两柱与四柱放顶煤液压支架架型及结构浅析.pdf

第 30卷第 2期 2009年2月 煤 矿 机 械 CoalM ineMachinery Vo. l 30 No. 2 Feb. 2009 使用 维修 两柱与四柱放顶煤液压支架架型及结构浅析 孙公赞, 张晓东, 樊 军 郑州煤矿机械集团有限责任公司, 郑州 450007 摘 要 从支架整体受力、 稳定性以及对顶、 底板条件的适应能力等方面对两柱掩护式放顶煤 支架与四柱支撑掩护式放顶煤支架进行对比分析, 并针对不同综放工作面的实际使用及下井运输 条件, 提出合理的支架选型建议。 关键词 放顶煤; 液压支架;架型; 受力分析; 顶梁结构 中图分类号 TD355 文献标志码 A 文章编号 1003- 0794 2009 02- 0167- 03 BriefAnalysis of Type and Structures of Two- legged and Four- legged Top CoalCavingHydraulic Powered Support SUN Gong- zan, ZHANG Xiao- dong, FAN Jun Zhengzhou CoalM ineM achinery G roup Co . , Ltd . , Zhengzhou 450007, China Abstract Gives a comparative analysis of the two- legged and four- legged top- coal caving hydraulic powered support from the aspects of total load,stability ,adaption to roof and floor ,etc . .It also gives some reasonable suggestions for selection of equipment selection to be used in different underground con - ditions of longwall top- coal caving facesw ith all kinds of underground transportation conditions . Key words top- coal caving; hydraulic powered suppor; t equipment type ; force analysis ; canopy struc - ture 0 前言 由于我国不同地区煤炭资源分布的不均衡性以 及各地区地质条件和煤层赋存条件的千差万别, 造 成了国内支架架型的多样性和结构的复杂性, 同时 也给选择合适的液压支架增加了很大难度, 尤其是 在对两柱和四柱放顶煤支架架型的选用上, 业内一 直存在不同意见。在此, 就两柱和四柱放顶煤支架 的结构、 受力以及对顶、 底板的适应性方面做以讨论 和分析。 1 两柱与四柱低位放顶煤支架的总体受力及适应 性对比分析 两柱与四柱放顶煤支架的对比中, 有 3个关键 的前提条件 2种架型总体的三机配套尺寸相同; 2种架型的工作阻力相同; 2种架型顶梁的结构 形式均为整体顶梁。 有了以上 3个关键的前提条件, 两柱和四柱放 顶煤支架才具有可比性。下面就以 ZF7000/21/42 四柱支撑掩护式放顶煤支架 见图 1和 ZFY7000/ 21/42两柱掩护式放顶煤支架 见图 2 为实例, 在 结合计算机辅助设计参数优化系统软件的分析计算 和支架在实际使用过程中研究, 总结出的经验基础 上作以下对比 图 1ZF7000/21/42四柱支撑掩护式放顶煤液压支架 图 2 ZFY7000/21/42两柱掩护式放顶煤液压支架 1如图 1和图 2所示, 在相同配套设备的条 件下, 两柱和四柱放顶煤支架的总体结构尺寸有所 区别,ZF7000/21/42支架和 ZFY7000/21/42支架 的顶梁长度分别为 4 620mm和 4 360mm; 底座长度 分别为 3 085mm和 3 050mm; 前、 后部溜的配套中心 距分别为 6 100mm和 5 700 mm; 比较起来四柱放顶 煤支架要比两柱放顶煤支架的总体设计尺寸大一些。 另外, 对于高瓦斯矿井, 支架通风断面的要求比较高, 对 2种设计架型的通风断面在正常采高 4m 的状态 下做了详细的计算, 分别为 16 . 