液壓支架不同護(hù)幫機(jī)構(gòu)的防片幫效果分析

液壓支架不同護(hù)幫機(jī)構(gòu)的防片幫效果分析

經(jīng)過(guò)高開采和高綜合機(jī)械化開采，其產(chǎn)量高、效率高、布局簡(jiǎn)單、采收率高，已成為中國(guó)最重要的采礦方法之一。廣泛應(yīng)用于西山、邢臺(tái)、徐州、易學(xué)、阜新、龍口、開283、銅川、雙鴨山、淮南、干姜、勝福等礦區(qū)。然而,生產(chǎn)實(shí)踐表明:隨著采高的增加,煤壁發(fā)生片幫的幾率也增大,并由此容易引起端面冒頂,使工作面開采條件進(jìn)一步惡化,導(dǎo)致支架受力不均,引起支架部件損壞,極易引發(fā)頂板安全事故。目前,控制煤壁片幫和架前冒頂?shù)姆椒ㄖ饕?(1)提高支架初撐力;(2)帶壓移架;(3)快速移架;(4)減小支架梁端距;(5)采用合理的支架護(hù)幫機(jī)構(gòu)等。多年的大采高開采實(shí)踐表明:在工作面開采參數(shù)一定的條件下,通過(guò)給支架安設(shè)合理的護(hù)幫、護(hù)頂機(jī)構(gòu)是抑制煤壁片幫、防止架前冒頂?shù)淖钣行Х椒ā１疚尼槍?duì)目前國(guó)內(nèi)大采高液壓支架常用的4種護(hù)幫機(jī)構(gòu),以ZY17000/32/70D大采高液壓支架為例,采用力學(xué)分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對(duì)不同護(hù)幫機(jī)構(gòu)的工作原理、護(hù)幫能力進(jìn)行了詳細(xì)分析,并對(duì)其支護(hù)效果進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,最終確定最優(yōu)的支架護(hù)幫機(jī)構(gòu)形式。1工作面主要技術(shù)參數(shù)煤層厚度1.15~9.30m,平均5.87m,層位穩(wěn)定,厚度變化規(guī)律明顯,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,煤層傾角0~5°,普氏硬度系數(shù)f=2.5~3.0,韌性大。煤層含1~2層夾矸,夾矸厚0.06~0.75m,巖性為粉砂巖、泥巖。煤層頂板以細(xì)粒砂巖為主,局部為粉砂巖、中粒砂巖,厚度為1.60~32.00m。煤層底板為粉砂巖、細(xì)粒砂巖,厚度為0.65~14.75m。根據(jù)工作面地質(zhì)條件及礦井生產(chǎn)能力的要求,確定工作面采高6.0~6.8m,工作面傾斜長(zhǎng)度300m,采煤機(jī)截深為0.865m,液壓支架梁端距為0.8m。ZY17000/32/70D大采高液壓支架的主要技術(shù)參數(shù):型式為兩柱掩護(hù)式液壓支架;支架高度(最低/最高)為3200mm/7000mm;工作阻力為17000kN;支護(hù)強(qiáng)度為1.48MPa;中心距為2050mm。2支架頂梁護(hù)幫機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)目前,國(guó)內(nèi)液壓支架采用的護(hù)幫、護(hù)頂機(jī)構(gòu)主要有以下4種形式。(1)伸縮梁機(jī)構(gòu)(方案1)。支架頂梁形式為整體頂梁,頂梁前端設(shè)計(jì)抽屜式伸縮梁,伸縮梁千斤頂?shù)淖畲蠊ぷ髯枇?×314kN,如圖1所示。(2)護(hù)幫板機(jī)構(gòu)(方案2)。由于工作面采高較大,支架頂梁前端采用三級(jí)護(hù)幫機(jī)構(gòu),三級(jí)護(hù)幫板收回后與二級(jí)護(hù)幫板折疊,一級(jí)護(hù)幫千斤頂固定在頂梁上,通過(guò)小四連桿機(jī)構(gòu)與鉸接在頂梁上的一級(jí)護(hù)幫板相連,一級(jí)護(hù)幫千斤頂?shù)淖畲蠊ぷ髯枇?×616kN,護(hù)幫板可以挑平,如圖2所示。(3)伸縮梁和護(hù)幫板連體機(jī)構(gòu)(方案3)。