基于平衡千斤顶受力分析下的两柱综放支架适应性研究

张 震，闫少宏，尹希文，于 雷

（1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京 100013;2.天地科技股份有限公司，北京 100013; 3.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013）

基于平衡千斤顶受力分析下的两柱综放支架适应性研究

张 震1，3，闫少宏2，尹希文1，3，于 雷1，3

（1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京 100013;2.天地科技股份有限公司，北京 100013; 3.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013）

为研究两柱掩护式综放支架在特定地质条件下的适应性，采用现场监测数据对支架合力作用点位置、平衡千斤顶安全阀开启率、放煤前后平衡千斤顶的受力状态及平衡千斤顶对顶梁的水平作用力等进行了分析。结果表明:在该特定地质条件下平衡千斤顶有效地调节和保持了支架的几何位态，合理地调节了支架合力作用点位置;有效地保证了端面顶煤的稳定，从而验证了在该特定地质条件下两柱综放支架的适应性。研究结果对于现场操作及该种架型的改进具有一定的指导意义。

平衡千斤顶;状态分析;两柱综放支架;适应性

厚煤层的综放开采技术自1982年被我国引进以来，发展迅速，现已成为我国厚煤层开采的主要方法之一［1］。多年来，放顶煤支架一直采用四柱支撑排斥式架型，普遍存在工作阻力利用率低、前后立柱受力不均甚至后立柱受拉等现象［2－4］，在总结四柱综放支架问题的基础上，我国成功研制开发了两柱式综放支架，并在神华等矿区成功使用。

平衡千斤顶作为两柱掩护式支架的一个重要部件，其使用状态的好坏在一定程度上决定了两柱综放支架的支护性能［5］。本文基于ZF12000/23/40D两柱掩护式综放支架，从平衡千斤顶入手来分析两柱综放支架的适应性，为该架型更好地发挥支护作用提供指导和借鉴。

1 现场条件

该综放工作面所采煤层为石炭系上统太原组顶部4号煤层，属中硬煤层，平均厚度6.9m。工作面走向长度2690m，倾向长度300m，采高3.4m，放煤高度3.5m。煤层顶板为5.51～20.33m的中粗粒砂岩，底板为泥岩与细砂岩互层。工作面使用ZF12000/23/40D型两柱掩护式综放支架，具体参数如表1所示。

2 平衡千斤顶运动状态下的支架位态

平衡千斤顶在支架的升架和放煤过程中发挥着重要作用。在这两个过程中，平衡千斤顶不仅要保持或调整支架的几何位态，而且更重要的是要调节合力作用点的位置，使支架支护状态与顶板围岩压力相适应［6］。

表1 基本支架的具体参数

在升架的过程中若平衡千斤顶不发挥作用或者环形腔能力不够，均可能导致支架出现“高射炮”的现象［2］。从理论上讲，放煤前顶板外载合力作用点位于支架立柱的后方，此时平衡千斤顶受拉，如果支架外载合力作用点超出了极限平衡范围，平衡千斤顶安全阀开启，支架可能出现“高射炮”的现象;放煤后顶板外载合力作用点前移，此时若支架外载合力作用点超出了极限平衡范围，支架就有可能出现“栽头”现象［6－9］。

3 两柱综放支架平衡千斤顶状态分析

3.1 基于平衡千斤顶下的顶梁合力作用点的范围

平衡千斤顶可以调节顶梁合力作用点的位置，使支架在极限平衡的范围内处于一个较好的工况，以维持围岩的稳定性，因此，从支架合力作用点的位置可以对支架的适应性进行评价。

将两柱掩护式放顶煤液压支架简化为平面力学体系，如图1所示。

图1 液压支架掩护梁及顶梁受力体系

取两柱掩护式液压支架的掩护梁及顶梁为分离体，分别进行受力分析，其受力分析如下［7－8］。

支架合力:

式中，Q为顶煤对支架的作用载荷;X为支架合力作用点位置;f为顶梁与顶煤之间的摩擦系数 （一般取0～0.3）;P为立柱承受载荷;PE是平衡千斤顶对顶梁的载荷;r1，r2分别为四连杆瞬心与掩护梁与顶梁铰接点到立柱的垂直距离;r3为掩护梁与顶梁铰接点到平衡千斤顶的垂直距离;b为掩护梁与顶梁铰接点到顶梁的垂直高度;a为四连杆瞬心到掩护梁与顶梁铰接点瞬心的水平距离;φ为四连杆瞬心与顶梁掩护梁铰接点连线与水平线的角度。

这里假定支护能力为0.7～1倍的额定工作阻力，平衡千斤顶在最大推力和拉力之间变化，顶梁合力作用点起点假定为顶梁与掩护梁铰接的位置。

将支架参数代入得到支架在支护效率较好时顶梁合力作用点的范围为 （1278mm，1623mm），分析计算工作面支架合力作用点在该范围之内所占比重分别为93.8%（55号支架），49.5%（65号支架），63.3%（75号支架），57.64%（95号支架），40.4%（105号支架），39.3%（125号支架），86.75%（135号支架）。由以上分析可知在该地质条件下平衡千斤顶对支架起到了很好地调节作用，支架合力作用点大部分落在了支架支护效率较好的范围内，保持了支架承载中的稳定性。

