基于三维仿真软件的回填液压支架 水平间隙技术研究

　　摘 要：作为实现回填和采煤一体化的主要设备，回填液压支架特性将会影响回填体压缩率。水平顶板间隙作为回填特性的关键参数，会从预先控制顶板沉降、支撑力、回填过程和支架设计等方面影响回填效果。文中首先分析了水平顶隙存在的原因，介绍其定义、起因和内涵。然后通过Pro/E 3D仿真软件进行仿真，考虑水平顶板对回填效果、支架高度、悬架高度、悬架角和夯实角等因素的影响，建立了3种典型的回填液压支架3D立体模型，并在顶隙的基础上进行分析。结果表明，这4个因素均对顶板水平缝隙有显着影响，但影响趋势和程度存在差异，分别显示负线性相关、正线性相关、正半抛物相关和负半抛物相关。

　　本文源自周文君，机械工程师 发表时间：2021-04-09《机械工程师》(月刊)创刊于1969年，由黑龙江省机械科学研究院、黑龙江省机械工程学会主办。是我国制造业领域历史悠久、具有广泛影响力的国内外公开发行的大型综合性科技期刊，近年来整合了工业媒体与科技期刊的双重功能，系中国期刊方阵双效期刊，中国机械制造领域一等奖期刊，中国学术期刊(光盘版)全文收录期刊，万方数据全文收录期刊。

　　关键词：水平间隙;回填液压支架;支架高度;悬挂高度;悬吊角度

　　自从在处理地面废弃固体和建筑、铁路、水体下的矿物的基础上进行直接矿藏回采技术的研究，该技术已在盐矿集团、济宁矿业集团、开滦集团、皖北煤电集团、淮北集团和神马集团等20多个固体回填煤工作面中投入了工业应用。作为回填过程中同时实现回填和采煤的关键设备，回填液压支架的性能将直接影响回填体的压缩比，而且，水平的顶隙作为回填性能的关键指标并且对回填有直接影响，是压缩比的关键参数。

　　最近关于液压支架的研究主要有：康松松等[1]在回填式液压支架的设计理念和应力分析的基础上描述了液压支架在控制顶部完整性和回填空间方面的运动机理;南宁[2]分析了ZY4800/06/16.5D液压支架顶棚的应力和各条支架腿之间的应力;柳志斌等[3]研究了回填液压支架合理顶板间隙(即垂直顶板间隙，称为顶板间隙)的影响因素及设计和判断方法;樊彤菲等[4]建立了支护与围岩相互作用的机械模型，来讨论合理的前进方式和不同条件下的支护应力;任然[5]在分析了回填支架与围岩之间的关系及上覆地层的运动特征，揭示支架屋顶和地层的移动规则;张鹏伟等[6]研究了ZZC8800 / 20/38回填支架的设计理念、技术参数和结构特性。在上述研究中，没有旨在针对回填液压支架的水平顶隙的相关分析。

　　在本文中，首先介绍了水平顶隙的定义、成因和内涵，然后对水平顶隙对回填效果的影响进行了定性分析。此外，通过模拟，研究具体回填液压支架随支架高度、悬挂高度的变化规律和其他关键影响因素。在此基础上，提出了夯土臂的设计方案和回填液压支架的工程应用，为回填支架的设计提供了理论依据和指导，以提高回填性能。

　　1 水平间隙定义

　　在回填煤层上，采空区顶板由回填液压支架和回填体控制。但是，由于回填液压支架的特殊结构和回填过程，在回撤期，液压支架与回填体的联合控制区域中存在不带支架的实时移动“空区”(如图1中的D所示)。“空白区域”的长度实际上是从回填体接触点和直接顶板到回填液压支架的后末端的绝对值。由于此类接触点会随着工作面的前进而连续移动，因此无法应用适当的参数来指示此类“空区域”的大小。但是，这种“空区域”的大小将对车顶控制产生很大影响。本文中，采用水平屋顶间隙指标，在“空白区域”上进行定性和定量研究。

　　间隙是指从完全伸展的捣固臂前端到回填液压支架顶棚端的水平距离(图1中的K0 )。根据不同的原因，可以将这种距离分为支架结构确定的理论水平屋顶间隙和由现场回填过程确定实际水平屋顶间隙。水平顶间隙的值可以反映“空白区域”的大小。

