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第 24 卷 第 3期 2007 年 09 月 采矿与安全工程学报 Journal of Mining 江苏省研究生培养创新工程项目 x m04 48 作者简介 杨培举 1977 , 男, 山东省嘉祥县人, 助教, 博士, 从事采矿工程方面的研究. Email ypeiju126. com Tel 051683883942 文章编号 167333632007 030278 05 平衡千斤顶对放顶煤两柱掩护支架适应性的作用 杨培举1, 刘长友1, 韩纪志2, 刘 奎3 1. 中国矿业大学 能源与安全工程学院, 江苏 徐州 221008; 2. 兖矿集团公司 兴隆庄煤矿, 山东 兖州 272400; 3. 煤炭科学研究总院重庆研究院 粉尘研究所, 重庆 400037 摘要 针对两柱掩护式支架在放顶煤工作面出现的因位态不合理而引起支架围岩状态恶化的情 况, 对平衡千斤顶在放顶煤两柱掩护支架适应性的作用进行了探讨. 采用理论分析及现场实测的 方法研究了支架位态、 支架稳定性、 工作面端面顶煤的稳定性及四连杆受力与平衡千斤顶工作方 式及工作阻力之间的关系. 分析结果表明, 通过平衡千斤顶可以控制移架过程中顶梁仰角的变 化, 并可调节支架各部位受力以适应放煤过程中顶梁外载的变化, 从而提高了两柱式支架对放顶 煤工作面围岩活动规律的适应性. 研究结果对于现场操作及新架型的改进都有一定的指导作用. 关键词 平衡千斤顶; 两柱掩护式支架; 放顶煤; 四连杆 中图分类号 TD 355. 42 文献标识码 A Role of Equilibrium Jack in Adaptability of 2Leg Shield Support of Top Coal Caving YANG Peiju 1, LIU Changyou1, HAN Jizhi2, LIU Kui3 1. School of Mineral and Safety Engineering, China University of Mining 2. Xinglongzhuang Coalmine, Yankuang Group, Yanzhou, Sandong 272400, China; 3. Dust Institute, Chongqing branch of China Coal Research Institute, Chongqing 400037, China Abstract In order to solve the problem of supportstrata worsening induced by improper sup porting in topcoal caving working face, the role of equilibrium jack in adaptability of 2leg shield support is studied. The relations of support state, stability of support and top coal above the working face, stress condition of four bar linkage with the strength situation of the equilib rium jack were theoretically analyzed and insitu observed. The results show that the variation in elevation angle of roof beam can be controlled by the equilibrium jack in moving support and the stress at different parts can be adjusted according to the variation of the support load in coal caving process, greatly improving the adaptability of the 2leg shield support in topcoal caving working face. Key words equilibrium jack; 2leg shield support; topcoal caving; four bar linkage 综采放顶煤技术自 1982 年在我国引进使用以 来, 经过 20 多年的发展, 已成为我国开采厚煤层并 实现高产高效的工艺方式. 