侯 偉

（1.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030051；2.煤礦采掘機械裝備國家工程實驗室，山西 太原 030051）

引言

隨著采煤技術的發(fā)展進步，自動化綜采成為我國主要的煤礦開采方式，在綜采過程中，液壓支架是工作面重要的支護設備，對工作面頂板進行支護，保證開采的空間及安全，同時液壓支架與采煤機、輸送機等協(xié)調(diào)動作[1]，保證煤礦綜采自動前進。在綜采過程中，在工作面的開采長度上要采用多組液壓支架進行支護，由于煤層的分布及頂板的變化對不同工作面位置的液壓支架造成不同的載荷作用，特別是與頂板直接接觸的頂梁的載荷作用變化復雜[2]，對頂梁的承載性能具有較高的要求。依據(jù)工作面礦壓的變化分布情況，在不同的承載工況下采用有限元仿真的形式對頂梁的承載性能進行分析[3]，從而保證頂梁滿足液壓支架的支護需求，保證煤礦開采支護安全。

1 液壓支架群組支護工況分析

液壓支架的結構組成中，頂梁與工作面頂板直接接觸，受到頂板的載荷作用，對頂梁的承載形成不同工況。對某煤礦工作面使用的液壓支架進行分析，開采煤層的平均厚度為3.5 m，走向長度為340 m，傾向長度為200 m。在開采過程中，巷道的前后端頭采用支撐掩護式支架控制頂板[4]，中間位置采用填充型支護頂板，在工作面的長度上共采用120組填充性液壓支架，6組過渡支架及5組掩護式液壓支架[5]。

在工作面的長度上，上百臺液壓支架共同組成對工作面的有效支護系統(tǒng)。液壓支架在支護過程中受到的載荷可以分為覆巖的重力載荷及覆巖的運動載荷，重力載荷取決于垮落的巖層的重量，運動載荷取決于覆巖的運動劇烈程度。在液壓支架的支護中，由于液壓油介質(zhì)的壓力作用，將液壓支架看作等剛度的彈性體，液壓支架的支護系統(tǒng)相當于多個液壓支架組成的彈性體對梁體的支撐。

在工作面的不同支護位置上，由于巖層的變化作用不一、頂板的斷裂垮落不同、不同位置液壓支架的支護狀態(tài)不一致、頂梁的受力作用不同，對頂梁形成不同工況的受載。在工作面的方向上，越靠近工作面的中部，頂梁承受的載荷越大，且偏載作用越小。越遠離工作面的中部，則頂梁承受的載荷減小，偏載作用增加。選取工作面端頭位置及中間位置的液壓支架為例進行分析，在兩種不同的工況下，液壓支架的頂梁分別受到偏心載荷及集中載荷的作用，其承載狀態(tài)如圖1所示。

圖1 液壓支架不同工況承載狀態(tài)

2 液壓支架不同工況頂梁承載性能分析

2.1 頂梁仿真分析模型的建立

采用有限元分析的方式，對液壓支架頂梁的承載性能進行仿真模擬，依據(jù)液壓支架的結構進行一定的簡化處理，建立支架的三維結構模型，將模型導入到SolidWorks中進行分析。在SolidWorks中設定液壓支架的材質(zhì)為Q690高強度鋼，密度為7.8 g/cm3，泊松比為0.3，彈性模量為210 GPa，液壓支架為各向同性材料，產(chǎn)生的變形作用均為線性變形。對液壓支架模型進行離散化處理，采用自由網(wǎng)格的形式進行網(wǎng)格劃分處理，對連接位置處的網(wǎng)格進行一定的細化處理，得到網(wǎng)格劃分模型如下頁圖2所示。

圖2 液壓支架的網(wǎng)格模型

液壓支架的底座與底面接觸，對底座進行固定約束，依據(jù)兩種不同的工況，對液壓支架的頂梁進行加載分析，對頂梁的應力變化進行計算分析。

2.2 頂梁不同工況下的承載性能仿真分析

依據(jù)液壓支架在工況一時的承載狀態(tài)對液壓支架進行仿真分析，經(jīng)過計算，得到頂梁在工況一時的應力分布如圖3所示。從圖3中可以看出，液壓支架在偏心載荷的作用下頂梁受到的最大應力為248.3 MPa，最大應力位于頂梁的柱窩及筋板連接位置處，且支架受到偏心載荷的作用，左側的應力值要高于右側，同時，頂梁中間筋板左側上部的應力值也大于右側。頂梁柱窩的位置處是頂梁的主要承載部位，對頂梁的使用具有直接的影響作用，柱窩位置的最大應力小于材料的屈服應力690 MPa，滿足液壓支架的使用需求，其余位置處的應力值較小。

圖3 工況一頂梁的應力（MPa）分布云圖

依據(jù)液壓支架在工況二時的承載狀態(tài)對液壓支架進行仿真分析，經(jīng)過計算，得到頂梁在工況二時的應力分布如圖4所示。從圖4中可以看出，液壓支架在集中載荷的作用下頂梁受到的應力最大值為515MPa，最大應力值出現(xiàn)在頂梁的柱窩與中間筋板的附近位置處，柱窩處的應力值較大，具有明顯的應力集中現(xiàn)象。液壓支架承受集中載荷的作用，具有減小的偏置，頂梁的左右兩側應力分布一致。柱窩位置處的最大應力值小于材料的屈服強度690 MPa，滿足液壓支架的使用需求，其余位置處的應力值較小。柱窩位置處具有較為明顯的應力集中現(xiàn)象，對液壓支架的頂梁長期使用造成影響。

圖4 工況二頂梁的應力（MPa）分布云圖

通過上述分析可知，在工作面的長度上，不同位置的液壓支架受到的載荷作用不同，對液壓支架頂梁的承載要求不同。選取工作面長度上端頭位置及中間位置的液壓支架進行頂梁的應力作用分析，在端頭位置受到偏心載荷的作用，其應力值較小，在中間位置受到集中載荷的作用，其應力值較大，液壓支架的強度均滿足系統(tǒng)的使用需求，在工況二中存在著應力集中的現(xiàn)象，可對頂梁的結構進行一定的優(yōu)化處理，減小應力集中現(xiàn)象。

3 結語

液壓支架是進行煤礦綜采主要的支護設備，對煤礦的安全開采具有重要的作用。在進行礦井的綜采過程中，液壓支架以群組的形式在工作面長度上形成有效的支護，可將液壓支架的支護系統(tǒng)看作等剛度的彈性系統(tǒng)。在長度方向上，由于不同位置的礦壓變化不同，對液壓支架的承載形成不同的工況，以液壓支架在工作面端頭位置及中間位置為例，建立液壓支架的有限元分析模型，并對不同的工況進行加載分析。經(jīng)過計算得到液壓支架頂梁在不同工況下的應力分布狀態(tài)。結果表明，在兩種工況中，頂梁的最大應力均出現(xiàn)在柱窩與連接筋板的位置處，工況一左側應力大于右側，工況二的應力左右分布一致，且工況二的最大應力要大于工況一，但兩者均小于頂梁的屈服應力，滿足系統(tǒng)的使用需求。液壓支架頂梁結構在不同工況下的承載性能滿足工作面的需求，可以保證工作面的支護安全。