六柱支撐式固體充填采礦液壓支架受力分析

近年來，隨著“三公”煤礦的發(fā)展，綜合機械化固體充采技術(shù)得到了發(fā)展。這是一種將固體殘留物（如石頭、粉煤灰、黃土、風(fēng)積沙和建筑垃圾）真實填充到采礦巷道的技術(shù)。其工作面關(guān)鍵設(shè)備,包括充填綜采液壓支架和固體充填物料輸送機。在這二者中,充填綜采液壓支架起著頂板管理、隔離圍巖維護作業(yè)空間的作用,其適應(yīng)性與可靠性是決定充填開采工作面能否安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一。實踐表明,采煤技術(shù)的進步與發(fā)展,是與采煤機械化裝備密切聯(lián)系在一起的,每一次液壓支架的重大改革與進步,都會帶來機械化采煤技術(shù)的重大進步。六柱支撐式固體充填采煤液壓支架的發(fā)展,也是固體充填采煤技術(shù)進步的顯著標(biāo)志。1固體充采結(jié)構(gòu)原理1.1充填開采操作設(shè)備在支架上的安裝設(shè)計充填采煤液壓支架是綜合機械化充填采煤工作面主要裝備之一,與采煤機、刮板輸送機、充填開采輸送機、夯實機配套使用,起著管理頂板、隔離圍巖維護作業(yè)空間的作用;與刮板輸送機配套能自行前移,推進采煤工作面連續(xù)作業(yè)。同時,又具有對充入采空區(qū)的固體充填物料的壓實作用,使充填物料在推壓接頂?shù)幕A(chǔ)上達(dá)到一定的密實度。六柱支撐式固體充填采煤液壓支架前端,掩護綜合機械化采煤作業(yè),后部掩護充填作業(yè)。充填開采輸送機懸掛于支架后頂梁下,用于運輸充填料。壓實機安裝在支架底座上,對充填開采輸送機卸下的充填料進行夯實。主要由前、后頂梁、立柱、四連桿機構(gòu)、支架底座、壓實機等構(gòu)成,如圖1所示。1.2充填支架性能及影響因素充填開采工作面,支架、煤壁與矸石充填體(及破碎的直接頂)共同承載上覆巖層載荷,所需的支護強度減小。然而,充填綜采要求工作面揭露頂板至充填,頂板下沉量最小,以預(yù)留最大的空間對采空區(qū)進行充填。根據(jù)使用礦井實測,充填工作面采用與常規(guī)支架相同的支護阻力,監(jiān)測頂板初始最大下沉量達(dá)340mm,由于其不可恢復(fù)性,造成充填空間減小,大大影響了充填效果。據(jù)此,六柱支撐式固體充填采煤液壓支架,在吸取了以往固體充填支架優(yōu)點的同時,并根據(jù)實際運用效果對其進行了改進,其主要特點敘述如下:①增設(shè)后立柱,提高后頂梁支護阻力。考慮到上述在實踐中遇到的問題,小的支護阻力無法很好地控制頂板初始下沉量,造成充填空間的減小,不利于達(dá)到理想的充填效果。六柱支撐式充填支架增設(shè)了后頂梁立柱,提高了后頂梁的支護強度,保證了充填空間的最大化。②增加下部壓實機構(gòu),并提高壓實力。研究表明,提高充填體自身的密實度及充填率、接頂率等,可以極大地控制上覆巖層的下沉變形。六柱式支架增設(shè)下部壓實機構(gòu),實現(xiàn)了對充入采空區(qū)的充填體的全斷面壓實,使之能充分接頂,并且在較高壓實力作用下,提高充填體的密實度,增大其自身抗壓性能。③整體提高支架的支護阻力。一方面實施充填工藝加大了支架的空范圍;另一方面為保證支架整體受力均衡,支架前后立柱支護阻力應(yīng)在一相當(dāng)?shù)姆秶?再者,支架阻力加大,有利于限制上覆巖層整體下沉量,增大充填空間。