掩护式及支撑掩护式液压支架特性及工作状况分析

作者：于润桥

当前，综合机械化采煤技术在我国迅速推广，许多地方和矿属的机械厂都纷纷制造采煤机和液压支架，许多中小型矿井甚至地方煤矿都采用了综合机械化采煤技术。液压支架是综合机械化采煤的主要设备之一，为帮助煤矿工程技术人员、管理人员和技术工人了解和更好地使用液压支架，本文对掩护式及支撑掩护式液压支架工作原理、特性曲线及支撑能力进行分析。
1、掩护式及支撑掩护式液压支架类型
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2、掩护式及支撑掩护式液压支架工作原理
掩护式及支撑掩护式液压支架有单铰式与双铰式两种主要类型。单铰掩护式支架随采高的变化，顶梁尖端（铰点）围绕支架的后铰点作圆弧运动，因此支架的空顶距随采高的变化而变化，使支架前端无支护空间增大，不利于顶板控制。（见图2-1a）
采用带四连杆的掩护式及支撑掩护式支架（双铰式），随采高的变化顶梁尖端的运动曲线为双纽线，根据双纽线的特点，在设计中可以使顶梁尖端在采高范围内呈近似垂直层面的直线运动，以保证在支架有效采高范围内，使顶梁尖端距煤壁的距离不变。此外，带四连杆的掩护式及支撑掩护式支架（双铰式）具有承受水平力的能力。（见图2-1b）
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液压支架的液压系统由立柱、推移千斤顶、操纵阀、控制阀（安全阀、液控单向阀）、软管等组成。（见图2－2）
通过操纵阀和控制阀，液压支架可完成以下动作(立即支护式)：
a.降柱、拉架：采煤机通过该支架、顶板暴露后，立即降柱、拉架；
b.升柱：支架被拉到新位置后，升柱，使支架撑紧顶板；
c.推溜：支架撑紧顶板后，利用推移千斤顶推溜。
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初撑力与工作阻力（屈服载荷）：
升柱后，高压液体进入液压支架各立柱的活塞腔，立柱逐渐升起直至顶梁与顶板紧密接触为止；与此同时，在立柱活塞腔内的高压液体的压力迅速增大到液压泵的工作压力。当高压液体充满活塞腔时，液控单向阀关闭，将高压液体锁在活塞腔内。此时，工作在泵的工作压力下的高压液体压力称初撑压力，支架（所有立柱）对顶板的支撑力称初撑力。
支架达到初撑力后，顶板不断下沉，活塞腔的体积不断变小，活塞腔内高压液体的压力不断增大。为保护液压支架的立柱不被高压液体损坏，在活塞腔的液压回路中设安全阀（又称屈服阀）。当顶板下沉，活塞下缩到6－10mm时，若顶板再继续下沉，安全阀（屈服阀）动作，从活塞腔内放出一点高压液体，使活塞腔内高压液体的压力保持在安全阀调定的压力下。此时，工作在安全阀调定压力下的高压液体压力称安全阀工作压力（屈服压力），支架（所有立柱）对顶板的支撑力称工作阻力（即屈服载荷）。
支架的工作阻力是液压支架的主要参数，工作阻力决定支架结构尺寸，支架的支撑能力。关于支架的工作阻力，有两种观点：
a.加大工作阻力：支架适应性强，可靠性强，使用寿命长，减少使用过程中维修，安全，但制造费用高；
b.支架工作阻力必须与顶板条件相适应，只要支架能控制住整个工作面的顶板下沉与压力，保持控顶区内顶板的完整与可靠即可。加大工作阻力，使支架重量大、造价高、装运使用都不方便。
两种观点各有道理，支架的工作阻力有逐渐增大的趋势，要设计“支架系列”。目前，工作阻力高达400t800t，甚至超过1000t。
初撑力也是液压支架的主要参数，初撑力大，立柱能很快达到工作阻力，减少顶板下沉量，避免顶板的离层，改善支护性能。但初撑力过大易破坏直接顶。
目前：P初＝（0.3-0.8）P工，
式中：P初 为初撑力；P工 为工作阻力。初撑力有增大趋势。
3、掩护式及支撑掩护式液压支架特性曲线
3-1一个开采循环内支架阻力变化曲线（见图3－1）
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在一个开采循环内支架阻力变化有以下几个阶段：
a.支架前移、重新支撑顶板后，在短时间ta（10－20秒）内达到初撑压力Ps，(o-s)为支架的初撑阶段；
b.顶板开始下沉，支架的阻力在ta时间内迅速增大直至平衡状态为止，(s-a)为支架阻力迅速增加阶段；
c.当支架与顶板达到相对平衡时，支架阻力处于稳定状态，(a-b)为支架的稳定阶段；
d.当采煤机接近支架时，支架阻力增大，(b-c)为截割影响阶段；
e.最后，当相邻支架降柱移架时，顶板载荷突然转移到该支架，在很短时间内（一般为1－3分钟），该支架阻力迅速增加，(c-d)为又一次迅速增大阶段；
