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    晓南矿  冯青林 田盛时

     

     研制出架体可展开支撑顶板,能够主动给空顶区较强的初撑力,支护省时省力,操作快捷的掘进机机载临时支护装置,在掘进工作面投入使用后,取得了较好的效果,宜向各矿山企业进行推广。

    关键词机载支护掘进机空顶区域临时支护

     

    1 引言

    晓南矿巷道掘进施工工艺循环为:截割→退机→敲帮问顶→临时支护→永久支护→再截割。传统的临时支护流程如图1所示:掘进机割出2m的空顶区域后,倒退至待机区。多名掘进人员协同作业,先接设锚网,再安装挑顶环(用来将挑顶杆悬挂在顶板上),安装挑顶架(用来固定挑顶杆后端),最后纵向安装约3.5m长的挑顶杆探至空顶区。挑顶架前轻后重,依据杠杆原理,将钢筋梯挑起,在钢筋梯内孔的预留位置上,用锚杆机打注锚杆,安锚杆托盘,完成对顶板的支护。

     

    2提出问题

    传统的临时支护,全过程均为人工操作,步骤较多,视顶板情况安设二套或三套挑顶架、挑顶杆、挑顶环,来挑起钢筋梯。此流程以下问题:对顶板没有初撑力,属于被动支护,安全可靠性差;流程十分繁琐,需前后人员配合娴熟,且易出现人身磕碰情况;挑顶杆与顶板为点接触,挑顶纵深范围仅为2m,不能完全贴合顶板。

    面对以上不足,如何结合掘进工作面实际情况,以掘进机为载体,研制机械液压一体化装置,使临时支护更快速、可靠,有效解决临时支护施工中,人力、物力高投入问题。

     

    3分析问题

    3.1机载支护设计方案

    晓南矿自行研发机载临时支护装置,其结构完全展开如图2所示,折叠后如图3所示。架体由前至后分别为接顶内梁、接顶外梁、旋转内臂×2、旋转外臂×2,组成了支撑体,油缸由前至后分别为伸缩缸、调角缸×2、内置缸×2、旋转缸×2,提供了伸展、折叠的动力,各铰接处销轴共16根,以使架体、油缸、掘进机有机连接成为整体。


    1 传统的临时支护形式


    2 机载临时支护的展开图


    3 机载临时支护的折叠图

    液压结构如图4所示,分别由五联阀组×1、分流集流阀×2、双向锁×3、板式平衡阀×4及各种胶管、接头等组成。从掘进机联阀组件取油,通过五联阀组控制各缸体:二个内置油缸分别由2片阀控制,实现旋转内臂的不同步升降,以满足顶板不平时的情况;旋转油缸由1片阀控制,实现旋转臂的转动,调角油缸由1片阀控制,实现接顶外梁的水平接顶,单伸缩油缸由1片阀控制,实现接顶内梁的向前伸出。


    4 机载临时支护液压系统原理图

    3.2分析因素

    设计该机载支护时,主要从以下6个方面分析考虑。

    3.2.1功能性

    传统挑顶杆临时支护的有效支护距离仅为2m,而机载支护的设计有效支护距离要达到3m以上。掘进机截割部上部空间能够提供约2.4m的长度,以此确定了机载支护的接顶部位采用二级“抽屉”式抽拉模式,接顶外梁长约1.9m,接顶内梁长约1.5m,接顶面积约3m×1.5m。

    接顶内梁在伸出过程中,是将垂直向下的锚网逐渐推向水平,为了防止棱角刮伤、损坏锚网,接顶内梁前部采用整体弯曲成型,两端的切角配合圆角,可平顺的与锚网接触,不会刮伤锚网。接顶内梁的梯形斜边上,有三角形的凸起,形成矩形槽,可利用槽固定钢筋梯和接顶木拌,防止其纵向滑动。

    3.2.2强度及重量

    架体采用Q345牌号钢制作,其性能适宜切削加工和焊接加工。较高的机械强度能够确保顶板有异常情况时,架体提供较大的支撑力。因其是以掘进机的截割部为载体进行安装,掘进机行走及作业时,机载支护的主体是折叠后伏在截割部上,所以要求其整体重量尽可能的轻,避免因过重而导致回转工作台、回转支承、紧固螺栓、销轴衬套等零部件因承受载荷过大而导致使用寿命的缩短,机载临时支护的全部重量不能超过0.7t,大部分架体结构决定采用70×70×5mm方焊管、δ8mm钢板焊接成型。