　　根据定义，支架相互干扰引起的水平顶缝隙实际上是理论水平顶缝隙，即从完全伸展的捣固臂的前端到顶棚端的距离。按照回填基本工作原理，固体物料由悬挂在后顶棚下面的回填刮板输送机输送并排出到料滴中，然后由夯实臂进行夯实。每个夯实角都会造成实际的工作水平屋顶间隙，即在夯实过程中引起一定数量的实际工作的水平屋顶间隙。当夯实臂以最大夯实角度工作时，实际水平屋顶间隙仅是理论水平屋顶间隙(即理论水平屋顶间隙的最小值)。

　　其中回填刮板输送机的夯实臂长度L、卸料中心距离 a和滑槽宽度k、夯实角β由具体的支架结构确定，而夯实角β则由回填刮板输送机的支架高度M、悬挂高度g和回填刮板输送机的悬挂角度γ综合确定;悬架高度g由支架结构确定，悬架角γ由煤层的倾角α和顶板沉陷Mt确定。

　　2 水平间隙对回填效果影响分析

　　从控制屋顶沉降的角度来看，水平的屋顶间隙会导致“空区”，如果在屋顶破裂和脉石聚集到采空区时发生崩落，不仅会损坏设备，还可能提前增加屋顶的沉降并降低容纳率、回填空间和压缩率。至于支架应力，水平车顶缝隙直接影响后车顶棚的应力分布。水平屋顶缝隙越大，控制区域中的地层负载将越重，后部屋顶雨棚上的负载将相应增加，改变支架的应力状态。对于六柱回填支架，它将增加中间柱的负载，导致中间柱被抽出，这可能会影响支架性能的维持。关于回填过程的实施，水平屋顶间隙会影响夯实时间。较大的水平屋顶间隙将导致捣固臂的行程变大，捣固时施加的力更大，并对泵站的压力提出更高的要求。同时，这也会延长夯实时间，减慢回填过程并降低回填效率。在支架设计方面，水平顶板间隙作为支架设计合理性的重要参考指标，直接反映出支架出料中心位置、夯实臂长度和顶棚长度的最佳组合;因此 如果水平屋顶间隙较大，则需要进一步优化支架尺寸，这说明支架设计的合理性较差。因此，水平顶板缝隙从预先控制顶板沉陷、支架应力、回填过程和支架设计4个方面影响回填采煤效果。水平顶板缝隙小将对回填采煤效果产生轻微影响。需要对水平顶板间隙的影响因素进行深入研究，主要包括支架高度、悬架高度、悬架角和夯实角。

　　3 水平间隙仿真分析

　　采用顶级建模方法，通过Pro/E Wildfire 5.0构建由支持组件和零件组成的模型树。然后，对这些部件进行建模，例如前后顶棚、底座、稳定杆、支腿和夯实臂。最后，在定义了零部件的约束关系并根据支座的结构关系进行装配设计后，进行了干涉检查，并获得了完整的3D 实体模型，如图3所示。

　　在仿真过程中，应为捣固臂和捣固腿定义单独的伺服电动机，以满足以下要求：1)永久保持前后车顶棚水平，而不限制其在水平方向上的运动;2)夯实臂完全伸展;3)夯实臂以最大角度伸展时，始终保持夯实臂末端与刮板输送机之间的切线;4) 连接刮板输送机和夯实臂时，水泥环链的悬挂方向与重力方向保持一致。5)支架高度、悬挂高度、悬挂角和夯实角的值，以及支架的结构参数应符合地质条件。

　　在不同的地质条件下，煤层将直接影响回填液压支架的支架高度。当捣固臂以最大角度拉伸时，捣固臂的末端与回填刮板输送机相切。在这种情况下，随着支架高度的增加，后顶棚的顶端和夯实臂的末端都向前移动。此时，这两个点之间的水平距离实际上就是水平屋顶间隙(即理论水平屋顶间隙)，它随支架高度而变化。在支架的最佳工作高度范围内，在最大夯实角和悬架角为0°的情况下，采用上述仿真方法进行运动仿真，以监测后X和Y 坐标值及臂顶端的X坐标值。然后，得到支架高度与屋顶水平间隙的关系曲线。

　　4 结论

　　本文研究的当前广泛使用的液压支架的支座高度、悬架高度、悬架角和固角等因素对水平间隙均具有重大影响。对水平间隙的影响趋势上有所不同：1)支座高度、悬架高度、悬架角和夯实角分别与水平间隙呈负线性相关、正线性相关、正半抛物线相关和负半抛物线相关;2)对于相同类型的支架，支架高度和悬架高度的灵敏度基本相同，但夯实角的灵敏度大于悬架角。