基于截面几何尺寸的矿井液压支架结构设计研究

次亚坤

（晋能控股装备制造集团大同机电装备公司中央机厂，山西 大同 037001）

引言

矿井液压支架的支护是地下煤矿开采的基本保护措施。从开采过程来看，液压支架支撑的着力点更为重要，因为它直接保护了岩体开采区。液压支架支撑主要是旨在保护工作空间（开采长壁）免受岩体变形的影响，支架由相互配合的独立连接部分组成。单个区段和整个支架的操作参数影响开采过程的能耗和顶板岩层崩落的程度[1]。在操作过程中，每个液压支架的组件部分都执行许多动作，并且随时向前移动。本文旨在验证液压支架简化模型的试验结果，验证所开发的测量系统和倾角仪，并证明液压支架伸缩机构运行期间会发生扭转，从而导致不平衡载荷。在这种状态下工作可能会导致支腿负载不均匀、截面结构元件不对称弯曲，对岩体切割过程的能耗产生负面影响。同时得出无论是在台架试验还是在真实条件下，使用支撑截面的简化模型可以验证特定状态下试验截面的几何形状是否满足工程要求。

1 液压支架应用简介

1.1 基本机构

图1-1显示了Glinik-20/45-POz型矿井液压支架的支撑部分，通过图形标记了基本部件。液压支架支撑部分的设计很复杂，基本结构组件如图1-1所示。

图1-2显示了由于未能保持其几何形状而产生的不均匀载荷对支架运行的影响。矿井液压支架滚轮系统螺栓的凸耳安装处有一条可见的裂纹。

1.2 应用工况

实际上，随着时间的推移，液压支架支架最常承受静态或可变负载，但变化幅度小、频率低。因此，断面荷载参数主要取决于围岩状态[2]。然而，单个部分的结构以及所使用的电源系统和控制系统对这些负载有重大影响。

图1 液压支架支撑部分及其由非对称载荷引起的变形示例

顶板支护部分与岩体配合的简图如下页图2所示，作业期间，顶板支架承受顶板岩石的过载，并将它们转移到冲击支架的底板上。因此，顶板支护与岩体的配合既取决于顶板支护的结构，也取决于进行开挖的岩体的力学特性[3]。同时崩落或碎石的塌陷的物理特征对整个区域安全性也有着较大的影响。

2 简化模型的截面几何分析

在液压支架操作过程中，顶板伸缩部分不能总是完全展开（即平行于屋顶和地板）。事实上，即使液压支架达到这样的状态，它也会在不同的平面上运动。这导致该部分的顶棚和地板基座以及其他机械元件上的负载不均匀，液压缸上的负载也不均匀。由此产生的不对称可能导致超出允许的状态，这反过来可能导致截面元件的损坏及其不正确的操作，同时阻碍了支架与岩体的配合，并可能导致屋顶损坏和整个动力联合体的运行出现问题。

图2 液压支架支撑围岩简图

因此，对单个支持部分的分析采用适当的假设至关重要。有必要对液压支架截面的几何模型开展分类讨论。截面的基本几何参数将根据液压支架模型确定。本文根据工程情况，探讨了截面的几何模型种类如图3所示。

图3 液压支架不同几何尺寸造型

图3显示了由于不同围岩与煤炭连接导致变形、由屋顶施加的载荷的静态冲击而处于膨胀状态的支撑部分。根据斜撑状态，为斜撑准备了不同截面结构图和表征其载荷的力的平面图。它构成了针对矿井给定开挖条件的设计过程和液压支架支护选择的基础。

3 液压支架工程试验分析

3.1 测试台的安装

通过简化模型研究获得的液压支架截面最可能的几何状态进行了台架试验。如前所述，对Glinik-20/45-POz型液压支架支撑部分的原型结构进行了研究。

进行台架试验的基础是开发合适的测量系统并专门用于测试支撑部分的几何形状，倾斜仪是这个系统的基本元件。开发了一种特殊的信息技术工具来记录、分析和可视化测试结果。

3.2 测试几何图形的确定

作为台架试验的结果，简化截面模型的试验结果得到了验证。将台架试验中获得的几何参数值与液压支架理论计算获得的几何参数值进行比较，确定每个几何尺寸的精确投影图，将这些通过理论和试验分析后得出的几何尺寸模拟于真实工况。

在这些测试中选取常见的四种液压支架几何状态的示例，如图4所示。

图4 四种类型液压支架几何状态简化图

3.3 测试组件安装

工作面长壁移动的液压支架截面几何形状的分析包括平行于顶板和底板的天棚、双纽线系统和盾构支架。无线传感器和测量系统的布置类似于台架试验。为此，在安装传感器时，使用了带有磁铁的特殊设计的板，倾斜仪安装在该板上。该解决方案的应用能够稳定、连续地测量测试参数，并明确了长壁工作面液压支架容易断裂的位置。

3.4 试验结果分析

通过工作面对支架工作阻力进行观测，开始时采取远程读取直读式压力表的方式，每天只观测一次。在工作面过断层开采期间分别四个不同几何尺寸的液压支架前后两立柱工作阻力进行了监测记录，工作阻力变化曲线如下页图5所示。

图5 液压支架前后两立柱工作阻力曲线图

由下页图5可以看出，工作面支架工作阻力主要分布在6 200～7 500 kN之间，最大工作阻力为7 412.6 kN，是额定工作阻力的88.23%，该情况出现在类型1几何尺寸上，说明液压支架呈现出类型1的几何尺寸后容易发生结构断裂。同时其余类型几何尺寸也出现了不同程度的前后立柱受力不一致的情况，说明处于非常不利的负荷条件下。因此，在对液压支架进行设计时，应当考虑顶板与立柱之间的夹角，对于整体结构的受力有着较大的影响。类型3几何尺寸显示顶板的角度是180°，且前后立柱的受力趋势较为均匀，而类型2和类型4显示出了前后立柱受力方向的不统一性。由此可以得出，液压支架顶板的角度与地面保持平行为最佳状态。

4 结语

本文的主要目的是研究开发一种有效的方法，以确定在液压支架在操作过程中的位置（几何形状）合理性。利用了角度传感器（倾角计）的使用安装在选定的机械元件的部分，获得不同形态的几何形式测试结果。所获得的结果清楚地表明，在理论分析中还没有考虑到的液压支架结构存在一些扰动。在运行过程中获得的分析结果表明，在许多工况情况下，其整体部件受力是不对称的，处于非常不利的负荷下。因此，在强度分析和结构设计中应当对该因素进行考虑，因为在许多情况下，几何尺寸不合理是造成截面元件损坏的原因，尤其是顶板角度的安装问题，在对矿井液压支架设计时应当加以注意。本文研究成果为矿井液压支架结构设计提供了依据。