樊穎輝

（陽泉煤業(yè)集團翼城堡子煤業(yè)有限公司， 山西 翼城 043500）

引言

自固體回填采礦技術(shù)研究開發(fā)以來，已被廣泛應(yīng)用于我國多個煤礦集團，包括鐵路建設(shè)、地下水路建設(shè)、煤礦礦道開發(fā)等多個方面?；靥钜簤褐Ъ苁侨珯C械化固體回填開采關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)，有助于固體回填材料的運輸以及直接提供回填材料的空間和夯實力?；靥钜簤褐Ъ艿男阅軈?shù)直接影響回填效率和回填體緊湊性以及最終的巖層控制。

關(guān)于回填液壓支架，苗新和等人通過對比分析固體回填煤礦與傳統(tǒng)煤礦的差異建立了礦山壓力的力學(xué)模型。該分析方案計算得到了屋頂?shù)闹挝灰魄€。周浩等人分析了冠層和冠層的應(yīng)力狀況和三排柱應(yīng)力的關(guān)系，研究建立液壓支架回填蓋的力學(xué)模型；其運動過程屬性的提升也在這項工作中進(jìn)行了研究。張義等人定義了回填液壓支架垂直頂板間隙，研究垂直屋頂間隙挖掘高度和深度的變化規(guī)律并分析其影響因素。在這項研究中，設(shè)計了一個垂直屋面間隙的合理性判斷方法，然后形成測試指數(shù)。同時，他們提出了回填液壓支架的回填概念屬性并闡述其回填特性的內(nèi)涵和控制措施。翠平平等介紹六柱回填液壓支架工作阻力計算方法并優(yōu)化四連桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。以上研究均集中在支持結(jié)構(gòu)方面、支持與周邊之間的互動以及基本的技術(shù)參數(shù)上，而幾乎沒有任何研究得出最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計[1]。

1 回填液壓支架的基本結(jié)構(gòu)性能

目前，回填液壓支架廣泛應(yīng)用在各大煤礦當(dāng)中，主要由立柱、底座、夯實結(jié)構(gòu)和四桿連鎖組成。具體來說，回填液壓支架有六柱四柱聯(lián)動和四柱四桿聯(lián)動兩種形式。

保護(hù)采煤作業(yè)空間和回填操作空間，屋頂距離控制（即屋頂篷長度）的回填液壓支架增加和支持的整體結(jié)構(gòu)明顯不同于傳統(tǒng)的全機械化液壓支架。具體的結(jié)構(gòu)特性是頂棚結(jié)構(gòu)變化，屏蔽梁改變進(jìn)入后屋頂蓋和屋頂蓋組成正面屋頂蓋和后屋頂蓋；增加回填刮板輸送機懸掛在后部屋頂?shù)膬?nèi)部華蓋，提供固體回填材料的運輸能力；夯實結(jié)構(gòu)被鉸接在基座上提供固體回填材料的夯實能力。夯實結(jié)構(gòu)被鉸接在基座的末端來實現(xiàn)上下不同角度擺動；夯實在搗固結(jié)構(gòu)的前端設(shè)置板，且實現(xiàn)夯板傳遞的壓力緊湊的固體材料搗固。

六柱四桿機構(gòu)和四柱四桿機構(gòu)回填結(jié)構(gòu)的差異主要是：液壓支架分別包含不同數(shù)量的列。前者有六列，后者有四列；與六連桿相比，四連桿具有不同位置的鉸接；前者與中間部分鉸接，前屋頂蓋和后者共用同軸與前面和后面天窗一起搖晃；搗固結(jié)構(gòu)的不同控制模式，前者從下層進(jìn)行控制搗固結(jié)構(gòu)和后者從夯實結(jié)構(gòu)的上部進(jìn)行控制。

2 工程應(yīng)用情況

回填液壓支架是集成回填和采礦的關(guān)鍵設(shè)備，不僅具有基礎(chǔ)性煤礦開采所需的傳統(tǒng)支護(hù)功能，還包括回填所需的特殊功能。它的技術(shù)性能包括結(jié)構(gòu)性能、支撐性能、搗固性能和機械響應(yīng)特性等，結(jié)構(gòu)性能包括列數(shù)、水平屋頂間隙、垂直屋面間隙、屋蓋比率等；支撐屬性包括支持強度，具體樓層壓力等；搗固性能包括搗固力、搗固角等；機械響應(yīng)特性包括列的負(fù)載分布等?；靥钜簤褐Ъ苣壳霸诠こ虘?yīng)用中出現(xiàn)的主要問題有：煤層傾斜角度和特殊性地質(zhì)條件適應(yīng)性低，采礦高度變化范圍大引起的搗固結(jié)構(gòu)適應(yīng)性差[2]。

