基于大采高液压支架的优化设计

2P11幅图表

摘要：在现场调研实测基础上，分析了浅埋煤层大采高工作面矿压显现规律，利用ANSYS软件，分析了大采高液压支架在实际工况中所出现的常见问题，提出了大采高液压支架常见问题在设计方面的改进措施。该研究为大采高液压支架的设计及使用维修提供了指导。

关键词：大采高；液压支架；支架稳定性

中图分类号：TD355文献标志码：A

前言

液压支架是煤矿综采的主要设备之一。其投资约占综采装备总投资额的60%以上[1]。它的作用主要是支护采场顶板，维护安全作业空间，推移工作面采运设备。在我国煤炭资源中，厚煤层及特厚煤层储量约占总储量的45.6%，厚煤层及特厚煤层原煤产量占到了全部产量的44.8%。华北、东北、华中和西北十三大煤炭基地的主采煤层多属厚煤层及特厚煤层，因此厚煤层及特厚的开采在我国煤炭生产中占有十分重要的地位[2-3]。其中，大采高液压支架是厚煤层综采的关键设备。有效的采场支护是大采高工作面安全生产的前提条件，大采高液压支架的稳定性、适应性、可靠性是决定大采高成败的关键因素[4-5]。由于大采高液压支架比一般支架受力更为复杂，对设计、制造和使用的技术要求高。它的性能和结构的可靠性以及对工作环境的适应性将影响整个综采工作面的安全生产。因此，设计一套合理的大采高液压支架对厚煤层开采有重要的意义[6-7]。本文针对大采高液压支架的工作特点，结合现场调研所得数据基础上，总结浅埋煤层大采高工作面矿压显现规律，利用ANSYS有限元分析软件对大采高液压支架进行强度分析，在此基础上，对其顶梁柱帽和底座柱窝处出现开裂、掩护梁腹板处开裂、支架漏矸，危害作业安全、底座前端扎底，推溜移架困难、平衡千斤顶损坏等常见情况在设计上做出了改进措施。优化了载能力，保证了合理足够的安全系数，改善了大采高液压支架的稳定性和可靠性。

1 浅埋煤层大采高工作面矿压显现规律及大采高液压支架存在的问题

浅埋煤层长壁工作面矿压显现的突出特点是顶板基岩沿全厚切落。来压期间有明显的顶板台阶下沉，来压时间短，动载明显。同时，从采场支护阻力影响因素可知，浅埋煤层工作面顶板压力随采高的增大而减少，随直接顶厚度的增大而增大，随推进速度的加快而减小。在一定程度上，加大采高和加快推进速度是浅埋煤层长壁开采工作面岩层控制的经济而有效的途径。从工作面的观测数据也可以发现，保持较高的初撑力和工作阻力能够维持顶板稳定，控制顶板台阶下沉。

大采高液压支架的特殊矿压显现规律，使其在使用过程中常出现的问题有，顶梁柱帽和底座柱窝处出现开裂、掩护梁腹板处开裂、支架漏矸，危害作业安全、底座前端扎底，推溜移架困难、平衡千斤顶损坏。

2 大采高液压支架的设计改进措施

2.1 支架横向稳定性

由于支架高宽比过大，加之零部件间隙过大，当使用在倾角大于12左右的煤层时，形成支架顶梁组件向支架顶、底面垂直线的倾斜下方严重偏移，受载后使支架零部件损坏、甚至倾倒。这种削弱的稳定性容易造成下列问题：（1）支架倾倒、支撑效果不佳；（2）支架受力恶劣、承载能力下降；（3）顶板管理困难。

顶梁横向偏移后的支架受力情况如图1及图2所示，可以看出，（1）合力作用点偏移，对支架中心的力矩为：M1=FΔ；（2）横向摩擦力fF对支架产生力矩M2=fFH，对顶梁、底座等产生横向弯曲，而掩护梁、前后连杆受扭曲；（3）附加力矩M对顶梁、掩护梁及立柱产生横向弯曲，且使前后连杆受力增大；使立柱及连杆等结构件过早损坏。

图1支架横向偏移受力图图2 支架横向偏移轴孔间隙

F――作用合力； d――铰接销轴直径；

fF――横向摩擦力；D――铰接孔直径；

M――附加力矩； B――外铰接耳座宽度；

――横向偏移量；b――内铰接耳座；

1顶梁 2掩护梁 3四连杆 4底座

图3 整架受力云图图4 顶梁偏载各主要件应力值

大采高液压支架精简化模型后，利用ANSYS软件，对支架整体横向受力分析，结果如图3所示，可以看出顶梁和掩护梁受力比较严重。由图4可以看出从顶梁到掩护梁再到四连杆及底座应力值逐渐减小。这种变形趋势为设计支架进行材料布置提供依据，支架变形大的部位多用塑性好的材料，支架变形小且应力大的部位多用强度高的材料。在反复设计、受力分析的基础上。重点分析了支架高度为7m时，轴孔间隙对立柱横向偏斜角、顶梁横向偏移量的影响，其结果如表1所示。

