馬端志

（1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013）

煤礦井下液壓支架與圍巖耦合關(guān)系是隨支架結(jié)構(gòu)和支護(hù)能力而變化的力學(xué)系統(tǒng)，不同結(jié)構(gòu)的支架有其自身的承載特性和適應(yīng)性[1-3]。普遍認(rèn)為綜放工作面液壓支架需具備3種功能：①具有“支”的功能:支架應(yīng)有足夠的支撐能力，能控制和緩解頂板下沉，保證工作面推溜移架時(shí)有足夠的工作時(shí)間和空間；②具有“護(hù)”的功能:能防止和減少工作面頂煤的架前冒頂和片幫；③具有“放”的功能:能夠?qū)⒅Ъ芎蟛棵奥涞捻斆悍诺胶蟛抗伟遢斔蜋C(jī)中。目前還沒有衡量和檢驗(yàn)液壓支架適應(yīng)性能的具體方法和標(biāo)準(zhǔn)，一般情況認(rèn)為井下開采過程中液壓支架可靠性越高其適應(yīng)性越好。四柱支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架在實(shí)際使用中存在一定的不足[4-7]，但其能夠成為綜放工作面使用的主導(dǎo)架型在國(guó)內(nèi)得到大力推廣[8-9]，必有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其適應(yīng)性進(jìn)行分析，可以為綜放工作面液壓支架架型選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和井下使用提供理論參考。

近幾年隨著煤機(jī)裝備制造水平的不斷提高，煤機(jī)裝備向重型化方向發(fā)展，煤礦使用單位和設(shè)計(jì)人員對(duì)支架支撐能力的重視度有所提高，液壓支架的工作阻力越來越大，目前1.75 m中心距的四柱放頂煤液壓支架設(shè)計(jì)的工作阻力達(dá)到了21 000 kN[10]，支架支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到了1.9 MPa，液壓支架的支護(hù)能力已接近該類支架的極限。支架自身位態(tài)調(diào)節(jié)能力是其適應(yīng)外載變化的重要因素，液壓支架與圍巖相互作用中不僅要盡可能的增大支架的支撐能力，還應(yīng)結(jié)合支架特點(diǎn)，提高液壓支架改變位態(tài)的讓壓能力，綜合改善支架適應(yīng)圍巖作用的能力。

1 四柱放頂煤支架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

四柱放頂煤支架主體架型與四柱支撐掩護(hù)式一次采全高液壓支架一致，主要區(qū)別是掩護(hù)梁后部增加了放煤機(jī)構(gòu)，因此2種液壓支架的主要力學(xué)特性具有一定的相似性，目前國(guó)內(nèi)使用的四柱放頂煤支架數(shù)量遠(yuǎn)大于兩柱放頂煤支架，在確保支架參數(shù)和結(jié)構(gòu)與地質(zhì)條件相適應(yīng)的條件下，四柱放頂煤支架能夠滿足大部分綜放工作面開采的基本需求。

1.1 頂梁結(jié)構(gòu)

四柱支撐掩護(hù)式放頂煤支架頂梁主要有整體頂梁和帶鉸接前梁頂梁2種結(jié)構(gòu)形式，整體頂梁結(jié)構(gòu)支架的頂梁是一個(gè)剛性整體，帶鉸接前梁頂梁前端鉸接1個(gè)前梁，通過前梁千斤頂控制前梁位態(tài)，2種結(jié)構(gòu)各有特點(diǎn)：①整體頂梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，鉸接頂梁需要設(shè)計(jì)前梁與頂梁鉸接耳板銷軸、前梁千斤頂所需連接耳板銷軸；②整體頂梁前端接頂能力遠(yuǎn)大于鉸接前梁結(jié)構(gòu)；③整體頂梁可設(shè)計(jì)全程長(zhǎng)側(cè)護(hù)板，架間密封性能好；④整體頂梁支架承受合力位置離煤壁近，支架前排立柱承載力需要更大；⑤整體頂梁適應(yīng)頂板變化能力較差，更易于出現(xiàn)“拔后柱”現(xiàn)象。從四柱放頂煤支架目前使用情況來看，雖然整體頂梁結(jié)構(gòu)支架有很多優(yōu)點(diǎn)，但該類結(jié)構(gòu)僅在小配套短頂梁結(jié)構(gòu)中使用效果還不錯(cuò)，在大斷面配套中頂梁長(zhǎng)度較長(zhǎng)，前排立柱前空間大，支架前排立柱承載力需遠(yuǎn)大于在類似礦井鉸接頂梁結(jié)構(gòu)支架才能滿足與圍巖相互適應(yīng)的需求。

