8.8 m大采高工作面液压支架稳定性分析及控制方案研究

李 飞,刘混举

(1.太原理工大学 机械工程学院,太原 030024;2.神华神东煤炭集团 布尔台煤矿,陕西 神木 719300)

液压支架的稳定性是8.8 m大采高工作面安全开采的基础,其对煤矿安全开采有着决定性的影响[1]。对8.8 m大采高工作面液压支架的稳定性进行研究时,可以将单架稳定性作为研究对象,影响单架稳定性的因素有很多,例如:加载工况、销轴间隙,底座宽度、工作面倾角,重心位置、工作高度和初撑力等。在众多影响因素中,工作高度和工作面倾角的影响尤为突出,同时还间接影响着其它的因素。因此,8.8 m大采高工作面支架的稳定性是一个非常重要且值得研究的问题。

本文通过对液压支架的横向稳定性、纵向稳定性和煤壁稳定性进行研究,采用理论研究与仿真分析相结合的方法对各因素对稳定性的具体影响进行分析,最后根据分析结果提出支架稳定性的控制方案。

1 液压支架的稳定性因素分析

1.1 大采高支架横向稳定性问题的分析

由于支架各部件的连接方式为销轴连接,在轴向和径向销孔配合不可避免地存在间隙。不论工况条件如何,支架可能出现一定程度的扭转、倾斜,甚至出现倒架现象[2]。

因为支架部件销轴间存在径向间隙和轴向间隙,所以支架的最大歪斜角为:

(1)

式中:a为耳板宽度,mm;b为连接宽度,mm;d为销轴直径,mm;D为孔直径,mm。

因为前连杆和底座的连接销轴存在着间隙,所以前连杆在横向的位移距离可用式(2)计算。

Δlq=lqsinαq.

(2)

式中:Δlq为前连杆在横向的位移距离,mm;αq为前连杆最大歪斜角,(°);lq为前连杆的长度,mm。

因为后连杆和底座的销轴连接存在着间隙,所以后连杆在横向的位移距离可由式(3)计算。

Δlh=lhsinαh.

(3)

式中:Δlh为前连杆在横向的位移距离,mm;αh为前连杆最大歪斜角,(°);lh为前连杆的长度,mm。

因为掩护梁、前连杆和后连杆均可能出现歪斜现象,所以顶梁也可能在横向出现偏移现象。图1为液压支架连杆受力分析图。

图1 液压支架连杆受力分析图Fig.1 Linkage force analysis of hydraulic support

从图1可以看出,如果前连杆和后连杆在横向的位移距离比较接近,那么顶梁在横向的最大偏移距离可由式(4)计算。

(4)

式中:L1为前后连杆与掩护梁铰点距离,mm;L2为掩护梁长度,mm。

根据上述公式分析可知,最大单向偏移距离与销孔最大间距成反比例关系。

支架最大单向偏移距离随着销孔间隙的减小而下降。间隙越大,最大单向偏移距离就越大。由此可见,减小销孔间的距离是提高大采高支架的横向稳定性最有效的措施之一。减小销孔间的距离对加工精度有更高的要求,在现阶段国内的加工条件下,该技术要求完全可以实现。

1.2 大采高支架纵向稳定性分析

如果支架承受的力有纵向水平摩擦力,则底座比压与支架外载荷的合力作用位置必然发生变化,尤其是当支架承受向前的纵向水平力时,将引起底座合力作用点前移。支架高度变化大,合力作用点位置变化也大[3]。纵向水平力方向向前和向后时,底座合力作用点位置与支架高度密切相关。随着支架高度增大,当纵向水平力向前时,底座合力作用点逐渐超过底座前端,使支架倾倒,引起支架纵向失稳。对于大采高液压支架,为了其纵向稳定性得到保证,设计四连杆时,应使顶梁运动轨迹双纽线自上而下为朝向采面倾斜的曲线,在支架承载下降时,使顶梁可能向前滑动,摩擦力的方向一直不变,为采空区方向,所以纵向水平力一直向后,达到保证支架稳定的目的。

1.3 大采高工作面煤壁稳定性分析

由于在采空区方向工作面煤壁存在无阻力不受控制的自由面,所以平面应变是其力学分析简化的最佳模型[4]。当工作面煤壁采用仰斜开采方式时,则式(5)为片帮煤的重力W计算公式,式(6)为其重力形成的下滑力TW的计算公式。

(5)

式中:β为片帮滑落面与顶板的夹角,(°);γ为护帮力与煤壁的夹角,(°);H为液压支架支护高度,mm。

TW=Wcos(90°-α-β) .

(6)

式中:α为煤层倾角,(°)。

由式(6)可知,α对下滑力的大小有非常大的影响,如果α由俯斜7°变为仰斜7°,其下滑力将增大约一倍。如果工作环境为大采高工作面,通常来讲,俯斜开采是最常用的开采方式,有利于工作面片帮的减少。

煤的重量形成的摩擦力FW为:

FW=fWsin(90°-α-β) .

(7)

式中:f为摩擦系数。

护帮力在滑面形成的摩擦力FP为:

Fp=fPcos(γ+α+β) .

(8)

式中:P为液压支架互帮力,kN。

护帮力在滑面形成的下滑力TP为:

Tp=Psin(γ+α+β) .

(9)

片帮煤不滑落的条件如式(10)所示

TW=Fw+Tp+Fp.