f.当支架降柱、前移时，其阻力迅速降至零，此阶段为(d-e)。
在一个开采循环内，支架阻力的变化从0经s,a,b,c,d至e。
3－2 一个开采循环内支架阻力实际变化曲线（见图3－2）
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根据现场实际观测资料分析，在一个开采循环内支架阻力的变化与图3－1 所表达的曲线有时不同。观测表明：不同支架，其阻力变化曲线不同；同一支架在不同循环内，其阻力变化曲线也不同。一个开采循环内支架阻力变化的实际曲线，大体上可归纳为以下几类：
a. 阻力迅速增大型：如图3－1a，支架支撑后，立柱的阻力迅速增大，达到或超过立柱的额定初撑力，其特性曲线类似图3－1的曲线。
b. 阻力迅速增大到工作阻力（屈服载荷）型：如图3－1b，支架支撑后，立柱的阻力迅速增大，达到或超过立柱的额定初撑力。此后，立柱的阻力继续增大，很快达到立柱的工作阻力（屈服载荷）。此时，安全阀开启，高压液体从安全阀泄出，随顶板下沉，立柱的阻力不变，直至支架降柱前移为止。
c. 阻力迅速增大到工作阻力后，阻力继续增大型：如图3－1c，当工作面有周期来压时，工作面顶板压力增大，使该支架处于工作阻力状态，与增大的顶板压力保持平衡。当相邻的支架降柱、前移时，顶板载荷立即转移到该支架上，该支架的阻力增大如此之快，以至安全阀还来不及打开释放高压液体，从而导致支架的工作阻力迅速增大并暂时地高于支架的工作阻力。
d.阻力缓慢增大型：如图3－1d，支架的阻力在整个循环内不断地、缓慢地增大，但一直未达到其额定的初撑力，只有当相邻支架降柱移架时，支架阻力才达到或超过支架的额定初撑力。该压力变化曲线常常出现在两次周期来压之间。
e.低阻力型：如图3－1e，支架的阻力在整个循环内都低于其额定的初撑力。这种情况的出现，常常是因为长壁工作面顶板条件的复杂、支护条件的不同而造成顶板压力的不均匀性。[page]
f.阻力的降低型：如图3－1f，支架支撑后，立柱的阻力迅速增大，达到或超过立柱的额定初撑力，此后在整个循环内，支架阻力不但不升高反而逐渐降低，直至降柱、移架为止。
评价：
a型：支架阻力不超过工作阻力，但始终在额定初撑力之上，若能适当地选择初撑力。这是最理想的一种工作状况。
b型：支架在大部分时间里都处在工作阻力的条件下。若适当设计其工作阻力，且在此工作阻力期间顶板下沉不会引起任何较大的顶板控制问题。这也是较好的工作状况。
c型类似b型,只是在邻架降柱、移架时支架阻力才会突然超过工作阻力。因此，这就要求支架采用快速或大流量安全阀。
d、e、f型，表示支架处于不良的工作状态。
d型和e型，支架阻力在额定初撑力以下，始终也不能达到工作阻力。支架阻力缓慢增大，可能是由于压碎支架下方的岩石碎屑或底板凹凸不平造成。e型表示顶板条件更加恶劣，可能会在工作面线前方引起支承压力的高度集中，造成煤壁严重的片帮。其结果使工作面顶板的无支护空间大大地增加。
f型的工作状况，是由于不断恶化的软弱顶板或底板而引起的。
4、带四连杆的掩护式及支撑掩护式液压支架支撑能力及顶梁上载荷分析
支撑能力含义：支撑能力是指当液压支架的所有立柱和千斤顶都达到工作阻力时顶板作用在支架顶梁上的载荷。
顶梁上载荷：顶梁上载荷是指当液压支架的立柱和千斤顶未达到工作阻力时顶板作用在支架顶梁上的载荷，该载荷可根据所测得的立柱载荷换算成顶板作用在顶梁上的载荷。
掩护式及支撑掩护式液压支架的支撑能力及顶梁上载荷，不等于支架所有立柱工作阻力之和或实测阻力之和，因为立柱不与顶梁和底座垂直，同时四连杆机构还要承受一部分顶板载荷。
影响掩护式及支撑掩护式液压支架支撑能力及顶梁上载荷的因素很多，主要有：
a.每个立柱及有关千斤顶的工作阻力或实测阻力；
b.水平力的大小和方向；
c.支架各构建的尺寸，如顶梁的长度、掩护梁的长度、前柱与后柱之间的距离、四连杆的长度等。
d.立柱与垂直线之间的夹角、掩护梁与水平线之间的夹角（即掩护梁的倾角）、四连杆与水平线之间的夹角（即四连杆的倾角），所有这些夹角都随支架的高度变化而变化。
4-1 四柱支撑掩护式支架支撑能力及顶梁上载荷
四柱支撑掩护式支架支撑能力及顶梁上载荷计算方法见图4-1-1：
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Qx=m´Qy式中：
Qy为作用在顶梁上的垂直力
Qx 为作用在顶梁上的水平力
μ为顶梁与顶板之间的摩擦系数, m=0~±0.3（＋为水平力指向采空区，－为水平力指向工作面）
以顶梁为分离体：

