液压支架不同护帮机构的防片帮效果分析

液压支架不同护帮机构的防片帮效果分析

经过高开采和高综合机械化开采，其产量高、效率高、布局简单、采收率高，已成为中国最重要的采矿方法之一。广泛应用于西山、邢台、徐州、易学、阜新、龙口、开283、铜川、双鸭山、淮南、干姜、胜福等矿区。然而,生产实践表明:随着采高的增加,煤壁发生片帮的几率也增大,并由此容易引起端面冒顶,使工作面开采条件进一步恶化,导致支架受力不均,引起支架部件损坏,极易引发顶板安全事故。目前,控制煤壁片帮和架前冒顶的方法主要有:(1)提高支架初撑力;(2)带压移架;(3)快速移架;(4)减小支架梁端距;(5)采用合理的支架护帮机构等。多年的大采高开采实践表明:在工作面开采参数一定的条件下,通过给支架安设合理的护帮、护顶机构是抑制煤壁片帮、防止架前冒顶的最有效方法。本文针对目前国内大采高液压支架常用的4种护帮机构,以ZY17000/32/70D大采高液压支架为例,采用力学分析与数值模拟相结合的方法,对不同护帮机构的工作原理、护帮能力进行了详细分析,并对其支护效果进行数值模拟计算,最终确定最优的支架护帮机构形式。1工作面主要技术参数煤层厚度1.15~9.30m,平均5.87m,层位稳定,厚度变化规律明显,结构简单,煤层倾角0~5°,普氏硬度系数f=2.5~3.0,韧性大。煤层含1~2层夹矸,夹矸厚0.06~0.75m,岩性为粉砂岩、泥岩。煤层顶板以细粒砂岩为主,局部为粉砂岩、中粒砂岩,厚度为1.60~32.00m。煤层底板为粉砂岩、细粒砂岩,厚度为0.65~14.75m。根据工作面地质条件及矿井生产能力的要求,确定工作面采高6.0~6.8m,工作面倾斜长度300m,采煤机截深为0.865m,液压支架梁端距为0.8m。ZY17000/32/70D大采高液压支架的主要技术参数:型式为两柱掩护式液压支架;支架高度(最低/最高)为3200mm/7000mm;工作阻力为17000kN;支护强度为1.48MPa;中心距为2050mm。2支架顶梁护帮机构设计目前,国内液压支架采用的护帮、护顶机构主要有以下4种形式。(1)伸缩梁机构(方案1)。支架顶梁形式为整体顶梁,顶梁前端设计抽屉式伸缩梁,伸缩梁千斤顶的最大工作阻力为2×314kN,如图1所示。(2)护帮板机构(方案2)。由于工作面采高较大,支架顶梁前端采用三级护帮机构,三级护帮板收回后与二级护帮板折叠,一级护帮千斤顶固定在顶梁上,通过小四连杆机构与铰接在顶梁上的一级护帮板相连,一级护帮千斤顶的最大工作阻力为2×616kN,护帮板可以挑平,如图2所示。(3)伸缩梁和护帮板连体机构(方案3)。支架顶梁前端设计抽屉式伸缩梁和三级护帮机构,一级护帮千斤顶的活塞杆通过小四连杆机构与铰接在伸缩梁上一级护帮板相连,另一端通过托梁与伸缩梁连接。工作时伸缩梁带动护帮板前后移动,护帮板可以挑平,如图3所示。(4)伸缩梁和护帮板分体机构(方案4)。支架顶梁前端设计抽屉式伸缩梁和三级护帮机构,两套机构各自独立、分别工作,一级护帮千斤顶固定在顶梁上,另一端与铰接在顶梁上的一级护帮板相连,护帮板不能挑平,如图4所示。3阿富汗的保护能力3.1顶梁受力的计算通过对支架进行总体受力分析可知:支架在6.8m时的合力作用点位于距顶梁后端1355mm处,合力Q=17388kN。为了方便计算,将顶梁合力分解为作用于顶梁前端的支顶力和作用于顶梁后端的切顶力,根据力的平衡原理,当支架顶梁不带伸缩梁或伸缩梁处于收回状态时,支架的支顶力Q1=4965kN,支架的切顶力Q3=12423kN;当支架伸缩梁处于伸出状态时,将顶梁合力分解为顶梁前端支顶力Q2=3401kN、伸缩梁前端支顶力Q1=1498kN和支架切顶力Q3=12489kN,如图5所示。3.2不同组织的保护能力的确定3.2.1伸缩缝的顶力计算伸缩梁对煤壁的作用力包含摩擦力和伸缩梁千斤顶的作用力。最大摩擦力的计算方法为(图6):将伸缩梁简化为一个杠杆,根据杠杆平衡原理、受力点的位置及伸缩梁前端支顶力,可以求出伸缩梁后端的反作用力Q4=2785kN,伸缩梁中部支点处所受的支撑力Q5=4283kN,伸缩梁与顶梁之间的摩擦因数按0.15计算,则伸缩梁顶住煤壁时所能承受的由摩擦力产生的最大反作用力为0.15×(2785+4283)≈1060kN。