无梁端距高强护帮新型液压支架的研究

2020-06-22崔贝贝

机械工程与自动化 2020年3期

崔贝贝

(山西晋城煤业集团金鼎公司，山西晋城 048006)

0 引言

对于煤矿井下综采工作面，在开采过程中，当顶板岩性以泥岩、沙质泥岩为主时，经常会发生超前断裂，引发工作面片帮、冒顶事件。特别是对于大采高工作面，由于其采高大、支架调高范围也大，所以采煤机割煤后拉架速度较慢，很难实现及时支护，进而使得片帮和冒顶情况更加明显。

根据调研，目前我国诸多矿井大都使用一次采全高采煤工艺，且6.2 m、7.2 m等系列掩护式大采高液压支架在综采工作面均已得到广泛应用。该系列液压支架有较完善的伸缩护帮机构，通常6.2 m支架多采用内嵌式伸缩梁加二级护帮型式，7.2 m及以上支架多采用独立伸缩梁加三级护帮型式，虽然可以产生很好的封闭性能，但是依然存在以下问题：①液压支架伸缩梁可伸缩量较短，支护距离不足，当采煤机割煤后，支架不能及时进行有效支护，使得空顶距过大，存在冒顶风险；②发生冒顶现象时虽然支架伸缩护帮机构及时打出，但是由于空间位置和结构形式的限制，护帮千斤向上的支撑角度很小，向上支撑力不足，不能满足支护需求；③支架对顶板的主动支撑力不够，导致煤帮受力较大，出现片帮现象；④出现片帮现象时，护帮打出支撑煤壁，但是水平轴向支撑力不够，不能满足支护需求。

针对目前大采高工作面支护设备存在的以上问题，随着国内外支架设计、高强板焊接、大直径液压缸制造、密封制造、高强板制造等技术的大幅提升，以及国家对煤矿生产安全高效的要求，在此基础上研制一种能有效减少或避免片帮、冒顶事故发生的新型无梁端距高强护帮液压支架迫在眉睫。

1 新支架整体设计模型

针对存在的问题，新支架要具备梁端距较小、护帮支撑力较强、立柱和护帮千斤初撑力提升等功能，对比现有支架，主要从以下几方面进行研究：

(1) 设计新顶梁，在保证支护强度不变的前提下，增加传统掩护式大采高支架顶梁前端伸缩梁滑道距离，为伸缩梁加长预做准备。

(2) 伸缩梁加长设计，在保证有效支撑力的前提下，增加伸缩梁伸出长度，缩短空顶距。

(3) 增大护帮千斤缸径，提升护帮千斤本身支撑力。

(4) 将支架作为一个系统，由于系统内部无法再有效提升护帮支撑力，所以考虑引入系统外力，设计护帮斜撑机构，通过可拆卸辅助机械设计，大幅增强护帮水平支撑力。

(5) 液压系统设计，增加立柱和护帮千斤的初撑力。

根据上述分析，进行模拟、验算和方案设计，无梁端距高护帮新型液压支架总体模型如图1所示。

1-伸缩梁；2-顶梁；3-斜撑机构；4-液压系统

2 主要结构设计

依据总体设计方案，对新支架主要结构进行了设计。

2.1 顶梁设计

为了增加伸缩梁可伸出量，要求顶梁前端预留足够长滑道，同时应保证顶梁前端与伸缩梁有足够搭接和良好导向性，这样才能在割煤后及时伸出支护，防止空顶。通过重新计算、校核，在保证支护强度的前提下，新顶梁较原顶梁支护长度增加690 mm，前端滑道距离增加980 mm。新顶梁三维模型如图2所示，新旧顶梁对比如图3所示。

图2 新顶梁三维模型

图3 新旧顶梁对比

2.2 伸缩梁设计

伸缩梁做加长设计，提升板材材质，增加斜筋板。为保证与顶梁的有效搭接长度，经计算、校核，确定伸缩梁加长距离为325 mm，通过有效增加伸缩梁可伸量，减少空顶距。新旧伸缩梁对比如图4所示。

图4 新旧伸缩梁对比

2.3 斜撑机构设计

受液压支架前端结构和空间位置的限制，支架护帮对煤壁的水平支撑力不足是一直存在的问题，通常都采用适当加大护帮千斤缸径来提升护帮对煤壁的支撑力，但是这样增加的力很小，依然不能满足片帮情况下的支护需求。如果想要大幅提升支架护帮支撑力，就必须引入支架系统外组件，通过增加辅助机械结构来达到有效支撑效果。基于此，本设计引入斜撑机构，具体设计如下：

(1) 井下采煤过程中，因地质条件复杂，煤帮情况多变，所以斜撑机构不能与护帮直接铰接，但应能够支撑到护帮板任意位置，且不能影响护帮板的正常使用。

(2) 斜撑机构采用条件分离法设计，在煤帮条件不好或一些特殊情况下，利用斜撑机构进行辅助支撑；当正常采煤条件下，不需要使用，能够自动收回。

(3) 当斜撑机构收回时，预留空间位置不能影响采煤机正常开采和行人正常通过。

(4) 斜撑机构的铰接固定应充分利用原支架的连接部位，降低机构复杂性，方便井下安装使用。

护帮斜撑机构及安装示意图如图5所示。斜撑机构铰接于顶梁防倒筒位置，可随意拆卸更换，满足条件分离需求；同时本机构设计有斜撑千斤和回转千斤，所有动作依靠液压系统自动完成；此外斜撑千斤设计为双伸缩结构，通过减小其回转半径，保证大采高支架在降至3.3 m位置时无干涉现象。经计算，本斜撑机构可对煤壁提供水平支撑力至少为1 000 kN，能有效减少或避免片帮现象的出现。