表1 不同轴孔间隙下立柱偏斜角和顶梁偏移量

轴孔间隙 立柱横向偏斜角 顶梁横向偏移量

1.5mm 1.39° 170mm

1mm 0.9° 110mm

0.75mm 0.7° 85mm

0.5mm 0.45° 58.5mm

2.2 支架顶梁柱帽和底座柱窝处焊缝出现开裂

液压支架实际工作中，在矿压显现明显，特别是有冲击矿压时，顶梁的柱帽或底座的柱窝与主筋及横筋的周围角焊缝有时就会开裂。开焊处和柱帽或柱窝处的立柱就不能正常工作，起不到有效的支护作用。因此，有必要对其受力情况进行分析。

在设计过程 ，在支架顶梁柱帽上和底座柱窝下各垫20-30mm厚的高强板，长度不小于柱窝的1.5倍，可以提高柱窝处顶底板的承载能力。图5为采用ANSYS软件分析顶梁柱窝处的受力云图，其中，（a）和图（b）分别为修改前、后的柱窝处应力分布情况。可以发现，支架在两端集中载荷时，柱窝受力比较严重。在设计过程中，对柱窝的设计进行了特殊的处理。修改前的柱窝处应力值约为1.74×108Pa，修改后的明显减小，其值约为0.12×108Pa。应力集中情况得到改善，改进后的结构受力大大好转，其结构更加合理。

图5 顶梁柱窝处的受力图：（a）顶梁修改前受力图 （b） 顶梁修改后受力图

经过修改后的底座及顶梁设计如图6、图7所示，在强度较和及现场所反映数据得出，修改后的设计很好的解决了柱帽和柱窝开裂的情况。

图6 设计后的底座柱窝图7 设计后的顶梁柱窝

2.3 掩护梁腹板处开裂问题

大采高液压支架由于受力更为复杂，在底座与顶梁发生水平错动并产生扭转变形时将造成掩护梁腹板处开裂。掩护梁腹板的开裂造成四连杆机构的变形，使液压支架不能有效支护顶板，造成支架受力状态恶劣，影响安全生产。

一般在顶梁偏载情况下，掩护梁和前后连杆处于最严重的受力状态，所以需要对这种情况下的掩护梁和前后连杆应力状态进行考察。从图8的云图上看出，最大应力点位于盖板与筋板交界处，现场资料也得出掩护梁在这种工况下，容易开裂。

图8 掩护梁受力云图

针对掩护梁腹板开裂，横筋采用了交错布置，避免应力集中；腹板上方增加加强板，提高抗弯扭能力。利用ANSYS有限元软件，分析得出的受力云图，可以很直观的看出，掩护梁最大受力位置，在设计制造过程中可以根据不同部位采用不用材料的钢材提高支架强度和减轻支架重量。

2.4 支架漏矸问题

随着采高越来越高，支架在工作过程别是移架时，难免有矸石落入顶梁和掩护梁的铰接孔处并进入支架，这影响了支架顶梁与掩护梁的配合，严重危害了作业安全。

在设计方面做如下两种改进措施：

（1）顶梁与掩护梁的活动配合采用圆弧板互相包容式结构，间隙控制小于10mm，防止破碎矸石漏入支架内。

（2）顶梁与掩护梁铰接处侧护板上过孔加堵处理，如图9所示，移架后矸石也不会通过此处漏入架内。

图9 掩护梁与顶梁铰接图10 抬底千斤顶

2.5底座前端扎底问题

针对底座前段扎底，推溜移架困难的问题，设置了抬底千斤顶，如图10所示。这种设计将抬底千斤顶设置在过桥前端，使抬底力作用点更远离支架重心，增大了抬底力的作用效率，这样在擦顶移架的情况下，仍能抬起支架,方便了移架，同时，也为便于安装与拆卸提供了方便。

图11 结构件耳子拉裂、销轴变形

2.6 平衡千斤顶损破坏问题

两柱式掩护式支架的平衡千斤顶在掩护梁与顶梁间夹角过大时，使平衡千斤顶活塞杆全部伸出形成刚性受力时，造成导向套被拉出缸口或结构件耳子拉裂、销轴变形,如图11所示。针对这个问题，在设计方面做了如下改进措施：（1）设置机械限位装置控制顶梁与掩护梁的最大夹角不超过175°；（2）预留富裕行程40mm以上；（3）设置大流量安全阀。

结论

针对大采高液压支架的横向稳定性、支架顶梁柱帽和底座柱窝处焊缝出现开裂的情况、支架支护移架中漏矸，危害作业安全等在设计上做了具体解决措施，同时，结合ANSYS有限元分析软件对设计修改后的液压支架进行了强度分析。经过改进后的大采高液压支架在实际工作中取得了良好的使用效果。为大采高液压支架今后的发展提供了理论和技术的支持。

参考文献

[1]王国法等.高端液压支架及先进制造技术[M]. 北京：煤炭工业出版社，2010.

[2]张银亮，赵军.国产大采高液压支架的研究现状与发展趋势[J].煤矿开采，2008，12（6）：1-3.

[3]宪锐等.我国厚煤层开采方法的选择原则与发展现状[J].煤矿科学技术，2009，1（1）：39-44.

[4]王国法.大采高技术与大采高液压支架的开发研究[J] .煤矿开采，2009，2（1）：1-4.

[5]李军.大采高液压支架适应性与稳定新分析[J]，问题探讨，2009，11（11）：48-50.

[6]孟凡龙，孟二存.液压支架柱帽和柱窝设计制造的研究[J ].煤矿开采， 2005，4（2）：85-86.

[7]Qin.Dongchen Hydraulic support development based on virtual prototype collaborative development platform, Advanced Materials Research，2011，1408-1411.