3 回填液壓支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

配備特殊的回填液壓支架回填屏蔽和實施的功能。該關(guān)鍵部件的尺寸參數(shù)如屋頂?shù)拈L度控制，屋頂長度比，四柱形式連接和鉸接位置會影響回填特性像支撐性能、搗固性能和機械性能?；靥钜簤褐Ъ茉O(shè)計優(yōu)化的基本原理是通過密鑰的優(yōu)化使回填的支持屬性達(dá)到結(jié)構(gòu)尺寸與實際工程相結(jié)合的最佳狀態(tài)，即滿足設(shè)計要求基本技術(shù)參數(shù)，最優(yōu)合理尺寸配置和回填最佳狀態(tài)的實現(xiàn)屬性。

支撐的優(yōu)化設(shè)計從組件選擇和尺寸兩個方面優(yōu)化進(jìn)行。這項工作中的尺寸優(yōu)化指的是通過回填性能評估系統(tǒng)，對四連桿機構(gòu)，后屋頂蓋和夯實結(jié)構(gòu)、尺寸有效性的優(yōu)化；特別是借助于動態(tài)優(yōu)化設(shè)計方法，如Pro/E。

3.1 四連桿機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

屋頂篷前端運動軌跡，壓力連桿和前后車頂蓋，煤礦和回填空間等效果都是由四連桿機構(gòu)決定的。圖形方法和分析方法經(jīng)常被用來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。在回填四桿機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計中液壓支架，變量主要包括最大支撐高度（hmax），最小值支撐高度（hmin），振幅（D0）。后方鉸接點之間的水平距離為A0，后連桿鉸接點和底座之間的高度B0，后連桿與水平線的夾角α0（一般不超過85°，當(dāng)支架處于最高位置時常常為75°～85°，當(dāng)它處于最低位置時常常為25°～30°），上部連桿背角β0（52°～70°時支撐在最高位置，10°～16°時支撐在最低位置），如圖1-1所示。優(yōu)化原理圖圖1-2中顯示了回填液壓支架的四連桿機構(gòu)。這項工作中的四連桿機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計主要是通過改變正面鉸接點的比例，圖1-1中改變ME長度的連接，即從圖1-2中的S到S′。這種改變將導(dǎo)致這種屋蓋前端運動軌跡的差異情況[3]。

圖1 回填液壓支架的四連桿機構(gòu)優(yōu)化示意圖

3.2 屋蓋長度比（后頂篷）的優(yōu)化設(shè)計

屋蓋長度比的變化明顯影響支撐的穩(wěn)定性，屋頂蓋負(fù)載分配，支撐和夯實承重性能；屋蓋長度比是優(yōu)化設(shè)計中重要的優(yōu)化目標(biāo)。不同類型的回填液壓支架具有不同的屋蓋長度比，六柱回填支架的屋蓋長度比在1∶0.80和1∶0.56之間，而四柱回填支撐屋蓋長度比在1∶1.33和1∶0.53之間。屋蓋長度比的優(yōu)化為主要通過優(yōu)化后頂篷的長度來實現(xiàn)（在圖2中從L2改變?yōu)長2′）。具體來說，結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)、配套性能、搗固性能和機械響應(yīng)屬性是通過改變后部屋頂?shù)拈L度來獲得的，然后通過綜合評價指標(biāo)判斷優(yōu)化程度。優(yōu)化屋蓋長度比示意圖見圖2。

圖2 屋蓋長度比的優(yōu)化示意圖

3.3 搗固結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

夯實結(jié)構(gòu)是影響夯實性能的重要結(jié)構(gòu)，特別反映在本研究中的搗固結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是指改變長度和擺動位置搗固結(jié)構(gòu)以及回填料的刮板輸送機懸浮高度 （從 Lmin改為 Lmin′，a 到 a′和 g 到 g′分別在圖 3中）。優(yōu)化原理圖的搗固結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 搗固結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計示意圖

4 結(jié)論

選擇液壓支架的基本類型，根據(jù)要求和設(shè)計依據(jù)優(yōu)化液壓支架，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，符合采煤技術(shù)合理結(jié)構(gòu)要求，應(yīng)力狀態(tài)良好，穩(wěn)定性高，支撐和移動能力良好，支持強度高，根據(jù)煤炭煤層的發(fā)生情況、屋頂和底板的情況確定液壓支架的參數(shù)，具體包括支持強度、工作阻力、設(shè)置負(fù)載、最大/最小支撐高度、中心距離和支持的寬度等，其中，結(jié)構(gòu)和尺寸的優(yōu)化主要包括四桿機構(gòu)的優(yōu)化、屋蓋長度比的優(yōu)化與優(yōu)化搗固結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。