    3.2.3操作视线

    在掘进机作业时,机载支护是处于收缩折叠状态的。为了不影响司机的操作视线,使其能够尽量直观的观察截割头截割情况。机载支护的高度应最大化的降低,避免司机因无法观察到截割头截割顶帮煤岩的情况,进而造成顶帮超挖和刮碰顶帮锚杆及锚网。两侧的调角缸位置是在旋转臂正上方靠里侧布置,折叠后,可让出旋转臂的空间,进一步下降高度;接顶外梁二侧面方焊管的位置,是在调角缸正上方靠里侧布置,折叠后,可让出调角缸的空间,这样可以有效的降低收缩折叠后的整体高度。

    接顶外梁中间的二根连接横梁,在使用中不是主要承重部位,仅起连接二侧纵梁的作用。所以,采用扁形60×30×3mm方焊管靠下布置,以减少对司机视线的遮挡。

    3.2.4防交叉干涉

    机载支护在接顶的过程中,已打注锚杆、锚索的突出部分会对接顶外梁的移动、上升产生影响,为了避免、减少刮碰。接顶外梁的俯视投影面积要尽可能的小。所以,只在梁的中间设置了一个伸缩缸。最后一道梁的位置也尽可能的靠前布置。

    3.2.5保护

    首先是对人的保护,机载支护伸展后,人员要在其下方作业,为避免液压系统突然失效,油缸收缩,架体下落而伤及人员,装置上设置了3组双向锁和2组平衡阀。锁和阀的布置尽可能靠近油缸,在伸展后发挥作用,对人员提供保护。锁和阀布置的越远离油缸,发生液压事故的概率越大。

    其次是对液压元件的保护,掘进工作面存在掉落碎块的风险,油缸杆、双向锁、阀、接头被岩块砸中会降低密封性,甚至会失去作用。在它们的正上方均设置有护板,以防碎块砸坏。

    3.2.6防震

    在掘进机截割时,机载支护会随着截割部做剧烈的震动。为防止销轴的串出、丢失,各处销轴均设计有卡板,个别处于震动强烈位置的销轴,在其另一端加工出螺纹,拧紧带孔的螺母,孔内穿入开口销,防止串出。为防止接顶外梁的震动,进而影响调角缸的寿命,在截割作业时,用夹子将接顶外梁分别同左右旋转外臂固定,使其形成一个整体,防止震动对其产生影响。

    3.3受力计算

    在假定铰接点稳固不破坏的前提下接顶内梁完全伸出的状态下对受力1.5t和0.75t二种情况进行分析:

     

    5 受力1.5t和0.75t时的分析

    3.3.1接顶内梁受力1.5t时

    接顶内梁及接顶外梁模型分析如图5所示,最大位移出现在接顶内梁最前端,形变量约为56mm。

    最大应力点为接顶内梁根部与外梁接触位置最大应力为383MPa,Q345刚屈服强度为345MPa,抗拉强度为490~675MPa,抗剪强度为0.7~0.8抗拉强度。可知,在顶板掉落岩石质量达到1.5t时,内梁一定会出现变形,内梁和外梁的最大应力点存在破断的可能。因为所受应力超过屈服,所以安全系数偏低,约为0.96。通过分析,机载支护无法独自承载1.5t掉落岩块的能力,在接顶外梁两侧方焊管70×70×5mm的最前端,增焊80×80×8mm方焊管,在该处薄弱点进行补强。

    3.3.2接顶内梁受力0.75t时

    接顶内梁及接顶外梁模型分析如图5所示,最大位移出现在接顶内梁最前端,形变量约为26mm。

    最大应力点为接顶内梁根部与外梁接触位置最大应力为191.8MPa,安全系数1.8。

    在车间制作组装后,实际进行了加载试验,在最前端加载0.8t的重物,10min型变量约29mm。

    经分析,机载支护可独自承载0.75t掉落岩块的能力,配合DW31.5-30/100B型单体液压支柱,安全系数大幅提升,可承载岩块的重量也大幅增加。

    在接顶外梁两侧及接顶内梁的中间,共焊接三个能够固定单体支柱的卡位圆环。

    3.3.3受力1.5t(忽略自重)

    对油缸进行校核,旋转油缸所受拉力:15000N×5234=424×T  

    T=185165.1N

    自重伸缩内梁185kg,伸缩外梁320kg,伸缩外梁重心距离铰接点3900mm,

    自重对旋转油缸的拉力为:

    185+320)×10×3900=424×T´   

    T´=46450.5N

    T=185165.1+46450.5=231615.6N     约为23.2t等效力

    旋转油缸的力臂是个浮动值,会随着运动改变,约为424~520mm,选最小值计算。

    旋转油缸额定拉力为16MPa×S=16MPa×5030mm²=80480N,约为8t等效力。

    结论:不安全

    3.3.4受力0.75t(忽略自重)