支架頂梁前端設(shè)計(jì)抽屜式伸縮梁和三級(jí)護(hù)幫機(jī)構(gòu),一級(jí)護(hù)幫千斤頂?shù)幕钊麠U通過(guò)小四連桿機(jī)構(gòu)與鉸接在伸縮梁上一級(jí)護(hù)幫板相連,另一端通過(guò)托梁與伸縮梁連接。工作時(shí)伸縮梁帶動(dòng)護(hù)幫板前后移動(dòng),護(hù)幫板可以挑平,如圖3所示。(4)伸縮梁和護(hù)幫板分體機(jī)構(gòu)(方案4)。支架頂梁前端設(shè)計(jì)抽屜式伸縮梁和三級(jí)護(hù)幫機(jī)構(gòu),兩套機(jī)構(gòu)各自獨(dú)立、分別工作,一級(jí)護(hù)幫千斤頂固定在頂梁上,另一端與鉸接在頂梁上的一級(jí)護(hù)幫板相連,護(hù)幫板不能挑平,如圖4所示。3阿富汗的保護(hù)能力3.1頂梁受力的計(jì)算通過(guò)對(duì)支架進(jìn)行總體受力分析可知:支架在6.8m時(shí)的合力作用點(diǎn)位于距頂梁后端1355mm處,合力Q=17388kN。為了方便計(jì)算,將頂梁合力分解為作用于頂梁前端的支頂力和作用于頂梁后端的切頂力,根據(jù)力的平衡原理,當(dāng)支架頂梁不帶伸縮梁或伸縮梁處于收回狀態(tài)時(shí),支架的支頂力Q1=4965kN,支架的切頂力Q3=12423kN;當(dāng)支架伸縮梁處于伸出狀態(tài)時(shí),將頂梁合力分解為頂梁前端支頂力Q2=3401kN、伸縮梁前端支頂力Q1=1498kN和支架切頂力Q3=12489kN,如圖5所示。3.2不同組織的保護(hù)能力的確定3.2.1伸縮縫的頂力計(jì)算伸縮梁對(duì)煤壁的作用力包含摩擦力和伸縮梁千斤頂?shù)淖饔昧?。最大摩擦力的?jì)算方法為(圖6):將伸縮梁簡(jiǎn)化為一個(gè)杠桿,根據(jù)杠桿平衡原理、受力點(diǎn)的位置及伸縮梁前端支頂力,可以求出伸縮梁后端的反作用力Q4=2785kN,伸縮梁中部支點(diǎn)處所受的支撐力Q5=4283kN,伸縮梁與頂梁之間的摩擦因數(shù)按0.15計(jì)算,則伸縮梁頂住煤壁時(shí)所能承受的由摩擦力產(chǎn)生的最大反作用力為0.15×(2785+4283)≈1060kN。根據(jù)支架設(shè)計(jì)參數(shù)可知,伸縮梁頂住煤壁時(shí)所能承受的由伸縮梁千斤頂產(chǎn)生的最大反作用力為314×2=628kN。由此可得伸縮梁所能給予煤壁的最大反作用力為F4=1060+628=1688kN。3.2.2大支撐能力分析護(hù)幫板機(jī)構(gòu)為小四連桿護(hù)幫機(jī)構(gòu),為了得到護(hù)幫板能夠給予煤壁的最大支撐力,首先需要得到護(hù)幫千斤頂通過(guò)小四連桿機(jī)構(gòu)能夠傳遞到護(hù)幫板上的力。將護(hù)幫千斤頂、長(zhǎng)桿、短桿作為一個(gè)受力體(圖7),建立如下力學(xué)平衡方程式中,F1為長(zhǎng)桿所受的拉力;F2為短桿所受的壓力;F為護(hù)幫千斤頂?shù)淖畲笾文芰?取2×616kN;α為護(hù)幫千斤頂中心線與長(zhǎng)桿中心線之間的夾角,取59°;β為護(hù)幫千斤頂中心線與短桿中心線之間的夾角,取52°。通過(guò)對(duì)上式進(jìn)行求解可得將護(hù)幫板作為一個(gè)受力體并進(jìn)行受力分析(圖8)。由于護(hù)幫板與煤壁是面接觸,各點(diǎn)作用力的大小與作用點(diǎn)到護(hù)幫板上鉸點(diǎn)的距離成反比,因此,假設(shè)護(hù)幫板與煤壁完全接觸,沿高度方向單位長(zhǎng)度的作用力呈梯形分布,如圖2所示。根據(jù)梯形幾何性質(zhì)及力學(xué)原理,可以求出合力作用點(diǎn)距護(hù)幫板上接觸點(diǎn)的距離X及煤壁作用于護(hù)幫板上的最大合力F3的表達(dá)式為分析護(hù)幫板的受力,可以建立力矩平衡方程為求解式(2)、式(3)可得q1、q2的表達(dá)式為式中,M為力F2對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn)(即鉸接點(diǎn))力矩,其它各參數(shù)的物理意義如圖8所示。