作为综放技术核心设备 的液压支架的发展一直是综放技术发展中的关键 因素. 目前广泛应用的四柱支撑掩护式放顶煤液压 支架在综放开采中发挥了重要作用. 但大量的现场 实践证明, 支架的前后立柱受力不均, 工作阻力利 用率低, 支架结构件易损等问题普遍存在[ 13], 说明 其存在着与放顶煤开采的支架围岩关系不相适应 之处, 阻碍了放顶煤技术的更大发展. 第 3 期杨培举等 平衡千斤顶对放顶煤两柱掩护支架适应性的作用 兖矿集团公司在分析总结四柱支撑掩护式放 顶煤液压支架承载特征的基础上, 结合放顶煤开采 中煤岩的动态破坏规律和支架围岩关系, 提出了放 顶煤两柱掩护式支架的概念, 并根据现场条件设计 制造了相应的新架型 ZFY6800/ 18. 5/ 35, 在兴隆 庄煤矿 4301 面进行的工业性试验中取得了良好效 果, 对于放顶煤开采技术的进步和发展具有重要的 现实意义. 受放煤工艺的影响, 支架外载处在一个动态变 化的过程中, 综放面液压支架受力比普通综采条件 下复杂. 在工业性试验前期, 由于未正确掌握平衡 千斤顶的作用, 影响了支架的支护效果, 支架普遍 出现了 高射炮位态, 造成片帮冒顶严重. 经分析, 未能有效发挥平衡千斤顶的作用是造成问题的关 键. 在正确认识平衡千斤顶力学作用基础上, 加强 了对移架操作的管理, 改善了工作面支护质量, 保 证了放顶煤两柱掩护式支架工业性试验的成功. 本 文基于 ZFY6800/ 18. 5/ 35 架型, 分析平衡千斤顶 对两柱掩护式支架适应性的影响, 以期对该架型的 改进及在生产实践中更好地发挥支护作用提供指 导和借鉴. 1 平衡千斤顶对于支架位态的影响 在两柱掩护式支架工作面, 支架位态是影响直 接顶稳定性的重要因素, 支架顶梁俯仰角过大时易 引起工作的片帮冒顶, 造成支护状态恶化 [ 45] . 现场 观测表明, 在放顶煤开采条件下, 升架过程对两柱 式支架工作位态有重要影响, 该过程中, 平衡千斤 顶是影响支架位态的主要因素. 图 1 为升架过程中支架的受力环境. 图 1 支架升架过程中支架的受力环境 Fig. 1 Mechanical state of the support in rising progress 在升架过程中, 由于顶煤的循环下沉量使得支 架顶梁尾端先接顶, 如图 1 实线部分所示. 在此后 立柱升起的过程中, 平衡千斤顶受拉而使环形腔受 压. 在平衡千斤顶环形腔能力足够大时, 顶梁、 掩护 梁和平衡千斤顶组成一个稳定的三角形构架, 该构 架在立柱与四连杆的支撑下, 能克服顶梁后部松散 顶煤的压力而平稳上升, 直到顶梁前端接顶; 如平 衡千斤顶不起作用, 或环形腔能力不够, 支架顶梁 在立柱的推力作用下, 就会产生绕顶梁与掩护梁铰 点的转动, 直到顶梁前端接顶, 如图 1 虚线部分所 示. 在平衡千斤顶环形腔不起作用或能力不够的情 况下, 随着工作面的推进, 顶煤的循环下沉量将造 成顶梁的持续抬头, 当抬头超过合理的工作位态, 形成 高射炮状态, 引起支护质量的恶化. 工业性试验前期, 升架过程中立柱带动顶梁与 掩护梁的夹角张开过大, 平衡千斤顶环形腔安全阀 开启率达到了 100 . 由于安全阀喷嘴方向设计不 合理, 喷液方向正对支架工, 造成支架工有时不对 平衡千斤顶环形腔供液, 从而使平衡千斤顶在升架 时被迫拉伸, 当顶板状态不好时, 加剧了支架的 高 射炮状态. 不合理的支架位态引起了严重的片帮冒顶, 被 迫采用铺网的方式来控制松散的端面顶板. 经加强 管理, 升架时必须对平衡千斤顶环形腔供液, 使支 架逐步恢复到了合理的工作位态, 工作面支护质量 获得了改善. 2 平衡千斤顶对顶梁承载能力的调节 理论分析结果表明 [ 67] , 当建立图 2 所示的力 学模型时, 支架顶梁外载合力与立柱工作阻力、 平 衡千斤顶工作阻力及掩护梁外载等存在如下关系. 图 2 两柱掩护式支架力学特性分析模型 Fig. 2 Mechanical model of 2leg shield support Q1x Pscos b lp/ cos f Qh - Pshsin - Wc/ x b , Q2x Pslp Z-l / x , Q3x Pslp- Zl / x , 1 279 采矿与安全工程学报第 24 卷 式中 Ps为立柱额定工作阻力合力, kN; Z为平衡 千斤顶额定推工作阻力合力, kN; Z-为平衡千斤 顶额定拉工作阻力合力, kN; f 为顶梁与顶板间摩 擦系数; W 为掩护梁上所受矸石的作用力, kN; 其 余参数见图 2. 