1.2 四連桿穩(wěn)定機(jī)構(gòu)特點(diǎn)

早期四柱放頂煤液壓支架四連桿穩(wěn)定機(jī)構(gòu)采用了前雙后單連桿結(jié)構(gòu)，該類結(jié)構(gòu)為尾梁千斤頂安裝留有了較大空間，但支架后連桿較單薄，穩(wěn)定性較差，且支架前部進(jìn)入后部空間只能從架間進(jìn)入，近幾年1.75 m中心距支架中都采用了前雙后雙結(jié)構(gòu)，該類支架穩(wěn)定性好，且支架連桿間有一定的安全空間，該空間不僅可以實(shí)現(xiàn)行人，而且更易于放煤時(shí)觀察支架后部放煤狀態(tài)，目前該結(jié)構(gòu)得到了大力推廣應(yīng)用。

2 四柱放頂煤支架結(jié)構(gòu)適應(yīng)性能分析

2.1 液壓支架設(shè)計(jì)及驗(yàn)收“極限位態(tài)”的要求

液壓支架讓壓時(shí)支架立柱收縮，支架頂梁位態(tài)變化，液壓支架設(shè)計(jì)及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為GB 25974.1—2010《煤礦用液壓支架第1部分：通用技術(shù)條件》，國(guó)標(biāo)中對(duì)支架極限狀態(tài)的要求為：最大高度時(shí)頂梁擺動(dòng)俯角不小于15°，最小高度升高300 mm時(shí)，頂梁擺動(dòng)仰角應(yīng)不小于10°。在支架設(shè)計(jì)和驗(yàn)收時(shí)一般根據(jù)上述要求對(duì)支架進(jìn)行校核，在這2種工況下支架應(yīng)不存干涉現(xiàn)象。四柱放頂煤支架位態(tài)變化工況主要是高位時(shí)頂梁“低頭”狀態(tài)和支架低位時(shí)頂梁“仰頭”狀態(tài)，井下實(shí)際使用時(shí)上述2種工況往往比國(guó)標(biāo)中要求的更加惡劣[3-4]。

2.2 四柱放頂煤支架“低頭”狀態(tài)

ZF10000/23/35型四柱放頂液壓支架最大高度頂梁下擺15°狀態(tài)圖如圖1，該工況前后排立柱收縮，頂梁以頂梁和掩護(hù)梁鉸接點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)下擺，四連桿機(jī)構(gòu)基本不動(dòng)，該狀態(tài)下后排立柱存在液壓行程，不存在“拔后柱”工況，頂梁后端最大高度與支架最大高度變化不大，近似3.5 m。

圖1 最大高度頂梁下擺15°狀態(tài)圖

支架在3.3 m高度時(shí)頂梁以前排立柱與頂梁鉸接點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)下擺狀態(tài)如圖2，當(dāng)頂梁下擺約7°時(shí)，支架后排立柱行程伸出約200 mm，立柱行已沒有了行程，該狀態(tài)下后排立柱拉力已有液壓力變?yōu)榱⒅钪c外缸間剛性力，若頂梁繼續(xù)下擺將出現(xiàn)“拔后柱”工況，該狀態(tài)下支架頂梁后端高度已達(dá)到了近3.6 m，比支架的最大高度還高,支架的四連桿運(yùn)動(dòng)部件的位置也發(fā)生了變化，前后連桿的夾角都已大于支架設(shè)計(jì)最大高度狀態(tài)下角度，該工況的出現(xiàn)將會(huì)造成支架結(jié)構(gòu)件的損壞。

