基于ADAMS软件的液压支架顶梁负载特性分析

高志伟

（霍州煤电集团河津腾辉煤业有限责任公司，山西 河津 043300）

掩护式液压支架凭借着其结构简单、回撤方便、可靠性好等优点，被广泛应用于煤矿井下综采工作面支护。但因掩护式液压支架质量轻且采用

双排立柱式［1］支撑结构，其对井下复杂环境的适应性相对较低。为进一步提高该支护方式在井下综采面的适应性，本文提出采用ADAMS软件对液压支架顶梁的负载特性进行仿真分析，旨在获得掩护式液压支架顶梁承载调节和工作时的载荷平衡区，从而为优化掩护式液压支架结构提供参考。

1 工程背景

腾辉煤业井下综采面的煤层平均倾角为25.8°，煤层的平均厚度为3.6 m，煤层为极软煤层。井下综采面的长度约为156 m，综采面的最大推进长度约为969 m。煤层的底板为细砂岩，顶板为硬质砂岩，采用ZY3400/14/32 型支撑掩护式液压支架进行巷道支护，通过配平试验，该支架在支护时的稳定初撑力为15 582 kN。在综采扰动和矿压作用下，支架顶梁所受力的位置和大小不断变化，导致液压支架支护失稳情况经常发生，严重影响了煤矿井下综采作业安全性。因此迫切需要对不同力作用下的支架顶梁稳定性进行分析，为优化支架结构布置、提高支护稳定性奠定基础，腾辉煤业井下液压支架支护结构见图1。

图1 井下液压支架支护实物

2 数值模拟分析

1）数值建模

利用数值模拟软件建立液压支架的三维模型，将其导入到ADAMS仿真分析软件中，设置液压支架工作时的初撑力为15 400 kN，各个支柱工作时的载荷为11 600 kN，顶板来压步长为600步，其三维模型结构见图2。

图2 液压支架三维模型

2）液压支架单点支撑下载荷平衡区分析

通常情况下液压支架工作时的支护高度越高，其稳定性越差［2］，因此在对液压支架的载荷平衡区进行分析时，取ZY3400/14/32 型液压支架在最大工作高度情况下的结构特性，利用ADAMS软件对支架在单点支撑情况下的顶梁负载情况进行分析，结果见图3。

图3 液压支架在单点支撑情况下顶梁的负载变化曲线

由仿真分析结果可知，掩护式液压支架顶梁极限负载平衡特性曲线，呈现为渐进的双曲线分布，在沿着顶梁的纵向方向上，负载的平衡区域可分为最佳的负载区域（Ⅱ区）、千斤顶拉力作用区域（Ⅰ区）以及千斤顶推力作用区域（Ⅲ区）。当在最佳负载区时，支架的平衡千斤顶为外推的工作状态，顶梁的极限平衡负载随着顶板对顶梁负载作用位置的外移呈现出逐渐降低的趋势。当在千斤顶拉力作用区域和千斤顶推力作用区域，平衡千斤顶达到系统设定的稳定工作压力，当液压支架在该区域内时，液压支架千斤顶工作阻力的变化对支架平衡负载影响较小。

由于该型液压支架顶梁在端部的极限支撑力仅有约9 900 kN（图中蓝色虚线端部所示的平衡外载荷大小），远小于稳定液压支架所需的15 582 kN的初撑力要求，因此当井下顶板为不规则体或者破碎面时，极易使液压支架顶板的前端或者后端单独和顶梁接触，形成一种单点支撑的支护状态，使液压支架工作时的稳定性极大的降低。

3）液压支架顶梁水平受力对支架稳定性的影响

当煤矿井下综采工作面内的煤层顶板相对完整时，掩护式液压支架的顶梁能够和煤层顶板正常接触，但由于综采作业过程中采煤机截割顶板、煤层底板不平等因素影响，顶梁和煤层顶板的接触也不是完全的面接触，而是一种以承载立柱为分界点的双区域点接触，此工况下顶板和顶梁之间的水平摩擦力对支架支撑稳定性具有重要的作用［3］。

将液压支架正对着采空区的方向设置为摩擦力的正方向，根据井下顶板和顶梁接触时的特点，其摩擦因数f分别设置为0.3、0.2 和-0.2，用于对顶梁水平受力对支架平衡区的影响进行分析。为了便于对稳定区域进行定量判断，设置摩擦因数为0 时的平衡区域为最佳平衡区［4］（此时外载荷的值为基值），若在不同摩擦因数下的支架承载能力高于稳定区的基值，则说明此情况下为平衡稳定区，反之为不稳定区域，分析结果见图4。

图4 不同摩擦因数下支架承载能力变化曲线

由分析结果可知，随着作用在顶梁上水平力的增加可以提升液压支架最优平衡区域内的极限平衡载荷，但对于顶梁的支撑力和最优平衡区域范围的影响不大。这主要是由于在支架最优平衡区域内，支架主要靠支撑立柱来承受作用在顶梁上的外载荷，而作用在平衡千斤顶上的承载力较小。随着作用在顶梁上的水平力逐渐变大，此时支架顶梁和后侧掩护梁铰接点的作用力也逐渐增加，用于抵消水平力增加对顶梁不稳定性的影响。同时水平力的增加也使作用在顶梁上的平衡区域的合力逐渐移向支架顶梁后侧，使支架最优平衡区域的极限平衡载荷迅速增加。

综上分析，当回采工作面顶板对液压支架的顶梁产生指向采空区域的水平摩擦力时，摩擦力的增加有利于维护液压支架整体的稳定性，同时提高极限承载能力，能够显著增加掩护液压支架顶梁的负载能力，增强对井下顶板结构的适应性，提高井下的支护安全性。

3 结论

本文针对现有液压支架工作时对井下环境适应性差、顶梁负载能力不足的问题，在前人研究的基础上，结合掩护式液压支架的结构特点，利用ADAMS软件对支架顶梁在不同受力特性条件下顶梁的负载特性进行了分析，结果表明：

1）掩护式液压支架顶梁极限负载的平衡特性曲线呈现为渐进的双曲线分布，在沿着顶梁的纵向方向上，负载的平衡区域可分为最佳的负载区域（Ⅱ区）、千斤顶拉力作用区域（Ⅰ区）以及千斤顶推力作用区域（Ⅲ区），其中千斤顶拉力作用区代表了支架抗顶梁抬头的能力，千斤顶推力作用区代表了支架抗顶梁倾斜的能力；

2）综采工作面煤层顶板对液压支架的顶梁产生指向采空区域的水平摩擦力，有利于维护液压支架整体的稳定性，提高极限承载能力，增强对液压支架对顶板结构的适应性，提高综采工作面支护安全性。