嚴(yán)海峰，趙 洋，徐靈靈，裴康超

(河北工程大學(xué)機(jī)械與裝備工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

0 引言

近年來，我國(guó)實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)長(zhǎng)壁開采的留煤柱開采到無煤柱沿空留巷的演進(jìn)，解決了開采與掘進(jìn)交替緊張的問題，提高了工作面回采效率[1-3]。新的切頂卸壓技術(shù)的提出又解決了沿空留巷巷道圍巖變形量大和頂板應(yīng)力集中的問題[4-5]。但在中厚煤層的條件下，頂板須支撐壓力大，回轉(zhuǎn)變形大，不宜強(qiáng)支撐。巖幫先受采空區(qū)碎石跨落的動(dòng)壓沖擊，后承受穩(wěn)定的橫向壓[6]，因此，為了控制厚煤層切頂巷的頂板及巖幫，需要設(shè)計(jì)一種合理的支頂護(hù)幫方案，保證巷道穩(wěn)定性。本文提出了一種新的支架聯(lián)合擋幫結(jié)構(gòu)的力傳遞擋矸支頂方案，將擋矸護(hù)幫與支撐頂板作為整體來考慮，能夠?qū)崿F(xiàn)擋矸與支頂聯(lián)合防護(hù)，解決了中厚煤層重載條件下，擋矸U型鋼彎曲失效的問題。同時(shí)對(duì)一側(cè)可斜支撐的四支柱支架的結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行設(shè)計(jì):支架的一側(cè)立柱可傾斜，另一側(cè)立柱豎直。本文對(duì)此方案的支架部分進(jìn)行計(jì)算，對(duì)支架承力結(jié)構(gòu)的箱型頂板進(jìn)行力仿真分析，并提出優(yōu)化方案。

1 支架聯(lián)合擋幫結(jié)構(gòu)的力傳遞擋矸支頂方案

聯(lián)合擋矸支護(hù)方案主要應(yīng)用于中厚煤層的切頂(見圖1)。首先，按所設(shè)計(jì)的支護(hù)參數(shù)對(duì)巷道頂板加強(qiáng)支護(hù)：一側(cè)可斜支撐的四支柱液壓支架布置于采空區(qū)側(cè)，采煤區(qū)側(cè)布置有單體液壓支架補(bǔ)強(qiáng)，巷道頂板打有恒阻讓壓錨桿?；夭善陂g，通過切頂預(yù)爆破技術(shù)對(duì)預(yù)裂孔進(jìn)行預(yù)裂切縫，待工作面推進(jìn)至切縫處后，及時(shí)布置擋矸裝置及力傳遞裝置。擋矸布置采用36U型鋼配合菱形擋矸網(wǎng)的布置方式(見圖2)，同時(shí)，上下U型鋼件之間用2個(gè)恒阻卡扣相互連接，合理調(diào)整恒阻卡扣的預(yù)緊力，使擋矸布置在承受側(cè)向力的同時(shí)，也能夠有一定柔性的支頂力。力傳遞裝置如圖3所示：頂部通過卡扣與U型鋼聯(lián)合，與U型鋼接觸部分涂有潤(rùn)滑脂，使力傳遞裝置在卡緊的情況下能夠上下移動(dòng)，從而只傳遞側(cè)向力而不傳遞豎直方向的力；底部通過螺栓與支架連接，中間有3根傳力彈簧。

1—一側(cè)可斜支撐的四支柱液壓支架；2—彈簧力傳遞裝置；3—擋矸布置；4—單體液壓支架。圖1 切頂巷支頂擋矸布置簡(jiǎn)圖

圖2 擋矸布置圖

圖3 彈簧力傳遞裝置

一側(cè)可斜支撐四支柱支架的斜立柱向切頂線側(cè)動(dòng)態(tài)傾斜，結(jié)合液壓立柱的聯(lián)合液壓控制器及一些壓力傳感器，能夠隨著采空區(qū)頂板的不斷跨落壓實(shí)，對(duì)擋矸裝置的壓力變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整斜向立柱角度，提高擋矸支護(hù)效果。最后，待巷道穩(wěn)定后，撤除臨時(shí)支護(hù)設(shè)備，封閉采空區(qū)，完成留巷。