1.3充填壓實機設(shè)備研究固體充填采煤技術(shù)直接采用固體物料充填采空區(qū),由于固體物料自身成松散狀,通過充填輸送機卸落成自由堆放狀態(tài),具有較大的壓縮量,且無法充分接頂,不能對頂板起到很好的支撐作用。因此,需研制與固體充填采煤技術(shù)相適應(yīng)的設(shè)備來保證充填效果。壓實機構(gòu)在固體物料充填入采空區(qū)后,對物料進行壓實,使其達(dá)到一定的密實度,具有較小的壓縮量,控制頂板下沉量,從而將地面變形控制在要求范圍內(nèi)。為實現(xiàn)全斷面壓實,壓實機設(shè)計分為上、下兩部壓實機。上部壓實機對上部充填物料進行壓實,下部壓實機對下部充填物料進行壓實,同時阻止充填物料進入支架工作空間。壓實機構(gòu)如圖1所示。上部壓實機由兩個水平壓實油缸、一個調(diào)高油缸、一塊壓實板、兩個立柱組成。下部壓實機由水平油缸、內(nèi)箱體及外箱體三部分組成。2固體充采支架與圍巖的相互作用和力學(xué)分析2.1煤壁充填體開采方式固體充填綜采在充填支架的掩護下,前端割煤、運煤,后端進行采空區(qū)充填,使得整個工作面一直以開切眼的形式往前推進。實測表明,充填開采后,老頂基本處于彎曲下沉狀態(tài),周期破斷步距增大,后部充填體在上覆巖層載荷作用下,逐漸被壓實,支撐頂板及上覆巖層的下沉移動,如圖2所示。在此種開采方式下,整個采面上覆巖層中形成的結(jié)構(gòu),是“煤壁-支架-充填體”支撐體系,充填體占據(jù)了上覆巖層下沉空間,有效控制了老頂?shù)钠茢嗉盎剞D(zhuǎn),極大地減弱了老頂破斷回轉(zhuǎn)對支架造成的沖擊載荷。與傳統(tǒng)垮落法開采不同,充填支架除需要平衡上覆巖層壓力外,還要最大可能地控制直接頂?shù)南鲁磷冃?以保證充填空間的最大化,有利于向采空區(qū)盡可能多的充入充填物料,達(dá)到控制上覆巖層的下沉變形。2.2頂梁力學(xué)模型建立充填開采形成了煤壁-支架-充填體,共同支撐上覆巖層載荷。支架的作用是支撐直接頂不發(fā)生離層,給頂板一個主動支撐作用。充填體在直接頂下沉過程中逐漸被壓實,其對頂板的支撐力是一個逐漸增加的過程。根據(jù)支撐式液壓支架的支撐力特點,及六柱式支架結(jié)構(gòu)特征,建立如圖3所示直接頂受力力學(xué)模型。圖3中a、b分別為支架中間立柱到前、后頂梁端的距離;q為支架作用直接頂最大集度;q0’為支架后方直接頂作用給充填體的載荷;q’為充填體作用直接頂最大集度。支架后方直接頂上覆載荷等效作用,在C點一個集中力F和彎矩M0,以C點分別建立各分力的彎矩方程,并根據(jù)邊界條件,即按最理想充填效果,C點繞度yc為零,利用莫爾積分計算其繞度:yC=∑i=14∫a+b0Mˉˉˉˉ(x)Mi(x)dxEI=0yC=∑i=14∫0a+bΜˉ(x)Μi(x)dxEΙ=0計算支架對直接頂分布載荷最大集度:q=5(3q0a3+8a2F+9q0ba2+12am0+16aFb+9q0b2a+12m0b+8Fb2+3q0b3)/(11a3+24ba2+16b2a+4b3)在支架與直接頂相互作用的體系中,支架與直接頂相互是作用力與反作用力的關(guān)系。建立的支架頂梁力學(xué)模型,如圖4所示。圖4中A、B、D分別為立柱對頂梁的約束,立柱支撐力的垂直分力,即為以上三處的支座反力FA、FB、FD;l1、l2、l3、l4、l5為頂梁與立柱以及各立柱之間的間距。該模型為多跨靜定梁,從C點起計算:∑MC=(l4+l5)3q6(l3+l4+l5)?FDl4=0∑ΜC=(l4+l5)3q6(l3+l4+l5)-FDl4=0∑Fy=FD+FC?