基于三維仿真軟件的回填液壓支架 水平間隙技術(shù)研究

　　摘 要：作為實(shí)現(xiàn)回填和采煤一體化的主要設(shè)備，回填液壓支架特性將會(huì)影響回填體壓縮率。水平頂板間隙作為回填特性的關(guān)鍵參數(shù)，會(huì)從預(yù)先控制頂板沉降、支撐力、回填過(guò)程和支架設(shè)計(jì)等方面影響回填效果。文中首先分析了水平頂隙存在的原因，介紹其定義、起因和內(nèi)涵。然后通過(guò)Pro/E 3D仿真軟件進(jìn)行仿真，考慮水平頂板對(duì)回填效果、支架高度、懸架高度、懸架角和夯實(shí)角等因素的影響，建立了3種典型的回填液壓支架3D立體模型，并在頂隙的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析。結(jié)果表明，這4個(gè)因素均對(duì)頂板水平縫隙有顯著影響，但影響趨勢(shì)和程度存在差異，分別顯示負(fù)線性相關(guān)、正線性相關(guān)、正半拋物相關(guān)和負(fù)半拋物相關(guān)。

　　本文源自周文君，機(jī)械工程師 發(fā)表時(shí)間：2021-04-09《機(jī)械工程師》(月刊)創(chuàng)刊于1969年，由黑龍江省機(jī)械科學(xué)研究院、黑龍江省機(jī)械工程學(xué)會(huì)主辦。是我國(guó)制造業(yè)領(lǐng)域歷史悠久、具有廣泛影響力的國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行的大型綜合性科技期刊，近年來(lái)整合了工業(yè)媒體與科技期刊的雙重功能，系中國(guó)期刊方陣雙效期刊，中國(guó)機(jī)械制造領(lǐng)域一等獎(jiǎng)期刊，中國(guó)學(xué)術(shù)期刊(光盤版)全文收錄期刊，萬(wàn)方數(shù)據(jù)全文收錄期刊。

　　關(guān)鍵詞：水平間隙;回填液壓支架;支架高度;懸掛高度;懸吊角度

　　自從在處理地面廢棄固體和建筑、鐵路、水體下的礦物的基礎(chǔ)上進(jìn)行直接礦藏回采技術(shù)的研究，該技術(shù)已在鹽礦集團(tuán)、濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)、開灤集團(tuán)、皖北煤電集團(tuán)、淮北集團(tuán)和神馬集團(tuán)等20多個(gè)固體回填煤工作面中投入了工業(yè)應(yīng)用。作為回填過(guò)程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)回填和采煤的關(guān)鍵設(shè)備，回填液壓支架的性能將直接影響回填體的壓縮比，而且，水平的頂隙作為回填性能的關(guān)鍵指標(biāo)并且對(duì)回填有直接影響，是壓縮比的關(guān)鍵參數(shù)。

　　最近關(guān)于液壓支架的研究主要有：康松松等[1]在回填式液壓支架的設(shè)計(jì)理念和應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上描述了液壓支架在控制頂部完整性和回填空間方面的運(yùn)動(dòng)機(jī)理;南寧[2]分析了ZY4800/06/16.5D液壓支架頂棚的應(yīng)力和各條支架腿之間的應(yīng)力;柳志斌等[3]研究了回填液壓支架合理頂板間隙(即垂直頂板間隙，稱為頂板間隙)的影響因素及設(shè)計(jì)和判斷方法;樊彤菲等[4]建立了支護(hù)與圍巖相互作用的機(jī)械模型，來(lái)討論合理的前進(jìn)方式和不同條件下的支護(hù)應(yīng)力;任然[5]在分析了回填支架與圍巖之間的關(guān)系及上覆地層的運(yùn)動(dòng)特征，揭示支架屋頂和地層的移動(dòng)規(guī)則;張鵬偉等[6]研究了ZZC8800 / 20/38回填支架的設(shè)計(jì)理念、技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)特性。在上述研究中，沒有旨在針對(duì)回填液壓支架的水平頂隙的相關(guān)分析。