根据支架设计参数可知,伸缩梁顶住煤壁时所能承受的由伸缩梁千斤顶产生的最大反作用力为314×2=628kN。由此可得伸缩梁所能给予煤壁的最大反作用力为F4=1060+628=1688kN。3.2.2大支撑能力分析护帮板机构为小四连杆护帮机构,为了得到护帮板能够给予煤壁的最大支撑力,首先需要得到护帮千斤顶通过小四连杆机构能够传递到护帮板上的力。将护帮千斤顶、长杆、短杆作为一个受力体(图7),建立如下力学平衡方程式中,F1为长杆所受的拉力;F2为短杆所受的压力;F为护帮千斤顶的最大支撑能力,取2×616kN;α为护帮千斤顶中心线与长杆中心线之间的夹角,取59°;β为护帮千斤顶中心线与短杆中心线之间的夹角,取52°。通过对上式进行求解可得将护帮板作为一个受力体并进行受力分析(图8)。由于护帮板与煤壁是面接触,各点作用力的大小与作用点到护帮板上铰点的距离成反比,因此,假设护帮板与煤壁完全接触,沿高度方向单位长度的作用力呈梯形分布,如图2所示。根据梯形几何性质及力学原理,可以求出合力作用点距护帮板上接触点的距离X及煤壁作用于护帮板上的最大合力F3的表达式为分析护帮板的受力,可以建立力矩平衡方程为求解式(2)、式(3)可得q1、q2的表达式为式中,M为力F2对坐标原点(即铰接点)力矩,其它各参数的物理意义如图8所示。将各参数代入式(2)、(4),得q1=0.0782kN/mm,q2=0.0217kN/mm,F3=118kN,X=956mm。3.2.3计算每相线上市的q该机构护帮板的工作原理与方案2相同,其力的计算方法也相同。将该机构的有关参数代入式(2)、(4)可得q1=0.1297kN/mm,q2=0.0048kN/mm,F3=230kN,X=1183mm。由于该机构中力F3远远小于伸缩梁所能承受的最大水平力,因此,在护帮板承受最大力时不会将伸缩梁推回去。而由于结构的限制,伸缩梁不能接触煤壁,对煤壁不产生作用力。3.2.4梁机构受力大小该方案护帮机构的工作原理与方案2相同,伸缩梁机构的工作原理与方案1相同,伸缩梁机构受力大小也相同。将护帮机构的有关几何参数代入式(2)、(4),可得(力F2与护帮千斤顶的最大作用力相同)q1=0.1053kN/mm,q2=0.0264kN/mm,F3=147kN,X=890mm。4煤壁支护方案对比为了对上述4种护帮机构的护帮效果进行比较,将上述计算结果施加到煤壁上,以ZY17000/32/70D型大采高支架在采高6.8m时围岩状况为基础进行了FLAC数值模拟分析,将护帮板的支护作用以梯形载荷的形式施加在煤壁上,计算过程中采用的岩石力学参数见表1,模拟分析结果如图9所示。通过对数值模拟结果的垂直应力云图和破坏区分布图进行分析可得:(1)4种方案的工作面超前支承应力分布规律基本相同,说明液压支架不论采用何种护帮机构,其对煤壁的作用力均有限,不足以改变工作面前方煤体的应力分布规律,不能从根本上改变煤壁产生片帮的趋势,但是能够延缓煤壁片帮的时间并保护工作面的安全。(2)比较应力分布区域的位置,方案4的最大应力区距煤壁的距离最小,说明方案4可以延缓工作面超前支承应力增加的速度和煤壁发生破坏的进度。(3)比较4种方案煤壁破坏区范围,方案1的破坏区范围最大,方案4的破坏区范围最小,4种方案的破坏区分别占煤壁总高度的78.6%、71.4%、78.6%、57.1%。这是由于方案1只有伸缩梁,其煤壁破坏区的范围最大,靠近煤壁侧煤体几乎都发生了剪切破坏;方案2采用了护帮板,护帮板支护区域内的煤壁由剪切破坏发展为弹性,说明护帮板起到了一定的维护作用;方案3虽然护帮面积大,但单位面积的护帮力小,煤壁破坏情况也比较严重;方案4采用了伸缩梁和三级护帮分体结构,煤壁破坏区范围最小,且在护帮范围内煤体由剪切破坏发展成为弹性,有利于抑制煤壁片帮。5煤壁片帮对比试验(1)伸缩梁和护帮板分体护帮机构能够充分发挥伸缩梁、护帮板各自的支撑