(l4+l5)2q2(l3+l4+l5)=0∑Fy=FD+FC-(l4+l5)2q2(l3+l4+l5)=0再以B點分析計算:∑MB=FAl2?(16q(l1+l2)2+16q(1?l4+l5l3+l4+l5)l32)+12ql32l4+l5l3+l4+l5+Fcl3=0∑ΜB=FAl2-(16q(l1+l2)2+16q(1-l4+l5l3+l4+l5)l32)+12ql32l4+l5l3+l4+l5+Fcl3=0∑Fy=FA+FB?FC?12q(l1+l2)?12q(1+l4+l5l3+l4+l5)l3=0∑Fy=FA+FB-FC-12q(l1+l2)-12q(1+l4+l5l3+l4+l5)l3=0根據(jù)上式,可以分別計算支架各立柱的垂直分力以及支架整體支護阻力。3固體殘渣開采支架的移架過程和特征分析3.1雙柱式支架移架工作面支架對頂板的支護,分為升架護頂、降架、移架過程。六柱支撐式充填液壓支架由六根立柱支撐,升架過程如圖5所示,分為前頂梁端部與頂板接觸(位態(tài)Ⅰ)、前頂梁與頂板接觸(位態(tài)Ⅱ)、后頂梁與頂板接觸的過程(位態(tài)Ⅲ)。升架過程中,前立柱和后立柱分別由兩組液壓閥控制,前頂梁的梁端先與頂板接觸,隨著繼續(xù)送液,前頂梁逐漸與頂板接觸,直至達(dá)到其初撐力;后立柱是隨著前立柱的升起而升起,必須與前立柱配合送液,最后達(dá)到整架初撐力。在降立柱移架的過程中,由于與常規(guī)的雙立柱或四立柱相比,支架控頂范圍大,不僅增加了立柱的數(shù)量,而且在結(jié)構(gòu)方面增設(shè)了后頂梁,因此,移架操作方式具有多樣性。研究表明,不卸載或部分卸載移架時有利于控制頂板,六柱式支架移架時盡量采用此方法。①前頂梁帶壓移架。在移架的過程中,后頂梁立柱完全卸載,前頂梁降低其工作阻力,擦頂前移。②后頂梁帶壓移架。支架前移時,前頂梁四立柱卸載降架,后頂梁立柱降低工作阻力,保持與頂板接觸,帶壓前移。③完全卸壓移架。支架立柱完全卸載,在遷移千斤頂?shù)睦ψ饔孟?前后頂梁不接觸頂板整體前移。3.2支架受力分析不同圍巖條件,選擇合理的移架方式,一方面保證了作業(yè)空間安全,再者減小了移架阻力,加快了移架速度。上述三種移架方式,第一種方式,由于承受頂板載荷大,使得支架與巖層間摩擦力增大,且在頂板不平時,可能發(fā)生支架插頂現(xiàn)象,造成移架緩慢。支架受力分析如圖6所示:F=(G+2qL1)λ,其中:F千斤頂拉力;q為頂板載荷;P為支架支撐力;f1、f2為摩擦力;λ為摩擦系數(shù);G為支架重量;L1支架頂梁長度。第二種方式,前頂梁完全卸載后,頂板巖層載荷發(fā)生轉(zhuǎn)移,老頂回轉(zhuǎn)角加大,加劇了充填體和支架后頂梁的受力。在移架過程中,支架將會形成繞中立柱A點轉(zhuǎn)動的扭矩,從而造成前立柱受拉拔力,因而在實踐中盡量減少此種移架方式。其受力分析如圖7所示:N=qL1λ(m+L2tanα)/L3,其中:m為采高;α為支架前頂梁與頂板夾角;L2、L3支架立柱間距;N前立柱所受拉拔力;其余與上相同。第三種移架方式,是在頂板條件很穩(wěn)定的情況下采用,其前后頂梁完全卸載,基本不承受上覆頂板巖層載荷,移架速度快。4充填支架與圍巖相互作用力學(xué)模型(1)六柱式充填支架設(shè)置的壓實機構(gòu),可以對充填物料施加側(cè)向壓實力,保證了充填體的密實度和接頂效果;加設(shè)的后頂梁立柱,有效地控制了直接頂?shù)某跏枷鲁亮?盡可能大地增加了充填空間;支架整體工作阻力的增大,減緩了上覆巖層的下沉,有利于控制地表沉陷變形。(2)固體充填采煤形成了“煤壁-支架-充