四柱支撑掩护式放顶煤液压支架支护性能分析

马端志

(煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013)

四柱支撑掩护式放顶煤液压支架支护性能分析

马端志

(煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013)

Supporting Properties Analysis of 4-prop Standing and Shielding Coal-caving Powered Support

通过对四柱支撑掩护式放顶煤液压支架工作状态及其力学性能进行分析,并列举实例研究了四柱支撑掩护式放顶煤液压支架支护性能与其外载作用位置之间的关系,最后运用该理论对四柱支撑掩护式液压支架出现的“拔后柱”问题进行了分析。

放顶煤;液压支架;支护性能

四柱支撑掩护式放顶煤液压支架是目前国内综放工作面使用的主导架型,分析其在不同外载条件下支护性能的发挥程度,可以为液压支架优化设计提供理论参考,为提高放顶煤液压支架对煤层及顶板的适应性提供技术保障。

1 支架工作状态分析

四柱支撑掩护式放顶煤液压支架正常工作状态主要可分为以下 3种:

(1)初撑状态 指液压支架升架支撑顶板直至达到初撑力的过程。在该状态下,液压支架属于主动支撑,其外载大小与液压支架初撑力相平衡。

(2)“给定载荷”工作状态 指液压支架所受的外载不超过液压支架额定工作阻力所产生合力的阶段。在该状态下,液压支架属于被动支撑,其支护性能的发挥主要取决于外载的大小及作用位置。

(3)“限定载荷”工作状态 指液压支架所受的外载超过液压支架额定工作阻力所产生的合力阶段。在该状态下,液压支架支护性能已发挥到极限,已有立柱安全阀处于开启状态,液压支架支护性能的发挥主要取决于外载的作用位置。

由此可见,提高液压支架“限定载荷”工作状态下支护性能的发挥能力是提高其适应性的关键,因此,分析液压支架支护性能主要是分析液压支架在“限定载荷”工作状态下的支护性能情况。

2 支架支护性能与外载位置关系的分析

目前对于液压支架支护性能分析与研究的出发点,通常都是根据液压支架自身力学性能,分析其合力大小及作用位置,并根据液压支架在不同高度下合力的理想值分析其支护性能。但是,由于外载合力大小与作用位置的不确定性等因素,使其与液压支架理想合力作用点不完全吻合,即液压支架在“限定载荷”工作状态保持平衡时液压支架合力作用位置一般不是理想合力作用点,其合力值也非理想合力值。液压支架支护性能的分析应根据外载合力在顶梁不同位置作用时液压支架提供有效支撑原理来分析力学平衡方程。本文将液压支架受力简化成平面力系 (如图 1),对四柱支撑掩护式放顶煤液压支架支撑合力与外载位置之间的力学关系特性进行分析。

图1 液压支架受力简化模型

如图 1所示,取顶梁和掩护梁为分离体,对O1取力矩,得平衡方程:

取顶梁为分离体,对O取力矩,得平衡方程:

由方程 (1)和 (2)求解支架合力值 Q和外载作用位置 X得出:

上述公式中各符号的物理意义见图 1。

由方程 (4)可知外载作用位置 X是关于前后排立柱支撑力 P2和 P1的比值 P2/P1的函数,支架前后排立柱支撑力在 0到立柱额定工作阻力之间变化,且 r1>r3,r2>r4,P2/P1∈ (0, +∞),由函数的性质可知,X值域为可见液压支架外载作用范围不是在整个顶梁上,而是有一定的范围,也就是说当外载合力超出该范围值时,很小的作用力都能够使液压支架失去平衡。因此,对于四柱支撑掩护式液压支架,增强其对外载变化适应的能力的最有效途径就是增大 r4,减小 r3的值,即前排立柱尽可能靠前布置,后排立柱尽量向后布置。

由液压支架外载作用范围 X值域可知,分析液压支架外载作用位置与液压支架支护性能的关系,可以转化为求解在前后排立柱作用力不同比值情况下液压支架合力大小及作用位置间的关系。