由式 1 得相应的支架顶梁的承载能力分布如 图 3 所示. 两柱掩护式支架承载能力区由以下 3个 区域组成, 即 平衡千斤顶受拉工作区、 立柱工作区 和平衡千斤顶受压工作区. 图 3 两柱掩护式支架承载能力区 Fig. 3 Load bearing capacity zones of 2 leg shield support 根据式 1 , Q2x , Q3x 分别与平衡千斤顶 活塞腔和环形腔额定工作阻力呈正比关系. 当平衡 千斤顶不发挥作用时, 即 Z 0, 则 A1, A3区的承 载能力将消失, 只有外载合力作用点处于 A2区时 才能保持支架的稳定性. 随着平衡千斤顶额定工作 阻力的提高, 支架顶梁承载能力分布将如图 3 中虚 线所示的平衡千斤顶工作阻力提高, 相应提高了支 架顶梁前后端的承载能力, 在顶梁外载合力作用点 沿顶梁变化时, 可保持支架的稳定. 对放顶煤工作 面支架顶梁外载的观测表明, 受放煤工序的影响, 在每个作业循环内, 顶梁外载合力作用点变化较 大, 大多情况呈由 A3区过渡到 A1的动态过程, 因 此要求放顶煤两柱掩护式支架的平衡千斤顶的额 定阻力比普通综采面工作阻力高. 3 平衡千斤顶对支架顶煤稳定性的影响 3. 1 平衡千斤顶对保持支架稳定性的作用 表 1 为现场观测支架顶梁外载的变化情况. 移 架后顶梁外载合力为一个逐步增大的过程, 且顶梁 外载合力作用点由后向前移动. 放煤后顶梁外载相 对于放煤前大幅下降, 外载合力作用点由立柱柱窝 后移到了柱窝前. 由此可见支架顶梁的外载处在一 个变化相对剧烈的过程中, 因此要求支架能够自动 调节顶梁的承载能力, 以保持支架承载中的稳定 性. 表 1 支架顶梁外载随生产工序的变化 Table 1 The variation of the support load bearing with different working procedure 序号工序 顶梁外载/ kN 顶梁外载与竖直 方向夹角/ 顶梁外载 作用点*/ m 1 放煤前4382. 826- 60 放煤后2123. 6413- 388 移架后2226. 2512169 2 放煤前4435. 38624 放煤后3214. 2611- 418 移架后2186. 2813164 3 放煤前3500.1556 放煤后4519.089- 346 移架后4309.66153 4 放煤前3404. 525- 76 放煤后2482. 929- 286 移架后2047. 56112 5 放煤前4583. 524- 87 放煤后2685. 429- 398 移架后3290. 94179 注 * 正值为立柱上柱窝后距离, 负值为柱窝前距离. 在不考虑掩护梁外载的情况下, 支架顶梁在外 载作用下的运动趋势如图 4 所示. 假设平衡千斤顶 不起作用, 当外载合力作用点位于立柱后方时, 顶 梁旋转的结果是后端阻力下降, 前端阻力上升, 合 力作用点前移; 当外载合力作用点位于立柱前方 时, 顶梁旋转的结果是前端阻力下降, 后端阻力上 升, 合力作用点后移. 平衡千斤顶不起作用时, 支架 能通过顶梁的旋转来调节其外载合力的作用点, 使 其稳定在立柱上柱窝点附近, 这对发挥立柱的支护 效率有利, 但对支架的稳定性不利, 造成支架顶梁 的抬头或低头现象. 图 4 支架顶梁在外载作用下的运动趋势 Fig. 4 Canopy moving tendency of the support under loading of overburden 设平衡千斤顶阻力足够大, 当外载合力作用点 位于立柱后方时, 平衡千斤顶受拉而使环形腔起作 用; 外载合力作用点位于立柱前方时, 平衡千斤顶 受压而使活塞腔起作用. 可见, 平衡千斤顶能根据 顶梁外载的变化, 自动调节两腔的工作状态来阻挡 顶梁的旋转趋势, 使顶梁外载合力的作用点保持相 对稳定, 从而保持支架的稳定. 虽然外载合力作用 在 A2, A3平衡区 图 3 不利于立柱支护能力的发 挥, 但矿压显现相对缓和, 而对支架与端面顶煤稳 定性要求高的放顶煤工作面[ 810], 平衡千斤顶的这 280 第 3 期杨培举等 平衡千斤顶对放顶煤两柱掩护支架适应性的作用 种调节作用是有利的. 3. 2 平衡千斤顶对保持工作面端面顶煤稳定性的 作用 放煤工艺结束后, 由于顶梁后部放空而使外载 分布前移. 