4 m 2 和 15 . 8m 2, 四柱 167 Vo. l 30No. 2 两柱与四柱放顶煤液压支架架型及结构浅析 孙公赞, 等 第 30卷第 2期 放顶煤支架的通风断面稍大一些。 2从受力的角度分析, 正常工作状态下四柱 放顶煤支架顶梁平衡区的范围主要分布在前、 后立 柱的中间及前立柱附近 见图 3, 其范围较大, 适应 外载荷力对支架合力作用点影响变化的能力更强。 两柱放顶煤支架顶梁平衡区的范围主要分布立柱前 后附近 见图 4, 其范围较小, 通过平衡千斤顶调节 支架合力作用点变化的范围有限, 适应外载荷对支 架合力作用点影响变化的能力较差。 图 3 四柱放顶煤支架顶梁平衡区分布图 图 4 两柱放顶煤支架顶梁平衡区分布图 3根据实际情况分析, 四柱放顶煤支架在使 用过程中, 由于支架处于采煤、 放煤的同步工作状态 下, 其支架前、 后部的载荷在不断变化, 常表现为前、 后立柱受力不均衡的现象, 一般是前柱受力大, 后柱 受力小, 恶劣时会出现支架后部顶煤放空, 后柱受拉 的情况, 这样会造成支架的支护能力不能有效地发 挥, 支护效率降低。为弥补此不足, 总结出了几点支 架参数优化设计的改进经验 加大前立柱缸径, 提 高支架前部的支撑力; 优化前、 后柱的位置及角 度, 使支架合力作用点的位置尽可能前移; 减小掩 护梁的背交, 以提高后部的背矸能力, 减少后部经常 放空的情况发生, 这样就极大地缓解了支架的整体 受力状况。 4对于两柱放顶煤支架来说, 在实际使用中 反映出的支护能力比较强, 支架挑 高射炮的情况 也相对较少, 因为正常情况下, 支架后部放煤可释放 后部的压力, 掩护梁的背矸较少, 支架顶梁前部上翘 的可能性较小。但对于大采放比、 压力显现较大的 工作面, 在基本顶周期来压期间支架后部压力会急 剧增大, 对平衡千斤顶的冲击较大, 很容易造成损 坏。另外, 由于平衡千斤顶调节顶梁合力作用点的 变化能力有限, 当支架顶梁后部放空, 顶板压力前 移, 超出顶梁合理作用点极限平衡范围时, 则会出现 顶梁低头的现象, 严重时平衡缸将失去调节能力。 为此, 总结出了几点支架参数优化设计的经验 合 理调整顶梁柱窝点的位置, 确保顶梁合适的立柱柱 窝前后比; 增大平衡缸缸径及其与顶梁和掩护梁 的连接强度, 以提高调节能力; 根据不同的地质条 件, 优化四连杆机构及顶梁合力作用点的位置, 使支 架的支护状态与顶板围岩压力相适应。 5图 5和图 6是支架在正常采高下底座底板 比压分布情况对比图, 两柱放顶煤支架的底板前端 比压较大, 从前到后逐渐减小, 易出现底座前部扎底 的情况, 对底板较软的工作面适应能力差。为改善 底座前部的受力状况, 另外的办法是把底座柱窝点 后移, 把行人通道的位置留到立柱的前部, 但这样会 造成立柱的斜度增加, 支护效率降低。对于四柱放 顶煤支架, 正常工况下底座前端比压相对较小, 底座 前部不易扎底。但当支架后部放空后, 支架合力作 用点前移, 前、 后立柱受力不均的情况下, 底座前端 的比压也会相应增大。不论是两柱还是四柱放顶煤 支架, 若能更好地适应软底板的工况, 除合理地计 算、 优化底板比压外, 底座前部增加抬底装置是目前 广泛采用的解决办法。 图 5 四柱放顶煤支架底板比压分布图 图 6 两柱放顶煤支架底板比压分布图 6在对两柱和四柱放顶煤支架对比时, 还有 一个值得关注的重要指标是支架顶梁的梁端力和后 部切顶力。梁端力越大, 支架对顶板的支护和控制 能力越强, 前期提到的支架顶梁低头的情况越不容 易出现。后部切顶力大, 支架后部抗冲击能力越强, 对坚硬顶板或后部压力较大的煤层条件适应能力越 强。通过受力分析及计算可知, 上例中在采高均为 4m 时, 四柱放顶煤支架的梁端力为 1 974 kN, 后部 切顶力为 4 971 kN。两柱放顶煤支架的梁端力为 2 550 k N, 后部切顶力为 4 079 kN。 2 放顶煤支架顶梁结构形式的变化及适应性分析 在实际技术开发过程中发现, 很多矿井尤其是 一些老矿局下属的矿井以及一些小矿整合、 改造后 的矿井, 其设备下井运输的能力相当有限, 这样对支 架架型及结构的选择面就相对变窄。当对支架的总 168 第 30卷第 2期 两柱与四柱放顶煤液压支架架型及结构浅析 孙公赞, 等 Vo. l 30No . 2 体重量及尺寸要求均较小时, 就要考虑改变支架顶 梁的结构形式, 来满足用户的下井使用要求, 图 7是 支架由整体顶梁结构改为铰接顶梁结构的具体形 式。 