3 实例分析

以 ZF12000/26/40型四柱支撑掩护式放顶煤液压支架为例,分析该液压支架在 3800mm高度时外载位置与支架性能之间的关系,在该工况下各参数值如图 2所示,其中前后排立柱的值域为 (0, 6000kN)

3.1 液压支架合力作用范围

图2 液压支架简化参数

由液压支架外载合力作用位置 X值域函数可知,其值域范围和顶梁与顶板的摩擦系数有关,为方便说明问题,摩擦系数大小取 0.2。摩擦系数的方向与支架顶梁与顶板相对运动方向有关,即与液压支架四连杆机构运动轨迹方向有关,当液压支架让压下降有向煤壁运动趋势时,摩擦系数取正,反之取负。

(1)当摩擦系数 f=0.2时,液压支架外载作用位置X范围为 613～2271mm。

(2)当摩擦系数 f=-0.2时,液压支架外载作用位置X范围为 516～2181mm。

3.2 液压支架合力与外载作用位置间的关系

将前排立柱取 6000kN,后排立柱分别取6000kN, 5000kN, 4000kN, 3000kN, 2000kN, 1000kN和 0等值,或将后排立柱取 6000kN,前排立柱分别取 5000kN,4000kN,3000kN,2000kN, 1000 kN和 0等值对液压支架进行力学计算,求解液压支架合力的大小及外载作用位置。

(1)当摩擦系数 f=0.2时,液压支架合力的大小及外载作用位置如表 1所示。

(2)当摩擦系数 f=-0.2时,液压支架合力的大小及外载作用位置如表 2所示。

表 1 摩擦系数为 0.2时液压支架合力的大小及外载作用位置

表 2 摩擦系数为 -0.2时液压支架合力的大小及外载作用位置

3.3 液压支架合力与外载作用位置关系

将在摩擦系数为正负 0.2两种工况下,液压支架合力值与外载作用位置间的关系绘制成图 3,其中横坐标是合力作用位置 X,纵坐标是液压支架合力值Q。由图 3可知:

图 3 液压支架合力与合力位置关系

(1)四柱支撑掩护式液压支架保持外载合力平衡的作用范围有限,且其作用范围主要在前、后排立柱之间,增大前后排立柱间顶梁的长度比例是提高该类液压支架对顶板的适应性的关键。

(2)液压支架四连杆运动轨迹方向对液压支架合力值的大小影响很小,对外载合力作用范围调节有一定的影响,当运动轨迹向煤壁方向移动时,液压支架合力作用范围比向采空区移动时约向前平移 2fH0距离。

(3)当外载合力作用位置发生变化时,液压支架调节能力变化比较大,其支护性能的发挥程度差异很大,在外载合力可以作用范围内液压支架支护性能差别达50%。

因此,根据采煤工作面直接顶或顶煤的具体条件,优化支架结构,使外载合力作用位置趋近于液压支架理想合力作用点,才能使液压支架充分发挥其支护性能。

4 放顶煤液压支架“拔后柱”问题分析

四柱支撑掩护式放顶煤液压支架,在井下使用过程中存在最突出的问题是“拔后柱”现象,在该状态下,由于顶梁后部顶煤放空,顶梁与顶煤接触面积变小,外载合力位置向煤壁方向移动,使液压支架理想合力作用点与外载合力作用位置偏离较大,最终超出液压支架合力调节范围,造成液压支架处于非正常工作状态。“拔后柱”状态下后排立柱失去支撑作用,液压支架支护性能发挥程度达不到其理想值的 50%,工作状态十分恶劣。可见,综放工作面液压支架应根据基本顶和顶煤具体特征进行设计,优化液压支架结构,使其外载合力作用位置变化范围在液压支架合力调节范围之内,并尽量接近液压支架理想合力作用位置,充分发挥液压支架的整体支护性能。

[1]王彪谋 .四柱放顶煤液压支架主要技术问题研究 [J].煤矿开采,2009,14(5):56-57.

[2]王国法 .液压支架技术 [M].北京:煤炭工业出版社, 1999.

[责任编辑:张银亮]

TD355.4

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1006-6225(2010)05-0066-03

2010-03-23

马端志 (1980-),男,山东乐陵人,在读硕士,从事采场液压支架与支护技术研究。