构对超前支承应力 的分布规律没有产 生影响， 不能从根本上改变煤壁产生片帮的趋势， 但 是能够延缓煤壁片帮的时间 ， 起到抑制煤壁片帮的作 用， 保护工作面的安全。 3 采用伸缩梁和护帮板分体机构时煤壁破坏 的范围最小 ， 且在护帮范围内部分煤体 由剪切破坏发 O 9 l 4 9 3 2 3 3 2 ∞ ∞ 鲫 ∞ n 0 O O● 0 伽啪伽啪 O 0 O 2 O 锶 1 2 2 1 1 加 ∞ ∞ ∞ ∞ 2 2 2 1 2 岩岩岩 岩 砂 砂 砂 煤 细 中 粉 泥 第 4期 张银亮等 液压支架护帮机构防片帮效果分析 6 9 5 展成为弹性 ， 有利于抑制煤壁片帮， 该机构的防片帮 效果最好。 参考文献 [ 1 ] 涂兴子 ， 康全玉 ， 翟新 献． 厚煤层 分层综采技术 [ M] ． 北京 煤炭 工业出版社 ， 2 0 0 2 ． T u X i n g z i ， K a n g Q u a n y u ， Z h a i X i n x i a n ． T h i c k s e a m l a y e r m i n i n g t e c h n o l o g y[ M] ．B e ij i n g C h i n a C o a l I n d u s t r y P u b l i s h i n g H o u s e ， 2 O H0 2． [ 2 ] 弓培林 ， 靳钟 铭． 大采 高采 场覆 岩结 构特 征及 运 动规 律研 究 [ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 0 4， 2 9 1 7 1 1 ． Go n g P e i l i n， J i n Z h o n g mi n g ．S t u d y o n t h e s t r u c t u r e c ha r a c t e r i s t i c s a n d mo v e m e n t l a w s o f o v e r l y i n g s t r a t a w i t h l a r g e m i n i n g h e i g h t [ J ] ． J o u r n al o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 0 4 ， 2 9 1 7 1 1 ． [ 3 ] 尹希文 ， 阎少宏 ， 安宇． 大采高综采面煤 壁片帮特征分 析与应 用 [ J ] ． 采矿与安全工程学报 ， 2 0 0 8 ， 2 5 2 2 2 2 2 2 5 ． Yi n Xi we i ， Ya n S h a o h o n g ， An Yu ．C h a r a c t e r s o f t h e r i b s p a l l i n g in f u l l y m e c h a n i z e d c a v i n g f a c e w i t h g r e a t m i n i n g h e i g h t [ J ] ． J o u r n al o f Mi n i n g＆S a f e t y E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 8 ， 2 5 2 2 2 2 2 2 5 ． [ 4 ] 王建树 ， 黄炳香 ， 魏民涛． 极 软突出厚煤层大采 高综采片帮 冒顶 防治技术 [ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 0 7 ， 3 5 1 1 6 4 6 8 ． W a ng J i a n s h u， Hu a n g Bi n g x ia n g ， W e i Mi n t a o ． P r e v e n t i o n a n d c o n t r o l t e c h n o lo gy f o r s i d e wa l l a n d r o o f f a l l i n g i n f u l l y me c h a n i z e d mi n i n g f a c e i n o u t b u r s t s o ft s e a m w i t h h ig h c u t t i n g [ J ] ． C o a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy， 2 0 0 7 ， 3 5 1 1 6 4 6 8 ． [ 5] 郝海金 ， 吴健 ， 张勇 ， 等． 大采高开采 上位岩层 平衡结果 及 ] 丫 ] ■丫丫T T 丫TT 丫一 重要启事 其对采场矿压 显 现 的影 响 [ J ] ． 煤 炭学 报 ， 2 0 04 ， 2 9 2 1 3 7 1 4 1 ． Ha o H a ij i n ， Wu J i a n ， Z h a n g Y o n g ， e t a 1 ． T h e b a l a n c e s t ruc t u r e o f ma i n r o o f a n d i t s a c t i o n t o i mme d i a t e r o o f i n l a r g e c u t t i n g h e i g h t w o r k f a c e [ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a C o al S o c ie t y ， 2 0 0 4， 2 9 2 1 3 7一 l 4 1 ． 伍永平． “ 顶板一 支护一 底板” 系统动态稳定性控制模式 [ J ] ． 煤炭 学报 ， 2 0 0 7， 3 2 4 3 1 4 3 4 6 ． Wu Yo n g p i n g ．Co n t r o l l i n g p a t t e rn for d y n a mi c s t a b i l i t y o f s y s t e m “ R o o f - 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