圖2 工作高度沿前排立柱固定點(diǎn)下擺狀態(tài)圖

通過對(duì)比分析可以看出，四柱放頂煤支架在井下應(yīng)用過程中存在“拔后柱”工況的可能性，在支架設(shè)計(jì)中應(yīng)限制支架四連桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)最大高度，若圖2中支架四連桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)限位裝置，頂梁后部最大高度只能達(dá)到3.5 m,支架后排立柱就不會(huì)出現(xiàn)無液壓行程狀態(tài)。

2.3 四柱放頂煤支架“仰頭”狀態(tài)

ZF10000/23/35型四柱放頂液壓支架最低高度加300 mm位置頂梁上擺10°狀態(tài)如圖3，該工況前排和后排立柱伸出，頂梁沿頂梁和掩護(hù)梁鉸接點(diǎn)上擺，四連桿機(jī)構(gòu)基本不動(dòng)，該狀態(tài)時(shí)頂梁前端高度約3.4 m。

圖3 低位狀態(tài)頂梁上擺10°狀態(tài)圖

支架在2.8 m高度時(shí)后排立柱收縮，頂梁以前排立柱與頂梁鉸接點(diǎn)上擺10°狀態(tài)圖如圖4，該狀態(tài)下支架頂梁前端高度為3.26 m，開采中比較正常的高度，可支架后端的高度已接近2.4 m，與支架的最小高度2.3 m相差只有0.1 m,工作面來壓時(shí)很容易出現(xiàn)后立柱壓死、掩護(hù)梁和連桿壓死工況，該工況出現(xiàn)后支架移架比較困難，甚至?xí)霈F(xiàn)支架無法拉出的現(xiàn)象，支架結(jié)構(gòu)件受力狀態(tài)也完全超出了理論計(jì)算結(jié)果，易造成后排柱帽和柱窩、掩護(hù)梁、前后連桿及相關(guān)銷軸的損壞，且支架這種壓死工況因支架前部高度比較大而被忽視。

圖4 工作高度沿前排立柱固定點(diǎn)上擺狀態(tài)圖

通過對(duì)比分析可以看出，四柱放頂煤支架在井下應(yīng)用過程中存在頂梁“仰頭”后部壓死工況的可能性，在支架設(shè)計(jì)中應(yīng)該對(duì)支架最低高度四連桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行限制，若圖3中支架頂梁后部最低高度只能到2.3 m，支架后排立柱就不會(huì)因支架“仰頭”出現(xiàn)無液壓行程狀態(tài)。

3 支架適應(yīng)性能提高措施

1）設(shè)計(jì)四連桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)限位裝置。支架最大最小高度限位裝置是保證支架正常工作狀態(tài)的“保險(xiǎn)絲”，支架設(shè)計(jì)中對(duì)支架四連桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)最大高度進(jìn)行限制，可以避免支架出現(xiàn)拔后柱工況的出現(xiàn)；對(duì)支架四連桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)最小高度進(jìn)行限制，可以避免支架前部采高正常后部出現(xiàn)“壓死”狀態(tài)而不能引起工作人員的注意工況，因此四柱放頂煤液壓支架通過設(shè)計(jì)四連桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)限位裝置來控制支架高度是很有必要的。

2）增大支架伸縮比。放頂煤液壓支架采高變化不大，支架選型時(shí)以滿足運(yùn)輸時(shí)最低高度和開采時(shí)最大高度來確定支架的高度，支架伸縮比較小，建議在設(shè)計(jì)中適當(dāng)增加放頂煤支架最大高度和采高差值，增大工作面支架頂梁所允許的下擺角；適當(dāng)增大支架采高和支架最小高度的差值，減少支架后部壓死工況的頻率。

4 結(jié)語

我國(guó)厚煤資源豐富，條件相差較大，采用綜放開采時(shí)應(yīng)根據(jù)具體條件有針對(duì)性的設(shè)計(jì)放頂煤支架，盡可能采用鉸接頂梁、雙前雙后連桿機(jī)構(gòu)，增加最低高度和最大高度限位裝置，在條件允許的情況下增大支架伸縮比，能夠增強(qiáng)四柱放頂煤支架的適應(yīng)能力，降低其非正常位態(tài)工作的頻率，對(duì)提高支架可靠性和開采的安全性具有重要意義。