回填充液压支架在煤矿井下的应用及结构优化

樊颖辉

（阳泉煤业集团翼城堡子煤业有限公司， 山西 翼城 043500）

引言

自固体回填采矿技术研究开发以来，已被广泛应用于我国多个煤矿集团，包括铁路建设、地下水路建设、煤矿矿道开发等多个方面。回填液压支架是全机械化固体回填开采关键设备技术，有助于固体回填材料的运输以及直接提供回填材料的空间和夯实力。回填液压支架的性能参数直接影响回填效率和回填体紧凑性以及最终的岩层控制。

关于回填液压支架，苗新和等人通过对比分析固体回填煤矿与传统煤矿的差异建立了矿山压力的力学模型。该分析方案计算得到了屋顶的支撑位移曲线。周浩等人分析了冠层和冠层的应力状况和三排柱应力的关系，研究建立液压支架回填盖的力学模型；其运动过程属性的提升也在这项工作中进行了研究。张义等人定义了回填液压支架垂直顶板间隙，研究垂直屋顶间隙挖掘高度和深度的变化规律并分析其影响因素。在这项研究中，设计了一个垂直屋面间隙的合理性判断方法，然后形成测试指数。同时，他们提出了回填液压支架的回填概念属性并阐述其回填特性的内涵和控制措施。翠平平等介绍六柱回填液压支架工作阻力计算方法并优化四连杆机构的结构参数。以上研究均集中在支持结构方面、支持与周边之间的互动以及基本的技术参数上，而几乎没有任何研究得出最佳的结构设计[1]。

1 回填液压支架的基本结构性能

目前，回填液压支架广泛应用在各大煤矿当中，主要由立柱、底座、夯实结构和四杆连锁组成。具体来说，回填液压支架有六柱四柱联动和四柱四杆联动两种形式。

保护采煤作业空间和回填操作空间，屋顶距离控制（即屋顶篷长度）的回填液压支架增加和支持的整体结构明显不同于传统的全机械化液压支架。具体的结构特性是顶棚结构变化，屏蔽梁改变进入后屋顶盖和屋顶盖组成正面屋顶盖和后屋顶盖；增加回填刮板输送机悬挂在后部屋顶的内部华盖，提供固体回填材料的运输能力；夯实结构被铰接在基座上提供固体回填材料的夯实能力。夯实结构被铰接在基座的末端来实现上下不同角度摆动；夯实在捣固结构的前端设置板，且实现夯板传递的压力紧凑的固体材料捣固。

六柱四杆机构和四柱四杆机构回填结构的差异主要是：液压支架分别包含不同数量的列。前者有六列，后者有四列；与六连杆相比，四连杆具有不同位置的铰接；前者与中间部分铰接，前屋顶盖和后者共用同轴与前面和后面天窗一起摇晃；捣固结构的不同控制模式，前者从下层进行控制捣固结构和后者从夯实结构的上部进行控制。

2 工程应用情况

回填液压支架是集成回填和采矿的关键设备，不仅具有基础性煤矿开采所需的传统支护功能，还包括回填所需的特殊功能。它的技术性能包括结构性能、支撑性能、捣固性能和机械响应特性等，结构性能包括列数、水平屋顶间隙、垂直屋面间隙、屋盖比率等；支撑属性包括支持强度，具体楼层压力等；捣固性能包括捣固力、捣固角等；机械响应特性包括列的负载分布等。回填液压支架目前在工程应用中出现的主要问题有：煤层倾斜角度和特殊性地质条件适应性低，采矿高度变化范围大引起的捣固结构适应性差[2]。

3 回填液压支架的结构优化

配备特殊的回填液压支架回填屏蔽和实施的功能。该关键部件的尺寸参数如屋顶的长度控制，屋顶长度比，四柱形式连接和铰接位置会影响回填特性像支撑性能、捣固性能和机械性能。回填液压支架设计优化的基本原理是通过密钥的优化使回填的支持属性达到结构尺寸与实际工程相结合的最佳状态，即满足设计要求基本技术参数，最优合理尺寸配置和回填最佳状态的实现属性。

支撑的优化设计从组件选择和尺寸两个方面优化进行。这项工作中的尺寸优化指的是通过回填性能评估系统，对四连杆机构，后屋顶盖和夯实结构、尺寸有效性的优化；特别是借助于动态优化设计方法，如Pro/E。

3.1 四连杆机构的优化设计

屋顶篷前端运动轨迹，压力连杆和前后车顶盖，煤矿和回填空间等效果都是由四连杆机构决定的。图形方法和分析方法经常被用来进行优化设计。在回填四杆机构的优化设计中液压支架，变量主要包括最大支撑高度（hmax），最小值支撑高度（hmin），振幅（D0）。后方铰接点之间的水平距离为A0，后连杆铰接点和底座之间的高度B0，后连杆与水平线的夹角α0（一般不超过85°，当支架处于最高位置时常常为75°～85°，当它处于最低位置时常常为25°～30°），上部连杆背角β0（52°～70°时支撑在最高位置，10°～16°时支撑在最低位置），如图1-1所示。优化原理图图1-2中显示了回填液压支架的四连杆机构。这项工作中的四连杆机构的优化设计主要是通过改变正面铰接点的比例，图1-1中改变ME长度的连接，即从图1-2中的S到S′。这种改变将导致这种屋盖前端运动轨迹的差异情况[3]。

图1 回填液压支架的四连杆机构优化示意图

3.2 屋盖长度比（后顶篷）的优化设计

屋盖长度比的变化明显影响支撑的稳定性，屋顶盖负载分配，支撑和夯实承重性能；屋盖长度比是优化设计中重要的优化目标。不同类型的回填液压支架具有不同的屋盖长度比，六柱回填支架的屋盖长度比在1∶0.80和1∶0.56之间，而四柱回填支撑屋盖长度比在1∶1.33和1∶0.53之间。屋盖长度比的优化为主要通过优化后顶篷的长度来实现（在图2中从L2改变为L2′）。具体来说，结构性能指标、配套性能、捣固性能和机械响应属性是通过改变后部屋顶的长度来获得的，然后通过综合评价指标判断优化程度。优化屋盖长度比示意图见图2。

图2 屋盖长度比的优化示意图

3.3 捣固结构的优化设计

夯实结构是影响夯实性能的重要结构，特别反映在本研究中的捣固结构优化主要是指改变长度和摆动位置捣固结构以及回填料的刮板输送机悬浮高度 （从 Lmin改为 Lmin′，a 到 a′和 g 到 g′分别在图 3中）。优化原理图的捣固结构如图3所示。

图3 捣固结构的优化设计示意图

4 结论

选择液压支架的基本类型，根据要求和设计依据优化液压支架，符合相关标准和规范的要求，符合采煤技术合理结构要求，应力状态良好，稳定性高，支撑和移动能力良好，支持强度高，根据煤炭煤层的发生情况、屋顶和底板的情况确定液压支架的参数，具体包括支持强度、工作阻力、设置负载、最大/最小支撑高度、中心距离和支持的宽度等，其中，结构和尺寸的优化主要包括四杆机构的优化、屋盖长度比的优化与优化捣固结构的优化。