平衡千斤顶的作用应使顶梁前端有足够 的支承力, 使工作面端面顶煤保持稳定. 对放煤前、 后平衡千斤顶受力的实测结果 表 2 分析, 表明放 煤工序造成平衡千斤顶前腔受力减小, 后腔受力增 大, 后腔与前腔的压力差增大, 提高了支架顶梁端 的承载能力, 将使端面顶煤内能够保持较高内力, 有利于保持稳定. 表 2 放煤前、 后立柱及平衡千斤顶受力 Table 2 Forces of the the equilibriam jack before or after top coal caving 前腔阻力/ kN 最大值平均值 后腔阻力/ kN 最大值平均值 放煤前559. 4243. 533 301 246. 0572. 150 放煤后200. 453. 016 671 907. 11 385. 833 对安全阀开启率及采煤工作面片帮冒顶状态 的统计结果 表 3, 表 4 分析, 表明在升架过程结束 后, 支架立柱与平衡千斤顶的设计工作阻力满足了 工作面顶板压力变化, 在平衡千斤顶的调节作用 下, 工作面煤壁与端面顶煤保持了较好的稳定. 因 此, 只要立柱与平衡千斤顶有足够的工作阻力, 两 柱掩护式支架能够适应放煤工作面的矿压显现规 律, 并能取得良好的支护效果. 表 3 放煤后立柱与平衡千斤顶安全阀开启率统计 Table 3 Opening proportion of the safety valve in equilibriam jack and props 平衡千斤顶环形腔平衡千斤顶活塞腔立 柱 016. 70 表 4 煤壁片帮冒顶统计 Table 4 Statistic of the rib spalling and roof collapse 片帮深度/ mm 平均值最大值 顶板冒落高度 平均值/ mm最大值/ mm破碎度/ 4309402135151. 6 4 平衡千斤顶对四连杆受力的影响 在不考虑掩护梁外载的情况下, 当平衡千斤顶 不起作用时, 顶梁外载合力作用点只能作用在立柱 工作区, 掩护梁与四连杆组成的机构不承受来自顶 梁与掩护铰结点的任何外力, 所以四连杆此时内力 为零. 由此可见, 掩护梁未承载时, 两柱掩护式支架 四连杆受力取决于平衡千斤顶的工作状态. 为分析平衡千斤顶对四连杆受力的影响, 根据 力的叠加原理, 可不考虑掩护外载作用. 以下的分 析未考虑掩护梁的外载. 当顶梁外载作用点位于平衡千斤顶受拉 压 工作区, 且立柱与千斤顶达到额定工作阻力时, 图 2 中取顶梁与掩护梁为隔离体, 则 Fx 0, Pssin - f Qh - PAcos - PBcos 0 , 2 Fy 0, Pscos - Q PAsin PBsin 0 , 3 式中 PA为上连杆阻力合力, kN; PB为下连杆阻 力合力, kN; Q 为式1所定的函数表达式. 整理式 2, 3得, PA Qf sin cos - Pscos - sin - , PB Qf sin cos - Pscos - sin - . 4 由于式 4 中两方程的分母项符号相反, 则, PA与 PB一般情况下, 符号是相反的, 即一组杆受 拉, 另一组杆受压. 由式 1 知, 当 x 取定值时, Q x 与 Z-或 Z成正比关系, 因此 PA与 PB也与 Z-或 Z成正比关系. 当立柱与平衡千斤顶处在额 定工作状态时, 四连杆的工作阻力与平衡千斤顶额 定工作阻力的大小成正比关系. 平衡千斤顶的调节 作用, 就是通过支架内力的相互作用, 而使四连杆 承载顶梁上的一部分载荷. 5 结 论 1 在放顶煤条件下, 两柱掩护式支架的工作 位态主要在升架过程形成. 升架必须保证平衡千斤 顶环形腔起作用, 且要求环形腔能力足够大, 否则 易形成支架的 高射炮位态, 造成支护质量恶化. 2 两柱掩护式放顶煤支架平衡千斤顶的作用 扩大了顶梁外载的平衡区范围, 提高了顶梁前后端 的承载能力. 平衡千斤顶能根据顶梁外载的变化, 自动调节其工作方式, 以保持综放工作面端面顶煤 的稳定. 3 在一定的立柱阻力下, 两柱掩护支架四连 杆受力与平衡千斤顶工作阻力呈正比关系. 平衡千 斤顶承载作用的实质, 是通过支架内力的相互作 用, 使四连杆承担部分顶梁外载. 参考文献 [1] 金 太. 综放开采煤岩动态破坏规律及支架合理架 型研究[ D]. 徐州 中国矿业大学能源与安全工程学 院, 2003. 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