2 一側(cè)可斜支撐的四支柱支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 一側(cè)可斜支撐四支柱支架整體結(jié)構(gòu)介紹

一側(cè)可斜支撐四支柱液壓支架整體結(jié)構(gòu)由2個(gè)一側(cè)斜撐雙立柱液壓組合單元支架和總頂板及一些連接件構(gòu)成(見圖4)。一側(cè)可斜支撐雙立柱液壓組合單元支架的主體結(jié)構(gòu)是由2個(gè)礦用雙伸縮立柱320/230 構(gòu)成(見圖5)，此立柱在活塞裝有單向閥，使各級(jí)缸所承受的負(fù)載基本一樣，從而保證支架支撐的平穩(wěn)。其中一側(cè)立柱頂端的套頂結(jié)構(gòu)在箱型頂板軌道上向另一側(cè)套頂移動(dòng)，套頂兩側(cè)通過2個(gè)推移液壓桿來實(shí)現(xiàn)斜立柱的移動(dòng)控制，同時(shí)布置制動(dòng)鎖止機(jī)構(gòu)，使能夠斜立柱的任意位置穩(wěn)定停止并能夠承受荷載。

圖4 一側(cè)可斜支撐的四支柱支架整體結(jié)構(gòu)

1—推移液壓桿；2—箱型頂板；3—斜立柱箱型頂套；4—雙伸縮雙作用液壓缸；5—斜立柱箱型底座；6—箱型底板。圖5 一側(cè)可斜支撐的雙立柱組合單元支架結(jié)構(gòu)

一側(cè)可斜支撐雙支柱單元組合支架的箱型頂板上焊接有的半圓形支頂件可以去掉，也可以直接焊接為平頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)來取代半圓形支頂件，這樣，一側(cè)可斜支撐雙支柱單元組合支架便能夠單獨(dú)作為一個(gè)整體來承受頂板及擋矸壓力。同時(shí)，可拆卸式設(shè)計(jì)方便安裝與運(yùn)輸，減少勞動(dòng)強(qiáng)度。液壓支架配合使用電液控制器來完成對(duì)支架內(nèi)的液壓元件的協(xié)同控制，通過設(shè)置合適的立柱與推移桿的同步運(yùn)動(dòng)，保證總頂板及拱形件連接件運(yùn)動(dòng)的合理性。

2.2 支架的主要參數(shù)設(shè)計(jì)

高度：2 200～3 600 mm；支架伸縮比：1.44；支頂面積：3.24 m3；支護(hù)強(qiáng)度:0.635 MPa；立柱形式:雙伸縮立柱；缸徑：320/230 mm。

支架高度的確定：

Hm≥hm+S1

Hm≤hn-S2-a-δa

(1)

其中，Hm為支架最大高度，m；Hn為支架最小高度，m；hm為煤層最大厚度，m，hm=4 m；hm為煤層最小厚度，m，hn=2.6 m；S1一般取值0.2～0.3 m，為危頂時(shí)的支撐高度，取S=0.2 m；S2一般推薦取值0.1～0.3 m，為頂板最大下沉量，取S=0.2 m；a為移架時(shí)，支架前后位置高度偏差，參考經(jīng)驗(yàn)取a=0.05 m；δa為浮煤浮桿厚度，一般取δa=0.05 m。Hm≥3.4+0.2=3.6 m；Hn≤2.5-0.2-0.05-0.05=2.2 m。適應(yīng)煤層范圍為2.4～3.4 m的支架支撐設(shè)計(jì)高度為2.2～3.6 m。

支架伸縮比：

(2)

支護(hù)面積：

FC=L×B=1.8×1.8=3.24

液壓支架最大結(jié)構(gòu)高度：

Hmax=Mmax-S1

(3)

液壓支架最小結(jié)構(gòu)高度：

Hmin=Mmin-S2

(4)