　　在本文中，首先介紹了水平頂隙的定義、成因和內(nèi)涵，然后對(duì)水平頂隙對(duì)回填效果的影響進(jìn)行了定性分析。此外，通過(guò)模擬，研究具體回填液壓支架隨支架高度、懸掛高度的變化規(guī)律和其他關(guān)鍵影響因素。在此基礎(chǔ)上，提出了夯土臂的設(shè)計(jì)方案和回填液壓支架的工程應(yīng)用，為回填支架的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)，以提高回填性能。

　　1 水平間隙定義

　　在回填煤層上，采空區(qū)頂板由回填液壓支架和回填體控制。但是，由于回填液壓支架的特殊結(jié)構(gòu)和回填過(guò)程，在回撤期，液壓支架與回填體的聯(lián)合控制區(qū)域中存在不帶支架的實(shí)時(shí)移動(dòng)“空區(qū)”(如圖1中的D所示)。“空白區(qū)域”的長(zhǎng)度實(shí)際上是從回填體接觸點(diǎn)和直接頂板到回填液壓支架的后末端的絕對(duì)值。由于此類接觸點(diǎn)會(huì)隨著工作面的前進(jìn)而連續(xù)移動(dòng)，因此無(wú)法應(yīng)用適當(dāng)?shù)膮?shù)來(lái)指示此類“空區(qū)域”的大小。但是，這種“空區(qū)域”的大小將對(duì)車頂控制產(chǎn)生很大影響。本文中，采用水平屋頂間隙指標(biāo)，在“空白區(qū)域”上進(jìn)行定性和定量研究。

　　間隙是指從完全伸展的搗固臂前端到回填液壓支架頂棚端的水平距離(圖1中的K0 )。根據(jù)不同的原因，可以將這種距離分為支架結(jié)構(gòu)確定的理論水平屋頂間隙和由現(xiàn)場(chǎng)回填過(guò)程確定實(shí)際水平屋頂間隙。水平頂間隙的值可以反映“空白區(qū)域”的大小。

　　根據(jù)定義，支架相互干擾引起的水平頂縫隙實(shí)際上是理論水平頂縫隙，即從完全伸展的搗固臂的前端到頂棚端的距離。按照回填基本工作原理，固體物料由懸掛在后頂棚下面的回填刮板輸送機(jī)輸送并排出到料滴中，然后由夯實(shí)臂進(jìn)行夯實(shí)。每個(gè)夯實(shí)角都會(huì)造成實(shí)際的工作水平屋頂間隙，即在夯實(shí)過(guò)程中引起一定數(shù)量的實(shí)際工作的水平屋頂間隙。當(dāng)夯實(shí)臂以最大夯實(shí)角度工作時(shí)，實(shí)際水平屋頂間隙僅是理論水平屋頂間隙(即理論水平屋頂間隙的最小值)。

　　其中回填刮板輸送機(jī)的夯實(shí)臂長(zhǎng)度L、卸料中心距離 a和滑槽寬度k、夯實(shí)角β由具體的支架結(jié)構(gòu)確定，而夯實(shí)角β則由回填刮板輸送機(jī)的支架高度M、懸掛高度g和回填刮板輸送機(jī)的懸掛角度γ綜合確定;懸架高度g由支架結(jié)構(gòu)確定，懸架角γ由煤層的傾角α和頂板沉陷Mt確定。

