王翠芳

(霍州煤電集團 鑫鉅煤機裝備制造有限責任公司, 山西 霍州 031400)

1 概 況

晉北煤業(yè)三采區(qū)5-302綜采放頂煤工作面平均煤層厚度5.28 m,平均傾角24°,工作面沿走向布置,設計采高2.7 m,放煤高度2.58 m,采放比為1∶0.96,遇地質條件變化時,適當調整回采層位。采用傾斜長壁后退式綜合機械化放頂煤采煤方法,全部垮落法管理頂板。

為了節(jié)能減排,盤活閑置資產,在充分保證礦井安全的前提下,集團公司決定為該礦調撥2010年制造服役的ZF6400/18/35放頂煤支架。由于該支架原設計僅適用于近水平煤層,沒有防倒防滑功能,而MT555-1996《大傾角液壓支架技術條件》規(guī)定:工作面傾角大于15°必須采取防滑措施,為此,根據工作面的需求和煤安標準的要求,結合支架本身的特點,升級改造增加底調裝置,以滿足礦井的使用要求。

2 設計改造依據

2.1 支架工作阻力

采用估算法確定支架工作阻力,綜采放頂煤支架所需支護強度公式[1]為:

q=k(γ1h1+γ2H)=k[γ1(M-h)+γ2H]

(1)

式中:q為支護強度,kN/m2;k為基本頂失穩(wěn)時的動載系數,依據礦壓監(jiān)測取1.5;γ1為頂煤的容重,kN/m3,取14;h1為頂煤厚度,m;γ2為頂板巖石的容重,kN/m3,取25;H為對支架有直接影響的巖層厚度,一般為煤層厚的1.2～2.3倍,取1.8M,m;M為煤層厚度,m,取5.28;h為平均割煤厚度,m,取2.58.

計算可得該放頂煤支架的支護強度為413.1 kN/m2.

支架的工作阻力公式為:

P=q·(LK+LD+LJ)·B

(2)

式中:P為支架工作阻力,kN;q為支架的支護強度,kN/m2;LK為端面距,m,取0.34;LD為頂梁長度,m,取4.4;LJ為采煤機截深,m,取0.8;B為支架寬度,m,取1.5.

計算可知支架的工作阻力為3 432.86 kN,即可滿足該工作面的要求,現調撥的支架工作阻力為6400 kN,遠大于3 432.86 kN.

所以ZF6400/18/35放頂煤支架的選型和工作阻力滿足該工作面的使用要求。

2.2 大傾角放頂煤支架受力分析

大傾角綜放開采復雜礦壓顯現規(guī)律導致了工作面支架受力的復雜性。大傾角放頂煤支架在工作面的失穩(wěn)及其趨勢主要有整體向下傾倒、支架前部下滑、支架后部下滑、支架整體下滑、支架底部下滑導致支架向上傾斜、支架前端頂梁向下扭轉、支架后部掩護梁向下扭轉等7種情況[2].這是因為:1) 對于低位放頂煤支架,在大傾角綜放工作面放煤過程中,煤流有向下的分力,會對支架掩護梁及尾梁施加側向力,使支架產生擺動,從而帶動支架扭斜。2) 支架出現倒架,大多是支架上方冒空,頂板局部失去完整性,上部頂板有向下移動空間,當頂板垮落時,這個倒向力的顯現使支架傾倒。當支架脫開頂板(降柱行走過程)時也會出現支架傾倒下滑現象。

支架在工作面傾角受力情況見圖1.

F1—破碎煤矸下滑的作用力;F2—破碎煤矸對支架的正壓力;F—尾梁上破碎煤矸施加給支架的垂直方向合力;α—煤層傾角圖1 工作面液壓支架受力情況圖

該支架所需的調架力[3]為:

F3=F1-fF2=F×cosα-f×sinα

(3)

式中:α為煤層傾角,(°),取24;f為摩擦系數,取0.2.

在穩(wěn)定狀態(tài)下,F等于支架自重力,支架自重為17 000 kg,自重力約為170 kN,則F為170 kN.計算可知,該支架所需的調架力為38 kN.

MT/T556—1996《液壓支架設計規(guī)范》規(guī)定:調架千斤頂的規(guī)格缸徑不能小于10 mm、桿徑不能小于70 mm,經計算1根千斤頂的推力為247 kN,則2根千斤頂的推力為494 kN,遠大于該支架所需的調架力38 kN,抗彎性能和強度滿足要求。

3 改造方案

1) 首先將底座進行局部截割,觀察底座結構,在合適位置割出兩個導向套筒的定位孔,底座截割圖見圖2.

圖2 底座截割圖

2) 在活動側護板一側焊接加工新底調裝置,即兩根底調千斤頂和一根底調梁,見圖3.