åFy=0 Qy = P1cosq1+P2cosq2+Ry ― (4-1-1)

åFx=0 Rx = Qx-P1sinq1-P2sinq2
Rx=Qyμ-P1sinq1-P2sinq2 (4-1-2)

以掩护梁为分离体：

åM0=0 Ry = Rxtana (4-1-3)
从（3-1-1）、（3-1-2）、（3-1-3）得Qy的值:
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若R1, R2, R R3, R4, H1, R5, R6, R7, R9, R11, R12, R13和θ为已知
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(xA,yA)及(xB,yB)为点A和点B的坐标

XA=X+R1cos [page], XB=X+Rcos ,

YA=Y－R1sin , YB=Y－Rsin

若P1,P2 为额定工作阻力，则Qy 为支架支撑能力；若P1,P2 为实测阻力，则Qy为顶梁上的载荷。

Qy 距绞点J(x,y)的距离△X

△X=(R12P1cosθ1+R13P2cosθ2)/Qy (4-1-13)
根据公式（4－1－1）~ 公式（4－1－12）可计算出不同尺寸的支撑掩护式液压支架在不同高度时的支架支撑能力或顶良上的载荷。
图4-1-2为4柱450吨支撑掩护式支架支撑能力随支架高度的变化曲线（以掩护梁倾角表示）。µ为顶梁与顶板之间的摩擦系数。
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4-2 四柱掩护式支架支撑能力及顶梁上载荷
四柱掩护式支架支撑能力及顶梁上载荷计算方法见图4-2：
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图4-2-1 四柱掩护式液压支架结构尺寸
以顶梁为分离体：

åFy=0 Qy = P1cosq1+Ry ―(4-2-1)

åFx=0 Rx = Qx-P1sinq1

Rx= Qyμ-P1sinq1 (4-2-2)

以掩护梁为分离体：

åM0=0 Ry=(P2D+Rxh)/C=Rxtana+P2D/C (4-2-3)
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若：R1, R2, R, R3, R4, H1, R5, R6, R7, R8, R9, R11, R12和θ为已知
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（xd,yd）是点d(立柱与掩护梁交点)坐标

xd=x+R8cos , yd=y－R8sin
若P1,P2 为额定工作阻力，则Qy 为支架支撑能力；若P1,P2 为实测阻力，则Qy为顶梁上的载荷。
Qy 距绞点J(x,y)的距离△X
△X=R12P1cosθ1/Qy
根据公式（4－2－1）~ 公式（4－1－8）等，可计算出不同尺寸的四柱掩护式支架在不同高度时的支架支撑能力或顶梁上的载荷。
图4-2-24为4柱425吨掩护式支架支撑能力随支架高度的变化曲线
（以掩护梁倾角表示）。µ为顶梁与顶板之间的摩擦系数。
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4-3 二柱掩护式（立柱在顶梁与底座支间）支撑能力及顶梁上载荷
二柱掩护式（立柱在顶梁与底座支间）支撑能力及顶梁上载荷计算方法见图4-3-1：
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若：R1, R2, R, R3, R4, H1, R5, R6, R7, R8, R10, R11, R12和θ为已知
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（xd,yd）是点d(平衡千斤顶与掩护梁交点)坐标
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若P,Z 为额定工作阻力，则Qy 为支架支撑能力；若P,Z为实测阻力，则Qy为顶梁上的载荷。
Qy 距绞点J(x,y)的距离△X
△X=[Pcosθ1-Zsinθ3(L+0.3-R10)]/Qy

式中：θ3 为平衡千斤顶与顶梁夹角
L为顶梁长度
根据公式（4－3－1）~ 公式（4－3－7）等，可计算出不同尺寸的二柱掩护式支架（立柱在顶梁与底座支间）在不同高度时的支架支撑能力或顶梁上的载荷。
图4-3-2为2柱400吨掩护式支架（立柱在顶梁与底座支间）支撑能力随支架高度（以掩护梁倾角表示）的变化曲线。µ为顶梁与顶板之间的摩擦系数。
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4-4 二柱掩护式支架（立柱在掩护梁与底座之间）
二柱支撑掩护式（立柱在掩护梁与底座之间）支撑能力及顶梁上载荷计算方法：（见图4－4）
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若：R1, R2, R, R3, R4, H1, R5, R6, R7, R8, R9和θ为已知
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（xd,yd）是点d(立柱与掩护梁交点)坐标
（xd,yd）是点d(立柱与掩护梁交点)坐标
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若P 为额定工作阻力，则Qy 为支架支撑能力；若P为实测阻力，则Qy为顶梁上的载荷。
Qy的作用点与较点J(x,y)重合。
根据公式（4－4－1）~ 公式（4－4－5）等，可计算出不同尺寸的二柱掩护式支架（立柱在掩护梁与底座支间）在不同高度时的支架支撑能力或顶梁上的载荷。
图4-4-2为2柱150吨掩护式支架（立柱在掩护梁与底座支间）支撑能力随支架高度（以掩护梁倾角表示）的变化曲线。µ为顶梁与顶板之间的摩擦系数。
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