　　2 水平間隙對(duì)回填效果影響分析

　　從控制屋頂沉降的角度來(lái)看，水平的屋頂間隙會(huì)導(dǎo)致“空區(qū)”，如果在屋頂破裂和脈石聚集到采空區(qū)時(shí)發(fā)生崩落，不僅會(huì)損壞設(shè)備，還可能提前增加屋頂?shù)某两挡⒔档腿菁{率、回填空間和壓縮率。至于支架應(yīng)力，水平車頂縫隙直接影響后車頂棚的應(yīng)力分布。水平屋頂縫隙越大，控制區(qū)域中的地層負(fù)載將越重，后部屋頂雨棚上的負(fù)載將相應(yīng)增加，改變支架的應(yīng)力狀態(tài)。對(duì)于六柱回填支架，它將增加中間柱的負(fù)載，導(dǎo)致中間柱被抽出，這可能會(huì)影響支架性能的維持。關(guān)于回填過(guò)程的實(shí)施，水平屋頂間隙會(huì)影響夯實(shí)時(shí)間。較大的水平屋頂間隙將導(dǎo)致?lián)v固臂的行程變大，搗固時(shí)施加的力更大，并對(duì)泵站的壓力提出更高的要求。同時(shí)，這也會(huì)延長(zhǎng)夯實(shí)時(shí)間，減慢回填過(guò)程并降低回填效率。在支架設(shè)計(jì)方面，水平頂板間隙作為支架設(shè)計(jì)合理性的重要參考指標(biāo)，直接反映出支架出料中心位置、夯實(shí)臂長(zhǎng)度和頂棚長(zhǎng)度的最佳組合;因此 如果水平屋頂間隙較大，則需要進(jìn)一步優(yōu)化支架尺寸，這說(shuō)明支架設(shè)計(jì)的合理性較差。因此，水平頂板縫隙從預(yù)先控制頂板沉陷、支架應(yīng)力、回填過(guò)程和支架設(shè)計(jì)4個(gè)方面影響回填采煤效果。水平頂板縫隙小將對(duì)回填采煤效果產(chǎn)生輕微影響。需要對(duì)水平頂板間隙的影響因素進(jìn)行深入研究，主要包括支架高度、懸架高度、懸架角和夯實(shí)角。

　　3 水平間隙仿真分析

　　采用頂級(jí)建模方法，通過(guò)Pro/E Wildfire 5.0構(gòu)建由支持組件和零件組成的模型樹。然后，對(duì)這些部件進(jìn)行建模，例如前后頂棚、底座、穩(wěn)定桿、支腿和夯實(shí)臂。最后，在定義了零部件的約束關(guān)系并根據(jù)支座的結(jié)構(gòu)關(guān)系進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)后，進(jìn)行了干涉檢查，并獲得了完整的3D 實(shí)體模型，如圖3所示。

　　在仿真過(guò)程中，應(yīng)為搗固臂和搗固腿定義單獨(dú)的伺服電動(dòng)機(jī)，以滿足以下要求：1)永久保持前后車頂棚水平，而不限制其在水平方向上的運(yùn)動(dòng);2)夯實(shí)臂完全伸展;3)夯實(shí)臂以最大角度伸展時(shí)，始終保持夯實(shí)臂末端與刮板輸送機(jī)之間的切線;4) 連接刮板輸送機(jī)和夯實(shí)臂時(shí)，水泥環(huán)鏈的懸掛方向與重力方向保持一致。5)支架高度、懸掛高度、懸掛角和夯實(shí)角的值，以及支架的結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)符合地質(zhì)條件。

　　在不同的地質(zhì)條件下，煤層將直接影響回填液壓支架的支架高度。當(dāng)搗固臂以最大角度拉伸時(shí)，搗固臂的末端與回填刮板輸送機(jī)相切。在這種情況下，隨著支架高度的增加，后頂棚的頂端和夯實(shí)臂的末端都向前移動(dòng)。此時(shí)，這兩個(gè)點(diǎn)之間的水平距離實(shí)際上就是水平屋頂間隙(即理論水平屋頂間隙)，它隨支架高度而變化。在支架的最佳工作高度范圍內(nèi)，在最大夯實(shí)角和懸架角為0°的情況下，采用上述仿真方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，以監(jiān)測(cè)后X和Y 坐標(biāo)值及臂頂端的X坐標(biāo)值。然后，得到支架高度與屋頂水平間隙的關(guān)系曲線。

　　4 結(jié)論

　　本文研究的當(dāng)前廣泛使用的液壓支架的支座高度、懸架高度、懸架角和固角等因素對(duì)水平間隙均具有重大影響。對(duì)水平間隙的影響趨勢(shì)上有所不同：1)支座高度、懸架高度、懸架角和夯實(shí)角分別與水平間隙呈負(fù)線性相關(guān)、正線性相關(guān)、正半拋物線相關(guān)和負(fù)半拋物線相關(guān);2)對(duì)于相同類型的支架，支架高度和懸架高度的靈敏度基本相同，但夯實(shí)角的靈敏度大于懸架角。