其中，Mmax為煤層最大截高，m；Mmin為煤層最小截高，m；S為偽頂冒落的最大高度，對(duì)于中厚煤層取0.2～0.3 m，取S=0.3 m。S為考慮周期來壓時(shí)的頂板下沉量、支架移架時(shí)的下降量，對(duì)于中厚煤層支架取200～300 mm，取S=0.4 m。

所以，Mmax為3.6 m-0.3 m=3.3 m；Mnin為2.2 m+0.4 m=2.6 m。

支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算公式如下:

q=KMρ×10-3

(5)

其中，K為作用于支架頂部的矸石厚度系數(shù)，一般取5～8，取K=7；M為截割高度，m；p為巖石密度，一般取2.5×103kg/m3。

q=KηMρ×10-3

(6)

其中，η為動(dòng)載系數(shù)，取η=1.1。計(jì)算得q=7×3.3×2.5×103×10-5×1.1=0.635 MPa；工作阻力：p=q×Fc=0.635×3.24=2.06 MPa。

3 支架箱型頂板受力分析

3.1 箱型頂板結(jié)構(gòu)分析

一側(cè)可斜支撐四支柱液壓支架箱型頂板結(jié)構(gòu)由頂板、連接板、筋組成(見圖6)，材質(zhì)為Q345鋼，整體結(jié)構(gòu)焊接而成，通過焊接與斜立柱箱型頂套和直立柱箱型頂套連接。

圖6 箱型頂板結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 箱型頂板的三維模型建立

根據(jù)箱型頂板的基本構(gòu)造特征，在SolidWorks環(huán)境中構(gòu)建箱型頂板的三維模型，將箱型頂部的過度圓角和倒角進(jìn)一步簡(jiǎn)化，忽略了非關(guān)鍵的孔深，只保存了箱型頂部的基礎(chǔ)構(gòu)造，提高了分析的準(zhǔn)確度。箱式頂板的三維構(gòu)造模型如圖7所示。

圖7 箱型頂板三維結(jié)構(gòu)模型

3.3 頂梁結(jié)構(gòu)仿真模型建立

該四支柱液壓支架的主要承載部位是箱型頂板，需要對(duì)箱型結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析和強(qiáng)度校核，以確保支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度滿足使用要求。

將建立的箱型頂板結(jié)構(gòu)的三維模型轉(zhuǎn)換為通用文件格式IGES并導(dǎo)入Workbench18.0有限元分析軟件中建立箱型頂板的仿真模型。斜立柱套頂和直立柱套頂?shù)葮?gòu)件也需要建立仿真模型，與箱型頂板連接，箱型頂板表面設(shè)置接觸約束，材質(zhì)屬性設(shè)置為Q345。將仿真模型在ANSYS中的網(wǎng)格劃分大小設(shè)置為5 mm，并對(duì)關(guān)鍵部位網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，保證網(wǎng)格厚度大于3個(gè)。箱型頂板的仿真模型如圖8所示，材質(zhì)參數(shù)如表1所示。

圖8 箱型頂板的仿真模型

表1 箱型頂板的材質(zhì)參數(shù)

3.4 受載分析

斜立柱套頂和直立柱套頂固定，與箱型頂板的連接類型設(shè)置為接觸，箱型頂板圓形構(gòu)件上施加3 500 kN的載荷，方向豎直向下，由ANSYS有限元得到箱型頂板總變形圖(見圖9)，最大變形發(fā)生在箱型頂板圓形構(gòu)件上，最大變形量為1.217 mm。由ANSYS有限元得到箱型頂板總應(yīng)力圖(見圖10)，由圖可知，箱型頂板圓形構(gòu)件上的應(yīng)力約為405 MPa，該值超過頂梁材質(zhì)的屈服強(qiáng)度345 MPa，故該工況下箱型頂板結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)為圓形構(gòu)件區(qū)域，箱型頂板在該工況下長(zhǎng)期受載使用則可能發(fā)生區(qū)域結(jié)構(gòu)變形和開裂現(xiàn)象，對(duì)箱型頂梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和支護(hù)能力產(chǎn)生嚴(yán)重影響；同時(shí)最高應(yīng)力大于屈服強(qiáng)度345 MPa，且覆蓋區(qū)域很小，說明此箱型頂板存在應(yīng)力集中。