圖3 底調梁和底調千斤頂示意圖

3) 將新增加的底調千斤頂(φ100 mm/φ70 mm)和底調梁通過銷軸與底座連接,見圖4. 裝配好的實物圖見圖5.

圖4 底座裝配圖

4 強度校核

該次改造在底座一側切割圓孔,圓孔內焊接底調油缸導向套筒,底座側主筋結構發(fā)生變化,為驗證底座結構強度,采用三維有限元分析軟件對底座改造前、后受力狀態(tài)進行分析。

加載方式:4個柱窩共加載6000 kN垂直向下的壓力,每個柱窩1500 kN.

固定方式:在底座前、后部設置墊板,中部柱窩下方懸空。該模擬固定方式為底座承載極限狀態(tài),如果該狀態(tài)下底座滿足設計要求,則松軟底板情況下,底座滿足使用要求。加載、固定示意圖見圖6.

圖6 加載、固定示意圖

改造前后的底座應力云圖見圖7,8. 由圖7,8可知,底座最大應力為380 MPa左右,出現在底座墊板附近,改造后底座原有應力分布保持不變,在改造處新增應力呈現區(qū)域,最大應力為400 MPa左右,均在底座材質Q550可承受范圍內,所以底座采用局部補強的方法進行加固是可行的。

圖7 原底座應力云圖

圖8 改造后底座應力云圖

改造后的支架出廠檢驗按GB 25974.1—2010《煤礦用液壓支架第1部分:通用技術條件》、Q/HM002—2018《ZF6400/18/35放頂煤支架技術條件》、《礦用產品安全標志審核發(fā)放實施規(guī)則液壓支架》進行壓架試驗。各項要求均達到標準要求,可以運用到工作面。

對頂梁兩端加載,底座對角、側邊內、外對稱加載,頂梁對角加載+底座四點加載。加載壓力43.1 MPa,加載次數1000次。經試驗,主體結構件沒有焊縫和母材開裂;頂梁和底座相對殘余變形量為0.09%,不大于0.4%;頂梁中心線相對底座中心線偏移角度變化量為0.04°,不大于3°,其它部件沒有損壞,沒有影響使用的變形。

對頂梁縱向、前后扭轉加載+底座兩端加載,頂梁左、右兩側偏心加載,底座前、后扭轉加載。加載壓力43.1 MPa,加載次數1000次。頂梁可活動側護板全部伸出,頂梁兩側各加長度為1800～2000 mm的墊塊,立柱的試驗壓力為支架額定工作壓力的1.2 倍,主要受力部件沒有損壞和焊縫開裂,殘余變形不影響活動側護板自由伸出。

對柱窩進行加載試驗。加載壓力43.1 MPa,加載次數1000次。支架進行水平加載,支點置于正確合適位置,立柱試驗壓力為額定工作壓力的1.2倍,試驗后支架沒有損壞和殘余變形。

對推移機構偏載(推、拉),推移機構垂直進行加載試驗。加載壓力43.1 MPa,加載次數1000次。支架在試驗臺內撐緊,推桿退出,使抬底千斤頂處于推桿中部,對抬底千斤頂加載,試驗壓力為抬底力的1.5倍,試驗后其機構沒有損壞和殘余變形。

對立柱、立柱連接件進行加載試驗。加載壓力43.1 MPa,加載次數1000次。支架在試驗臺內撐緊,以1.2倍額定供液壓力收縮單根立柱后,各連接銷軸沒有殘余變形;以1.5倍額定供液壓力收縮立柱后,立柱底銷沒有斷裂,其余連接件沒有影響拆裝的變形。

5 現場使用效果

改造后的支架于2023年3月在晉北煤業(yè)投入使用,截至2023年7月該支架使用良好。底調梁+雙底調千斤頂底調裝置的調整范圍大,作用力大,不需要多次操作,即可把支架的姿態(tài)調整好,省時省力,很大程度減少了支架的傾倒,便于支架管理,提高了勞動效率。改造后的底座采用了局部補強的加固方法,通過有限元受力分析和實踐的檢驗,完全滿足工作面的使用要求。

6 結 語

通過分析礦井的具體地質資料并實地考察,分析了支架在大傾角工作面的受力,結合煤安標準要求和支架本身結構,在原底座上合適的位置增加了兩個平行安裝的底調千斤頂的導向筒,并借助先進的有限元軟件對改造后的底座進行強度校核。底調梁+雙底調千斤頂的底調裝置適應性好,使用時調架梁接觸面大,兩個底調千斤頂共同作用調架力大,經過樣機試制驗收和壓架試驗合格后,進行批量改制。該支架的改造升級是對煤機設備的再制造,節(jié)約了資源,降低了煤機設備的投入,該工作面使用107架支架,可創(chuàng)造利潤12.84萬元。