四柱液压机导向套密封更换

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创新点

基于液压支架的平面杆系力学模型，推导出四柱液压支架极限承载区间及边界条件的解析表达式，得出支架能够平衡的外载荷必须满足其对应的顶梁合力和底座合力均在其长度范围内，依据前后排立柱的最大工作阻力和最大拉力将四柱液压支架的承载区间划分为五个区域。定量分析了四柱液压支架前后排立柱不同工作阻力分配比例和摩擦系数对支架适应性的影响，为四柱液压支架前后排立柱工作阻力的合理分配提供参考。

作 者

王国法1,3,胡相捧1,2,刘新华3,于　翔3,刘万财4,吕　益5,郑　植4

作者单位

1. 中国矿业大学(北京) 机电与信息工程学院；2. 中国矿业大学(北京) 智慧矿山与机器人研究院；3. 天地科技股份有限公司 开采设计事业部；4. 中煤新集能源股份有限公司 口孜东矿；5. 中煤新集能源股份有限公司

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研究背景

目前,我国煤矿开采深度正以8~12m/a的速度增加,近200处矿井开采深度超过800m,47处矿井开采深度超过1000m。我国学者在深部开采工作面矿压显现方面进行了大量研究,深部矿压显现强烈是深部超大采高综采技术面临的主要问题之一,煤与瓦斯突出和冲击地压发生概率增大。深部开采还造成巷道变形严重、高地温、煤层自燃发火、矿震、突水等问题。深井工作面的覆岩破断规律与浅部煤层有本质差异,具有强采动、高应力和复杂地质条件的特点,研发出高可靠性的液压支架,分析支架的承载能力及适应性至关重要,也是深井智能化开采的基本保障。

以往研究对液压支架的适应性进行了比较系统的分析,但都认为支架所能平衡的外载荷沿顶梁长度能够全覆盖,没有考虑与一定外载荷对应的底座合力是否超出了底座长度范围。其次,对于四柱支撑掩护式液压支架,没有深入研究前后排立柱不同工作阻力分配比例对支架承载能力的影响。因此,研究支架的承载能力并重新定义支架的承载区间,以及如何科学分配前后排立柱的工作阻力,使支架达到最优的适应性,具有重要的研究意义。

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摘 要

针对口孜东矿121302工作面使用的四柱支撑掩护式液压支架适应性较差的问题,统计分析了121302工作面的矿压和支架受力特点,基于平面杆系建立了四柱支撑掩护式支架的力学模型,推导出支架极限外载荷大小和分布区间的解析表达式,得出支架外载荷与顶梁合力和底座合力是一一对应关系,支架能够平衡的外载荷必须满足其对应的顶梁合力和底座合力均在其长度范围内,否则,支架将不能保持稳定状态。

支架极限外载荷区间不是完全覆盖顶梁长度,依据前后排立柱的最大工作阻力和最大拉力分为5个区域:前排立柱达到最大拉力区、后排立柱达到最大工作阻力区、前排立柱达到最大工作阻力区、后排立柱达到最大拉力区、无承载能力区,其中,无承载能力区的区间取决于支架高度、摩擦因数以及顶梁前端至底座前端的水平距离。

通过实例分析了支架前后排立柱不同工作阻力分配比例和摩擦因数对支架适应性的影响,结果表明:支架前后排立柱工作阻力不能相差太大,太大会降低支架的适应性;顶底板松软和较大俯采角度的工作面,支架前后排立柱工作阻力分配比例6∶4时最为合理。

通过增大中缸环形面积以提高后柱的受拉能力来提高支架适应性,为了保护导向套和立柱连接件不受损坏,立柱的上腔加装安全阀,并加强后排立柱的连接件强度;摩擦因数取负时,支架极限外载荷区间最小,随支架高度降低,支架极限外载荷区间增大;摩擦因数取非负时,摩擦因数越大,支架前端的承载能力越大,随支架高度降低,支架极限外载荷区间减小。

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文中图片

部分支架工作阻力及来压步距分析

支架压力监测数据

支架压力分布直方图

支架前后立柱工作阻力分布直方图

80号支架某一时间段的前后立柱工作阻力

前柱工作阻力占整架工作阻力的比例

支架力学模型

极限外载荷曲线

前后排立柱载荷变化曲线

极限外载荷区间随高度变化曲线

前后排立柱不同工作阻力时的极限外载荷曲线

前后排立柱不同工作阻力时的前后排立柱载荷变化曲线

不同摩擦因数时的极限外载荷曲线

不同摩擦因数时的外载荷区间随高度变化曲线

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作者简介

王国法，男，1960年9月21日生，山东文登市人，中国工程院院士，研究员，博士生导师，中国煤炭科工集团首席科学家，中国煤炭科工集团开采设计事业部总工，中国煤炭行业煤矿支护设备标准化技术委员会副主任委员。获国家科技进步奖和省部级科技奖励20余项，发表学术论文100余篇。2015年“全国先进工作者”荣誉称号获得者。2016年荣获中华国际科学交流基金会“杰出工程师”称号，2017年获得“孙越崎能源大奖”，2017年当选中国工程院院士。

研究方向

煤炭高效综采理论技术与装备，煤矿智能化技术与装备

主要成果

致力于煤炭高效综采理论技术与成套装备的研究，取得多项创新性成果，形成了煤矿综采支护成套技术体系，首次提出了液压支架与围岩“强度耦合、刚度耦合、稳定性耦合”的“三耦合”原理和设计方法，为煤矿提供了安全高效的支护技术；主持设计研发了世界最大采高的8.2m超大采高综采和20m特厚煤层综放、世界最小采高的0.6~1.3m薄煤层智能化综采和最大倾角的55°大倾角综采等系列技术与装备，形成了系列化成套高效综采技术装备；在煤矿智能化技术与装备方面，首次实现常态化工作面有人巡视、无人操作的智能化采煤，取得明显创新性成果，获得中国工业大奖，为煤矿高效、安全生产提供了有力的技术保障。

来源：

王国法,胡相捧,刘新华,等. 千米深井大采高俯采工作面四柱液压支架适应性分析[J]. 煤炭学报,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.

责任编辑：郭晓炜

编辑整理：郭晓炜

审 核：常琛

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