將各參數(shù)代入式(2)、(4),得q1=0.0782kN/mm,q2=0.0217kN/mm,F3=118kN,X=956mm。3.2.3計(jì)算每相線上市的q該機(jī)構(gòu)護(hù)幫板的工作原理與方案2相同,其力的計(jì)算方法也相同。將該機(jī)構(gòu)的有關(guān)參數(shù)代入式(2)、(4)可得q1=0.1297kN/mm,q2=0.0048kN/mm,F3=230kN,X=1183mm。由于該機(jī)構(gòu)中力F3遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于伸縮梁所能承受的最大水平力,因此,在護(hù)幫板承受最大力時(shí)不會(huì)將伸縮梁推回去。而由于結(jié)構(gòu)的限制,伸縮梁不能接觸煤壁,對(duì)煤壁不產(chǎn)生作用力。3.2.4梁機(jī)構(gòu)受力大小該方案護(hù)幫機(jī)構(gòu)的工作原理與方案2相同,伸縮梁機(jī)構(gòu)的工作原理與方案1相同,伸縮梁機(jī)構(gòu)受力大小也相同。將護(hù)幫機(jī)構(gòu)的有關(guān)幾何參數(shù)代入式(2)、(4),可得(力F2與護(hù)幫千斤頂?shù)淖畲笞饔昧ο嗤?q1=0.1053kN/mm,q2=0.0264kN/mm,F3=147kN,X=890mm。4煤壁支護(hù)方案對(duì)比為了對(duì)上述4種護(hù)幫機(jī)構(gòu)的護(hù)幫效果進(jìn)行比較,將上述計(jì)算結(jié)果施加到煤壁上,以ZY17000/32/70D型大采高支架在采高6.8m時(shí)圍巖狀況為基礎(chǔ)進(jìn)行了FLAC數(shù)值模擬分析,將護(hù)幫板的支護(hù)作用以梯形載荷的形式施加在煤壁上,計(jì)算過(guò)程中采用的巖石力學(xué)參數(shù)見表1,模擬分析結(jié)果如圖9所示。通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的垂直應(yīng)力云圖和破壞區(qū)分布圖進(jìn)行分析可得:(1)4種方案的工作面超前支承應(yīng)力分布規(guī)律基本相同,說(shuō)明液壓支架不論采用何種護(hù)幫機(jī)構(gòu),其對(duì)煤壁的作用力均有限,不足以改變工作面前方煤體的應(yīng)力分布規(guī)律,不能從根本上改變煤壁產(chǎn)生片幫的趨勢(shì),但是能夠延緩煤壁片幫的時(shí)間并保護(hù)工作面的安全。(2)比較應(yīng)力分布區(qū)域的位置,方案4的最大應(yīng)力區(qū)距煤壁的距離最小,說(shuō)明方案4可以延緩工作面超前支承應(yīng)力增加的速度和煤壁發(fā)生破壞的進(jìn)度。(3)比較4種方案煤壁破壞區(qū)范圍,方案1的破壞區(qū)范圍最大,方案4的破壞區(qū)范圍最小,4種方案的破壞區(qū)分別占煤壁總高度的78.6%、71.4%、78.6%、57.1%。這是由于方案1只有伸縮梁,其煤壁破壞區(qū)的范圍最大,靠近煤壁側(cè)煤體幾乎都發(fā)生了剪切破壞;方案2采用了護(hù)幫板,護(hù)幫板支護(hù)區(qū)域內(nèi)的煤壁由剪切破壞發(fā)展為彈性,說(shuō)明護(hù)幫板起到了一定的維護(hù)作用;方案3雖然護(hù)幫面積大,但單位面積的護(hù)幫力小,煤壁破壞情況也比較嚴(yán)重;方案4采用了伸縮梁和三級(jí)護(hù)幫分體結(jié)構(gòu),煤壁破壞區(qū)范圍最小,且在護(hù)幫范圍內(nèi)煤體由剪切破壞發(fā)展成為彈性,有利于抑制煤壁片幫。5煤壁片幫對(duì)比試驗(yàn)(1)伸縮梁和護(hù)幫板分體護(hù)幫機(jī)構(gòu)能夠充分發(fā)揮伸縮梁、護(hù)幫板各自的支撐