圖9 箱型頂板總變形圖

圖10 箱型頂板應(yīng)力圖

3.5 優(yōu)化方案

為提高箱型頂板的圓形構(gòu)件區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，將此區(qū)域的鋼板加厚，采用雙層鋼板疊加來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。同時(shí)為了保證整體重量不變，可以適當(dāng)降低負(fù)載較低的其他區(qū)域的強(qiáng)度。箱型頂板存在應(yīng)力集中，為了消除此影響，可以在應(yīng)力集中的附近開孔，孔徑2 mm左右，開孔2～3個(gè)，減少應(yīng)力集中，降低最大應(yīng)力值。優(yōu)化后的箱型頂板應(yīng)力圖如圖11所示。

圖11 優(yōu)化后的箱型頂板應(yīng)力圖

從圖11中可以看出，圓形構(gòu)件部分的最大承載力基本滿足要求，已經(jīng)滿足鋼的極限屈服強(qiáng)度345 MPa，同時(shí)應(yīng)力集中現(xiàn)象也有所降低；但應(yīng)力集中現(xiàn)象尚沒有完全消除，可以考慮改進(jìn)圓形構(gòu)件與頂部鋼板的連接，加強(qiáng)焊接此處。

4 一側(cè)可斜支撐的四支柱支架的優(yōu)點(diǎn)

1)提出一種擋矸機(jī)構(gòu)及液壓支架，實(shí)現(xiàn)切頂巷的擋矸支頂聯(lián)合防護(hù)，并保證支頂效果，提高擋矸強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、裝卸方便、安全可靠。

2)支架頂梁、底座、立柱均為非對(duì)稱設(shè)計(jì)，使立柱能夠向切頂線方向移動(dòng)，逐漸形成三角形的支撐結(jié)構(gòu)，能夠更好地對(duì)靠近切頂線一側(cè)的頂板進(jìn)行支撐。

3)立柱采用雙伸縮、雙作用的形式，可以適應(yīng)更廣的采高范圍的變化，同時(shí)采用單向閥設(shè)計(jì)，平衡每一根立柱的承載。

4)四支柱設(shè)計(jì)相較于傳統(tǒng)的單體液壓支柱，采用組合單元支架的形式，使得支護(hù)強(qiáng)度更高。

5)四根液壓支柱既可以通過配套的電液組合控制器綜合的控制修正其姿態(tài)，又可以直接對(duì)每一根立柱進(jìn)行單體控制，能夠適應(yīng)不同的頂板條件及惡劣的工況條件。

6)采用可拆卸式方案設(shè)計(jì)，一側(cè)可斜支撐雙支柱組合單元支架根據(jù)焊接頂?shù)男螤畹牟煌?，既可以組合起來作為四支柱支架整體使用，又可以在巷長(zhǎng)不夠的條件下作為一個(gè)雙支柱組合單元使用。

7)一側(cè)可斜支撐四支柱支架也可以在立柱周圍裝上導(dǎo)力架，與力傳遞裝置結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)支頂擋矸的綜合支撐防護(hù)。

8)適用性強(qiáng)。雖然此四支柱支架在巷徑方向占用的空間大，一般不適應(yīng)窄巷道條件，但也可以將一側(cè)可斜支撐雙支柱組合單元支架旋轉(zhuǎn)90°，將斜支撐立柱豎直設(shè)置，直接作為一個(gè)單元組合支架使用，但斜立柱側(cè)豎直支護(hù)能力較弱，因此可以組合單體液壓支架補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

5 結(jié)語

本文提出一種新型的厚煤層切頂巷支頂護(hù)幫方案，該方案將擋矸護(hù)幫作為一個(gè)整體考慮，優(yōu)化了擋矸布置，同時(shí)對(duì)一側(cè)可斜支撐的四支柱支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了整體箱型頂板強(qiáng)度，減少了應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大承載應(yīng)力降低至頂梁材質(zhì)的極限屈服強(qiáng)度以下。