(10)

由式(10)可知,护帮力越大,大面积片帮的可能性就越小。所以,增大互帮力和增加互帮面积是提高支架煤壁稳定性非常有效的措施之一。

2 液压支架运动稳定性仿真研究

运用动力学仿真软件Recurdyn对8.8 m高液压支架进行动力学仿真分析,首先运用Proe进行液压支架建模,全部升起高度为8.8 m,整机长度为10.6 m,架宽2.25 m,全部缩放为4.0 m。

将建好模型导入到仿真软件Recurdyn中,在两个立柱处施加5 s～10 s全部缩放的驱动,在顶板及侧板链接处施加0～1 s回缩驱动,在前挡板处施加7 s～10 s回缩驱动,如图2所示。

近年来，国内许多学者对校园贷问题进行过相关研究[2-6]．然而，现有文献大都是对校园贷问题进行定性研究，对校园贷问题进行定量研究还较少．虽然陈倩[7]在Logistic模型的基础上完成了对校园贷的分析，但所选取的指标较少．

图2 液压支架仿真模型Fig.2 Simulation model of hydraulic support

同时在各个连接处施加横向转动约束,在两柱之间施加固定约束,在底板和大地处施加固定约束,在连接刮板运输机处施加0～5 s的回缩驱动,由此实现液压支架的降架。如图3所示。

图3 液压支架降架过程Fig.3 Descending process of hydraulic support

在两立柱间添加固定约束,10 s～20 s处在两柱间添加驱动使其上升,在17 s～20 s处在前挡板添加使前挡板回缩的平移驱动,在顶梁和侧梁处添加收缩平移驱动,在连接刮板运输机处添加伸出平移驱动,完成支架的升起,如图4所示。同时,在顶梁及侧梁处添加10 t的压力。

图4 液压支架升架过程Fig.4 Ascending process of hydraulic support

完成支架的约束及驱动和载荷的添加后,进行仿真,仿真时间为20 s,步数为300步,得到液压支架在升降过程中所走过的轨迹曲线图,如图5所示。

图5 液压支架升降过程轨迹曲线Fig.5 Ascending and descending trajectories of hydraulic support

在纵向,支架向煤壁及采空区倾倒的滑移模块如图6所示,其主要受的力有:支架支撑力用Q表示,顶板的摩擦力用F1表示,支架的重力用W表示,作用在顶梁岩石的的重力用P表示,底板的摩擦力用F2表示,摩擦系数用f表示,纵向倾角用β表示。作用点Q的坐标用(e,h)表示, 作用点P的坐标用(r,h)表示,自重W作用点坐标用(xc,zc)表示,通常,r< 0,e> 0。

图6 支架纵向受力模型Fig.6 Longitudinal force model of hydraulic support

在纵向,支架可能朝着煤壁方向发生倾倒,如图6-1所示,避免倾倒的条件是关于O 点的倾倒力矩小于抗倾倒力矩,即

Qe+Wxccosβ+F1h≥Wzcsinβ+Phsinβ-Prcosβ.

(11)

在纵向,支架可能朝着采空区方向发生倾倒,如图6-2所示,避免发生倾倒的条件为倾倒力矩小于抗倾力矩,即

Q(l6-e)+W(l6-xc)cosβ+F1h+P(l6-r)cosβ≥Wzcsinβ+Phsinβ.

(12)

由公式(11)和(12)可知,支架在升、降架过程中满足支架不向前、不向后倾倒的条件,且极限角度范围为0～15°,所以支架在升、降过程中保持纵向稳定。

液压支架升降过程中,重心轨迹曲线图,如图7仿真所示,黑色线范围代表稳定范围,说明支架在升降过程中重心保持在稳定范围内。

图7 仿真支架重心升降过程曲线Fig.7 Ascending and descending trajectories of the gravity center of hydraulic support

3 液压支架稳定性措施研究

3.1 提高大采高支架横向稳定性的措施

提高大采高支架横向稳定性的措施主要有以下六点:

1)增大支架间距。

2)四连杆机构最大孔轴间隙为0.7 mm。

3)为了防止发生倒架故障,中间架必须在掩护梁和顶梁的活动侧安装护板,同时必须保证支架间距合理,防止出现咬架和挤架的现象,采取一定的技术措施使底座增大和提高结构稳定性。

4)使支架的组件强度和连接耳板强度增大,进而在支架横向歪斜的情况下使结构稳定性和抗扭性能得到一定保证。

5)在中间架的底座上安装千斤顶,达到对其横向下滑的预防的目的。

6)将支架的起始三架组成锚固站,有利于整个工作面横向稳定性的控制。

3.2 提高大采高支架纵向稳定性的措施

提高大采高支架纵向稳定性的措施主要有以下五点:

1)在四连杆机构设计中,使顶梁的双纽线运动轨迹自上而下为向工作面煤壁倾斜的曲线,保证水平摩擦力始终指向采空区。支架梁端曲线变化平稳,在支架从高到低的变化过程中,梁端距逐渐变小,顶梁向前运动。

2)支架应采用掩护梁紧凑型结构,尽量增大掩护梁与顶梁的背角,严格控制掩护梁的外漏量。

3)对支架的结构设计进行优化设计,使整机在力学性能方面必须达到俯采和仰采工况条件下的纵向稳定性要求。

4)在达到支架布置的空间要求的前提下,最大可能使无立柱空间减小和底座接地面积增大。

5)当进行仰采和俯采时,支架又多承受了一部分来自顶板的水平分力,因此对支架应加设具有一定抗水平力作用的机构,同时也应加强支架连接件和结构件强度[5]。

4 结束语

本文分析了8.8 m大采高液压支架稳定性的影响因素,重点对液压支架横向稳定性、纵向稳定性和煤壁稳定性进行了研究,并采用动力学仿真软件Recurdyn对8.8 m高液压支架进行了动力学仿真分析,最后给出了控制液压支架稳定性的方案,有效提高液压支架的支护能力,有利于8.8 m大采高工作面的安全生产。