3.2 平衡千斤顶安全阀开启率统计

当支架顶梁外载合力超出极限平衡范围时，平衡千斤顶安全阀开启，当活塞腔 （上腔）安全阀开启时有可能造成支架栽头的现象，而环形腔（下腔）安全阀开启时可能会造成支架“高射炮”的现象，如图2、图3所示。平衡千斤顶安全阀的开启率在一定程度上显示了两柱式综放支架出现“高射炮”及“栽头”现象的概率。

表2为回采期间支架平衡千斤顶安全阀开启率情况。整个工作面平衡千斤顶两腔安全阀开启率较低，从而可以推断支架在现场应用的过程中出现的“高射炮”及“栽头”的现象较少。

3.3 放煤工艺下平衡千斤顶的受力状态

受放煤工艺的影响支架顶梁外载合力作用点处于一个动态变化的过程，放煤后顶梁后部放空使得外载合力点前移，此时平衡千斤顶活塞腔压力增大，在平衡千斤顶合理作用范围之内调节支架的几何位态，防止支架发生“栽头”现象。表3为支架放煤前后平衡千斤顶的受力状态。

支架在放煤后活塞腔 （上腔）压力增大，而环形腔 （下腔）压力减小，且两腔均在平衡千斤顶的合理作用力范围之内，支架合力作用点向前移动，有效地调节和保持了支架的几何位态。

图2 支架“栽头”示意

图3 支架“高射炮”示意

表2 回采期间安全阀开启率统计

表3 放煤前后平衡千斤顶上下腔压力变化 MPa

3.4 平衡千斤顶对端面顶煤水平作用力

平衡千斤顶的作用主要是帮助顶梁取得平衡，改善支架接顶情况，同时增加水平力，对保持端面顶煤的稳定性有一定作用。当支架达到一定采高时，立柱倾角较小，提供的水平力有限，此时平衡千斤顶对于增加水平力的作用就非常明显。

该支架在3.4m采高条件下立柱倾角为87°，而平衡千斤顶与顶梁的角度为32°，统计分析回采期间平衡千斤顶对水平力的影响，如表4所示。从分析统计数据可以看出，该条件下两柱式综放支架平衡千斤顶对支架顶梁提供了较大部分水平力，从而有效地保证了端面顶煤的稳定性。

表4 支架平衡千斤顶及立柱提供的水平力

4 结论

（1）支架合力载荷作用点大部分分布在支架支护效率较好的区域。

（2）支架平衡千斤顶安全阀开启率较低，支架“高射炮”及“栽头”现象较少。

（3）放煤前后支架平衡千斤顶两腔压力变化明显，放煤后活塞腔即上腔压力增大，环形腔压力减小，平衡千斤顶合理地调节了顶梁合力作用点的位置，有效地保持了支架的几何位态。

（4）在一定的采高条件下，当支架立柱倾角较小时，平衡千斤顶提供的水平力对于端面顶煤的稳定起到了很好的作用。

［1］闫少宏，富 强.综放开采顶煤顶板活动规律的研究与应用［M］.北京:煤炭工业出版社，2003.

［2］杨培举，刘长友，等.平衡千斤顶对放顶煤两柱掩护式支架适应性的作用［J］.采矿与安全工程学报，2007（9）.

［3］杨培举，刘长友，金 太.两柱掩护式综放支架的承载规律及工艺研究［J］.采矿与安全工程学报，2010（12）.

［4］孙公赞，张晓东，樊 军.两柱与四柱放顶煤液压支架架型及结构浅析［J］.煤矿机械，2009（2）:167－169.

［5］孙桂英.液压支架平衡千斤顶的结构改进［J］.煤矿开采，2009，14（4）:66－67.

［6］王国法.两柱掩护式放顶煤液压支架设计研究［J］.煤炭科学技术，2003（4）:36－41.

［7］樊 军，钱玉军，徐祖辉.两柱掩护式液压支架受力分析及结构件强度校核［J］.煤矿机电，2008（2）:167－169.

［8］马端志.四柱支撑掩护式放顶煤液压支架支护性能分析［J］.煤矿开采，2010，15（5）:66－68.

［9］马端志.两柱掩护式放顶煤液压支架承载特征的研究［D］.北京:煤炭科学研究总院，2010.

Research on Adaptability of Two-prop Full-mechanized Caving Powered Support Based on Force Analysis of Balance Jack

ZHANG Zhen1，3，YAN Shao-hong2，YIN Xi-wen1，3，YU Lei1，3

（1.Coal Mining＆Designing Branch，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China; 2.Tiandi Science＆Technology Co.，Ltd，Beijing 100013，China; 3.Coal Mining＆Designing Department，Tiandi Science＆Technology Co.，Ltd，Beijing 100013，China）

In order to research adaptability of two-prop shield powered support for caving top-coal，applying field data，this paper analyzed action location of powered support's join forces，safety valve's open rate of balance jack，force state of front and back balance jack before and after top-coal caving，balance jack's horizontal force on top beam.Results showed that under the geological condition，balance jack effectively adjusted and kept powered support's attitude，amended action location of join forces and ensured stability of top-coal between face and top beam.Adaptability of this powered supportwas proven.This could be used to instructactualoperation and improvement of this powered support.

balance jack;state analysis;two-prop caving powered support;adaptability

TD355.41

A

1006-6225（2012）01-0065-03

2011－11－04

国家科技支撑计划资助项目:大采高综放开采工艺技术研究 （2008BAB36B01）;大采高综放开采成套技术集成与示范（2008BAB36B12）

张 震 （1985－），男，山东德州人，硕士研究生。

［责任编辑:徐亚军］