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創新點
基於液壓支架的平面杆系力學模型，推導出四柱液壓支架極限承載區間及邊界條件的解析表達式，得出支架能夠平衡的外載荷必須滿足其對應的頂梁合力和底座合力均在其長度範圍內，依據前後排立柱的最大工作阻力和最大拉力將四柱液壓支架的承載區間劃分為五個區域。定量分析了四柱液壓支架前後排立柱不同工作阻力分配比例和摩擦係數對支架適應性的影響，為四柱液壓支架前後排立柱工作阻力的合理分配提供參考。
作 者
王國法1,3,胡相捧1,2,劉新華3,於 翔3,劉萬財4,呂 益5,鄭 植4
作者單位
1. 中國礦業大學(北京) 機電與信息工程學院；2. 中國礦業大學(北京) 智慧礦山與機器人研究院；3. 天地科技股份有限公司 開採設計事業部；4. 中煤新集能源股份有限公司 口孜東礦；5. 中煤新集能源股份有限公司
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研究背景
目前,我國煤礦開採深度正以8~12m/a的速度增加,近200處礦井開採深度超過800m,47處礦井開採深度超過1000m。我國學者在深部開採工作面礦壓顯現方面進行了大量研究,深部礦壓顯現強烈是深部超大采高綜採技術面臨的主要問題之一,煤與瓦斯突出和衝擊地壓發生概率增大。深部開採還造成巷道變形嚴重、高地溫、煤層自燃發火、礦震、突水等問題。深井工作面的覆巖破斷規律與淺部煤層有本質差異,具有強採動、高應力和複雜地質條件的特點,研發出高可靠性的液壓支架,分析支架的承載能力及適應性至關重要,也是深井智能化開採的基本保障。
以往研究對液壓支架的適應性進行了比較系統的分析,但都認為支架所能平衡的外載荷沿頂梁長度能夠全覆蓋,沒有考慮與一定外載荷對應的底座合力是否超出了底座長度範圍。其次,對於四柱支撐掩護式液壓支架,沒有深入研究前後排立柱不同工作阻力分配比例對支架承載能力的影響。因此,研究支架的承載能力並重新定義支架的承載區間,以及如何科學分配前後排立柱的工作阻力,使支架達到最優的適應性,具有重要的研究意義。
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摘 要
針對口孜東礦121302工作面使用的四柱支撐掩護式液壓支架適應性較差的問題,統計分析了121302工作面的礦壓和支架受力特點,基於平面杆系建立了四柱支撐掩護式支架的力學模型,推導出支架極限外載荷大小和分佈區間的解析表達式,得出支架外載荷與頂梁合力和底座合力是一一對應關係,支架能夠平衡的外載荷必須滿足其對應的頂梁合力和底座合力均在其長度範圍內,否則,支架將不能保持穩定狀態。
支架極限外載荷區間不是完全覆蓋頂梁長度,依據前後排立柱的最大工作阻力和最大拉力分為5個區域:前排立柱達到最大拉力區、後排立柱達到最大工作阻力區、前排立柱達到最大工作阻力區、後排立柱達到最大拉力區、無承載能力區,其中,無承載能力區的區間取決於支架高度、摩擦因數以及頂梁前端至底座前端的水平距離。
通過實例分析了支架前後排立柱不同工作阻力分配比例和摩擦因數對支架適應性的影響,結果表明:支架前後排立柱工作阻力不能相差太大,太大會降低支架的適應性;頂底板鬆軟和較大俯採角度的工作面,支架前後排立柱工作阻力分配比例6∶4時最為合理。
通過增大中缸環形面積以提高後柱的受拉能力來提高支架適應性,為了保護導向套和立柱連接件不受損壞,立柱的上腔加裝安全閥,並加強後排立柱的連接件強度;摩擦因數取負時,支架極限外載荷區間最小,隨支架高度降低,支架極限外載荷區間增大;摩擦因數取非負時,摩擦因數越大,支架前端的承載能力越大,隨支架高度降低,支架極限外載荷區間減小。
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文中圖片
部分支架工作阻力及來壓步距分析
支架壓力監測數據
支架壓力分佈直方圖
支架前後立柱工作阻力分佈直方圖
80號支架某一時間段的前後立柱工作阻力
前柱工作阻力佔整架工作阻力的比例
支架力學模型
極限外載荷曲線
前後排立柱載荷變化曲線
極限外載荷區間隨高度變化曲線
前後排立柱不同工作阻力時的極限外載荷曲線
前後排立柱不同工作阻力時的前後排立柱載荷變化曲線
不同摩擦因數時的極限外載荷曲線
不同摩擦因數時的外載荷區間隨高度變化曲線
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王國法，男，1960年9月21日生，山東文登市人，中國工程院院士，研究員，博士生導師，中國煤炭科工集團首席科學家，中國煤炭科工集團開採設計事業部總工，中國煤炭行業煤礦支護設備標準化技術委員會副主任委員。獲國家科技進步獎和省部級科技獎勵20餘項，發表學術論文100餘篇。2015年“全國先進工作者”榮譽稱號獲得者。2016年榮獲中華國際科學交流基金會“傑出工程師”稱號，2017年獲得“孫越崎能源大獎”，2017年當選中國工程院院士。
研究方向
煤炭高效綜採理論技術與裝備，煤礦智能化技術與裝備
主要成果
致力於煤炭高效綜採理論技術與成套裝備的研究，取得多項創新性成果，形成了煤礦綜採支護成套技術體系，首次提出了液壓支架與圍巖“強度耦合、剛度耦合、穩定性耦合”的“三耦合”原理和設計方法，為煤礦提供了安全高效的支護技術；主持設計研發了世界最大采高的8.2m超大采高綜採和20m特厚煤層綜放、世界最小採高的0.6~1.3m薄煤層智能化綜採和最大傾角的55°大傾角綜採等系列技術與裝備，形成了系列化成套高效綜採技術裝備；在煤礦智能化技術與裝備方面，首次實現常態化工作面有人巡視、無人操作的智能化採煤，取得明顯創新性成果，獲得中國工業大獎，為煤礦高效、安全生產提供了有力的技術保障。
王國法,胡相捧,劉新華,等. 千米深井大采高俯採工作面四柱液壓支架適應性分析[J]. 煤炭學報,2020,45(3):865-875.
WANG Guofa,HU Xiangpeng,LIU Xinhua,et al. Adaptability analysis of four-leg hydraulic support for underhand working face with large mining height of kilometer deep mine[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(3):865-875.
審 核：常琛
End
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