基于三維仿真軟件的回填液壓支架 水平間隙技術研究

　　摘 要：作為實現回填和采煤一體化的主要設備，回填液壓支架特性將會影響回填體壓縮率。水平頂板間隙作為回填特性的關鍵參數，會從預先控制頂板沉降、支撐力、回填過程和支架設計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、起因和內涵。然后通過Pro/E 3D仿真軟件進行仿真，考慮水平頂板對回填效果、支架高度、懸架高度、懸架角和夯實角等因素的影響，建立了3種典型的回填液壓支架3D立體模型，并在頂隙的基礎上進行分析。結果表明，這4個因素均對頂板水平縫隙有顯著影響，但影響趨勢和程度存在差異，分別顯示負線性相關、正線性相關、正半拋物相關和負半拋物相關。

　　本文源自周文君，機械工程師 發表時間：2021-04-09《機械工程師》(月刊)創刊于1969年，由黑龍江省機械科學研究院、黑龍江省機械工程學會主辦。是我國制造業領域歷史悠久、具有廣泛影響力的國內外公開發行的大型綜合性科技期刊，近年來整合了工業媒體與科技期刊的雙重功能，系中國期刊方陣雙效期刊，中國機械制造領域一等獎期刊，中國學術期刊(光盤版)全文收錄期刊，萬方數據全文收錄期刊。

　　關鍵詞：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上進行直接礦藏回采技術的研究，該技術已在鹽礦集團、濟寧礦業集團、開灤集團、皖北煤電集團、淮北集團和神馬集團等20多個固體回填煤工作面中投入了工業應用。作為回填過程中同時實現回填和采煤的關鍵設備，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鍵指標并且對回填有直接影響，是壓縮比的關鍵參數。

　　最近關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計理念和應力分析的基礎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動機理;南寧[2]分析了ZY4800/06/16.5D液壓支架頂棚的應力和各條支架腿之間的應力;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)的影響因素及設計和判斷方法;樊彤菲等[4]建立了支護與圍巖相互作用的機械模型，來討論合理的前進方式和不同條件下的支護應力;任然[5]在分析了回填支架與圍巖之間的關系及上覆地層的運動特征，揭示支架屋頂和地層的移動規則;張鵬偉等[6]研究了ZZC8800 / 20/38回填支架的設計理念、技術參數和結構特性。在上述研究中，沒有旨在針對回填液壓支架的水平頂隙的相關分析。

　　在本文中，首先介紹了水平頂隙的定義、成因和內涵，然后對水平頂隙對回填效果的影響進行了定性分析。此外，通過模擬，研究具體回填液壓支架隨支架高度、懸掛高度的變化規律和其他關鍵影響因素。在此基礎上，提出了夯土臂的設計方案和回填液壓支架的工程應用，為回填支架的設計提供了理論依據和指導，以提高回填性能。

　　1 水平間隙定義

　　在回填煤層上，采空區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構和回填過程，在回撤期，液壓支架與回填體的聯合控制區域中存在不帶支架的實時移動“空區”(如圖1中的D所示)。“空白區域”的長度實際上是從回填體接觸點和直接頂板到回填液壓支架的后末端的絕對值。由于此類接觸點會隨著工作面的前進而連續移動，因此無法應用適當的參數來指示此類“空區域”的大小。但是，這種“空區域”的大小將對車頂控制產生很大影響。本文中，采用水平屋頂間隙指標，在“空白區域”上進行定性和定量研究。

　　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 )。根據不同的原因，可以將這種距離分為支架結構確定的理論水平屋頂間隙和由現場回填過程確定實際水平屋頂間隙。水平頂間隙的值可以反映“空白區域”的大小。