图 7 铰接顶梁放顶煤支架 该支架为四柱支撑掩护式铰接顶梁放顶煤支 架, 它有以下几个主要特点 1支架顶梁前部通过双前梁千斤顶铰接前梁 体结构, 正常工作状态下, 可控制前梁上、 下摆动 15 , 以适应顶板起伏的变化。 2前梁千斤顶可根据支架工作阻力的大小选 择确定, 一般选用范围在 140 230mm。 3支架在运输状态下, 前部拆掉前梁千斤顶 使前梁下摆 90 , 后部拆掉尾梁千斤顶使尾梁下摆 到极限位置, 这样可以大大减小总体运输尺寸。如 果总体下井重量也要求较小, 也可以考虑直接把前 梁和尾梁拆掉, 这样下井尺寸和重量同时得到满足。 而且此结构前梁和尾梁的拆、 装均比较方便。 4从支架总体受力的角度分析, 铰接顶梁前 部的梁端力大小是由前梁千斤顶的工作阻力决定 的, 与整体顶梁结构的受力相比, 其梁端力相对较 小, 对顶板的支护能力有所降低。但在实际的使用 过程中, 当后部顶煤较空, 支架合力作用点前移, 支 架前部负载过大时, 前梁千斤顶安全阀开启, 前、 后 立柱的受力状况发生变化, 很快缓解了支架恶劣受 力状况, 从而也避免了支架拔后柱的情况发生, 这是 四柱铰接顶梁放顶煤支架的一大优点。 5对于两柱放顶煤支架来说, 如果把顶梁设 计为铰接顶梁结构, 其顶梁控制顶板的能力将会大 大降低, 甚至以上分析过的一些优于四柱放顶煤支 架的功能将会丧失。所以, 不赞同为满足支架下井 要求而把两柱放顶煤支架的整体顶梁改为铰接顶梁 的做法。 6铰接顶梁结构有一个较大的缺点是顶梁前 部容易漏矸的问题。对于整体顶梁, 其侧护板可以 伸到梁体的最前端, 实现架间全封闭不漏矸。而对 于铰接顶梁, 其铰接部位的防漏矸设计非常关键。 在近 2 a的设计、 制造过程中, 尝试了在铰接前梁上 安装侧护板机构, 大大提高了支架前部的防漏矸能 力。但同时也产生了一些由于前部空间较小造成的 前梁侧护板及侧推千斤顶设计强度不够、 支架操作 过于复杂等问题, 还有待于进一步改进和提高。 3 两柱和四柱放顶煤支架架型选择时应把握的几 点原则 通过以上内容的对比分析, 对两柱和四柱放顶 煤支架的结构形式及受力特点有了一个深入的认 识, 在实际的操作过程中, 应根据矿井实际地质及煤 层赋存条件和现有的生产条件, 针对性地去选择架 型, 这也是在进行煤层开采前最关键的一步。以下 提到的是不同情况下应把握的几点选择原则 1对于老矿井或者一些整合改造后矿井的综 放工作面来说, 当现有的下井运输条件受到限制而 又很难去改变, 需要支架自身结构去适应时, 应首选 四柱支撑掩护式放顶煤支架, 铰接顶梁结构形式。 但如果工作面的顶底板条件很差, 煤层也比较松软, 推荐选用整体顶梁结构, 此时应考虑全部解体下井 的可能性。 2对于新建矿井, 尤其是设计年产量在 300 万 t以上的现代化矿井, 顶、 底板及煤层赋存条件较 好, 并准备采用电液控制系统的综放工作面, 推荐采 用两柱放顶煤支架。这样其操作简便, 顶板管理能 力强的特点才能得到充分的发挥。 3对于倾角大, 顶、 底板及煤层赋存条件一 般, 尤其顶板起伏较大的综放工作面, 推荐采用四柱 支撑掩护式放顶煤支架, 铰接顶梁结构形式。 4对于顶煤较硬的中厚煤层, 顶煤的冒放性 不好, 易形成大块煤或矸石, 支架后部冲击较大的综 放工作面, 应优先选用四柱支撑掩护式放顶煤支架, 铰接顶梁结构形式。 5对于顶煤松软、 破碎、 易冒落的综放工作 面, 如果底板条件也较差, 可优选整体顶梁四柱支撑 掩护式放顶煤支架。如果底板条件较好, 也可选用 整体顶梁两柱掩护式放顶煤支架。 参考文献 [ 1]康立军. 放顶煤液压支架承载能力研究 [A ]. 地下开采现代技术 理论与实践新进展 [ C]. 北京 煤炭工业出版社, 2007 . [ 2]王国法. 放顶煤液压支架架型改革及适应性研究 [ A ]. 地下开采 现代技术理论与实践新进展 [ C]. 北京 煤炭工业出版社, 2007 . [ 3]丁绍南. 液压支架设计 [M ].北京 世界图书出版公司, 1992. 作者简介 孙公赞 1980- , 河南驻马店人, 助理工程师, 2003 年毕业于郑州航空工业管理学院机械设计专业, 现从事煤矿机械的 设计开发工作, 电话 0371 - 67891332, 电子信箱 zz m jyjs yahoo . com. cn. 收稿日期 2008- 10- 28 169