    对油缸进行校核,旋转油缸所受拉力:7500N×5234=424×T  

     T=92582.5N

    自重伸缩内梁185kg,伸缩外梁320kg,伸缩外梁重心距离铰接点3900mm,

    自重对旋转油缸的拉力为:

    185+320)×10×3900=424×T´   

    T´=46450.5N

    T=92582.5+46450.5=139033N     约为13.9t等效力

    旋转油缸调整至125mm缸径,正向安装额定拉力为

    16MPa×S=16MPa×7245.3mm²=115924.8N    约为11.6t等效力

    结论:不安全

    3.2.5旋转油缸倒装的情况

    额定拉力为:16MPa×S=16MPa×12271.8mm²=196348.8N    约为19.6t等效力

    经校核,旋转油缸倒装,满足使用要求。

     

    4解决问题                                                 

    4.1机载支护的安装及联动试运转

    在车间试验合格后,拆解、入井组装并进行试运转。首先,确定分解程度,避免因过度分解而导致井下组装任务量的增加。接顶内梁插接进接顶外梁,并用伸缩油缸连接为1组;用内置缸将旋转内臂和旋转外臂连接为左右2组;其他油缸、销轴、液压元件等,采取保护、固定措施后,运往工作面掘进机旁。

    将掘进机截割部降至底板,拆下截割部盖板,停机闭锁。将截割部与回转工作台连接的销轴拆除,安设机载支护的特制悬臂销轴,旋转油缸倒装,缸杆朝向销轴并固定在销轴上。将截割减速机与截割升降油缸的连接销拆除,安设机载支护的特制悬臂销轴,旋转臂最前端固定在销轴上,借助起重机调整旋转臂,将旋转缸末端的铰接孔对准旋转外臂上的预留铰接孔,并穿销轴。将接顶内梁伸缩缸接顶外梁整体起重吊装,将接顶外梁末端的二个铰接孔分别对正二个旋转内臂上的铰接孔,并穿销轴。吊起接顶内梁最前端,使接顶外梁随之前端仰起,安设两侧的调角缸并穿销轴固定。至此,架体部分、油缸部分安装完毕,进入液压系统安装阶段。

    将六联操作阀固定在操作台上盖板处3个双向锁、4个分流集流阀、2个平衡阀分别固定在预留位置,用KJR10-32胶管、接头、三通等将阀、锁、缸连接起来,如图6所示,形成液压系统。随后,对其进行联动试运转,观察架体结构动作的准确、顺畅性,调整液压系统的压力,布置管线。完毕后,投入使用。

    机载临时支护率先在晓南矿二水平北一15层轨道中巷及北一1506回风顺槽投入使用,它提高了支护作业的效率和安全性,员工在熟练掌握使用机载支护后,有效缩短了临时支护所使用的最新版本万博app全站,比传统的人工使用挑顶杆临时支护更快捷,也提高了对空顶区域的安全可控性。

     

    6 机载临时支护液压系统接管图

    4.2机载临时支护创新点

    机载支护以掘进机截割部为平台进行安装,能够自由随掘进机行走,以掘进机系统本身的双联柱塞泵提供动力,以多路控制阀控制各部的动作,实现液压机械一体化,使掘进机截割与支护交替作业。它从根本上改变了传统临时支护的功能和形式,通过有效的给顶板主动施加初撑力,避免了工人在空顶区作业,增加了锚护作业时工作人员的安全性,实现了锚网、钢筋梯的机械化敷设,降低了工人的劳动强度。机载临时支护装置用时展开,不用时折叠,液压缸驱动,操作简易、方便,减少了支护辅助最新版本万博app全站,提高了效率。进行拓展后,可与不同品牌、型号掘进机有机结合,亦不影响掘进机自身性能。

    4.3经济效益

    机载支护在晓南矿投入使用后,为井下各掘进队提高了支护作业效率,节约了人工,每年为矿节约生产成本91.36万元。

     

    5 结  语

    机载临时支护装置解决了掘进生产中遇到的实际问题,取得了较好的安全和经济效益。

     

    参考文献

    [1] 成大先. 机械设计手册第六版[M].北京:化学工业出版社,2016.

    [2] 杨培元. 液压系统设计手册[M].北京:机械工业出版社,2017.

     

    作者简介 冯青林1974—)男,工程师,1995年毕业于阜新煤炭工业学校测量专业,现在万博安卓手机客户端下载能源公司晓南矿担任掘进矿长职务。联系电话:15941050987。


  • 上一篇:摘自中国煤炭期刊网——综采工作面煤层注水防尘优化及效果研究[ 08-25 ]