　　根據定義，支架相互干擾引起的水平頂縫隙實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輸送并排出到料滴中，然后由夯實臂進行夯實。每個夯實角都會造成實際的工作水平屋頂間隙，即在夯實過程中引起一定數量的實際工作的水平屋頂間隙。當夯實臂以最大夯實角度工作時，實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的夯實臂長度L、卸料中心距離 a和滑槽寬度k、夯實角β由具體的支架結構確定，而夯實角β則由回填刮板輸送機的支架高度M、懸掛高度g和回填刮板輸送機的懸掛角度γ綜合確定;懸架高度g由支架結構確定，懸架角γ由煤層的傾角α和頂板沉陷Mt確定。

　　2 水平間隙對回填效果影響分析

　　從控制屋頂沉降的角度來看，水平的屋頂間隙會導致“空區”，如果在屋頂破裂和脈石聚集到采空區時發生崩落，不僅會損壞設備，還可能提前增加屋頂的沉降并降低容納率、回填空間和壓縮率。至于支架應力，水平車頂縫隙直接影響后車頂棚的應力分布。水平屋頂縫隙越大，控制區域中的地層負載將越重，后部屋頂雨棚上的負載將相應增加，改變支架的應力狀態。對于六柱回填支架，它將增加中間柱的負載，導致中間柱被抽出，這可能會影響支架性能的維持。關于回填過程的實施，水平屋頂間隙會影響夯實時間。較大的水平屋頂間隙將導致搗固臂的行程變大，搗固時施加的力更大，并對泵站的壓力提出更高的要求。同時，這也會延長夯實時間，減慢回填過程并降低回填效率。在支架設計方面，水平頂板間隙作為支架設計合理性的重要參考指標，直接反映出支架出料中心位置、夯實臂長度和頂棚長度的最佳組合;因此 如果水平屋頂間隙較大，則需要進一步優化支架尺寸，這說明支架設計的合理性較差。因此，水平頂板縫隙從預先控制頂板沉陷、支架應力、回填過程和支架設計4個方面影響回填采煤效果。水平頂板縫隙小將對回填采煤效果產生輕微影響。需要對水平頂板間隙的影響因素進行深入研究，主要包括支架高度、懸架高度、懸架角和夯實角。

　　3 水平間隙仿真分析

　　采用頂級建模方法，通過Pro/E Wildfire 5.0構建由支持組件和零件組成的模型樹。然后，對這些部件進行建模，例如前后頂棚、底座、穩定桿、支腿和夯實臂。最后，在定義了零部件的約束關系并根據支座的結構關系進行裝配設計后，進行了干涉檢查，并獲得了完整的3D 實體模型，如圖3所示。

　　在仿真過程中，應為搗固臂和搗固腿定義單獨的伺服電動機，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動;2)夯實臂完全伸展;3)夯實臂以最大角度伸展時，始終保持夯實臂末端與刮板輸送機之間的切線;4) 連接刮板輸送機和夯實臂時，水泥環鏈的懸掛方向與重力方向保持一致。5)支架高度、懸掛高度、懸掛角和夯實角的值，以及支架的結構參數應符合地質條件。

　　在不同的地質條件下，煤層將直接影響回填液壓支架的支架高度。當搗固臂以最大角度拉伸時，搗固臂的末端與回填刮板輸送機相切。在這種情況下，隨著支架高度的增加，后頂棚的頂端和夯實臂的末端都向前移動。此時，這兩個點之間的水平距離實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，在最大夯實角和懸架角為0°的情況下，采用上述仿真方法進行運動仿真，以監測后X和Y 坐標值及臂頂端的X坐標值。然后，得到支架高度與屋頂水平間隙的關系曲線。

　　4 結論

　　本文研究的當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水平間隙均具有重大影響。對水平間隙的影響趨勢上有所不同：1)支座高度、懸架高度、懸架角和夯實角分別與水平間隙呈負線性相關、正線性相關、正半拋物線相關和負半拋物線相關;2)對于相同類型的支架，支架高度和懸架高度的靈敏度基本相同，但夯實角的靈敏度大于懸架角。