一種新型旺格維利支架
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作者：張毅
1 開(kāi)發(fā)背景
煤炭工業(yè)的高速發(fā)展在確保為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)提供品質(zhì)潔凈、數(shù)量充足的煤炭的同時(shí)，還要提高煤炭資源利用率，保護(hù)人類賴以生存的地球環(huán)境少受污染。然而，我國(guó)不少地方煤炭開(kāi)采還處在相對(duì)落后的水平，對(duì)煤柱及邊角煤炭資源回收利用不足，大量寶貴的煤炭資源被廢棄，造成能源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。究其原因，主要是缺乏合理、安全、高效的回收工藝和裝備。新型旺格維利采煤工藝能夠方便快捷地實(shí)現(xiàn)煤柱和邊角資源的高效回收，提高資源回收率，是一套科學(xué)合理、綠色環(huán)保的先進(jìn)采煤方法。新型旺格維利采煤工藝及裝備具有機(jī)械化水平高、安全性高、功耗低、適應(yīng)性強(qiáng)、施工組織簡(jiǎn)單、作業(yè)效率高等突出優(yōu)點(diǎn)。
新型旺格維利采煤工藝的特點(diǎn)如下：①可采寬度≥15 m，并可開(kāi)采三角區(qū)等不規(guī)則煤炭資源；②巷道及設(shè)備布置簡(jiǎn)單，投入少；③實(shí)施安全、簡(jiǎn)便，功耗小。
2新型旺格維利支架的總體設(shè)計(jì)方案
新型旺格維利采煤工藝是在大型煤柱或小塊段資源的兩側(cè)開(kāi)設(shè)兩條巷道，分別用于進(jìn)風(fēng)兼運(yùn)輸和回風(fēng)，然后再在這兩條巷道之間每隔一定間距掘出（近似）垂直的巷道，并由此巷道向兩幫擴(kuò)寬以回收煤炭。新型旺格維利支架在擴(kuò)寬的巷道內(nèi)支撐頂板和側(cè)幫，為落煤、裝煤、運(yùn)煤提供安全空間。新型旺格維利支架每?jī)杉転橐唤M，每組一前一后，中間用液壓千斤頂連接，千斤頂伸縮時(shí)兩架相互借力推移實(shí)現(xiàn)自移。一般每個(gè)回收工作面布置3組共6架新型旺格維利支架，中間的一組適當(dāng)超前布置以加強(qiáng)頂板三角區(qū)的支護(hù)，兩側(cè)各布置一組支護(hù)擴(kuò)寬巷道的頂板及兩幫，為擴(kuò)寬巷道的落煤、裝煤作業(yè)提供保護(hù)。圖1為旺格維利采煤工藝巷道、設(shè)備布置圖。
該套支護(hù)裝備（6架）均為兩柱掩護(hù)式液壓支架，6架支護(hù)設(shè)備分為3組。中間一組主要起支撐巷道中部頂板及推煤、擋煤作用；左側(cè)一組負(fù)責(zé)支撐新擴(kuò)寬巷道左側(cè)頂板，支護(hù)左側(cè)煤壁和推煤；右側(cè)一組負(fù)責(zé)支撐新擴(kuò)寬巷道右側(cè)頂板，支護(hù)右側(cè)煤壁和推煤。
3新型旺格維利支架的結(jié)構(gòu)參數(shù)
3.1 旺格維利支架主要結(jié)構(gòu)組成
新型旺格維利支架由底座、頂梁、掩護(hù)梁、前后連桿、伸縮梁、推移桿及掩護(hù)梁、頂梁側(cè)護(hù)板、電液控制系統(tǒng)等組成。中間一組支架的兩側(cè)側(cè)護(hù)板可翻轉(zhuǎn)升起加大頂板支護(hù)面積，左、右兩側(cè)兩組支架靠近中間的側(cè)護(hù)板也可翻轉(zhuǎn)升起加大頂板支護(hù)面積，靠近側(cè)幫的側(cè)護(hù)板適當(dāng)加長(zhǎng)，增強(qiáng)了護(hù)幫能力，3組支架前部還帶有推煤板和擋煤板。
3.2 旺格維利支架控制系統(tǒng)
新型旺格維利支架控制系統(tǒng)由無(wú)線遙控裝置、本安電源、隔離器、1臺(tái)服務(wù)器、6臺(tái)控制器及相應(yīng)的連接線纜組成，見(jiàn)表1。其中每臺(tái)控制器均連接有壓力傳感器、行程傳感器及電磁驅(qū)動(dòng)器。由于機(jī)械連接及現(xiàn)場(chǎng)使用安全性的要求，架間電纜的走線必須經(jīng)過(guò)前端支架的擋煤板后側(cè)，支架間電氣連接方式如圖2所示。支架部分的控制器需要在掘進(jìn)設(shè)備處進(jìn)行127 V交流供電（粗線所示）。無(wú)線接收器及解碼板與服務(wù)器間進(jìn)行通信，并控制所有的支架控制器（細(xì)線所示）。本安電源、隔離器及控制器在支架上的安裝位置和具體細(xì)節(jié)根據(jù)支架結(jié)構(gòu)確定。
3.3新型旺格維利支架的主要技術(shù)參數(shù)
新型旺格維利支架的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。
因巷道開(kāi)挖后有錨桿錨索支護(hù)，液壓支架作為輔助支護(hù)，巷道平均支護(hù)強(qiáng)度一工作阻力／支護(hù)面積一0. 33 MPa。
3.4 液壓支架主體結(jié)構(gòu)件有限元受力分析
3.4.1 支架型式及加載數(shù)據(jù)
(1)支架型式：ZY5500/24/52兩柱掩護(hù)式支架。
(2)分析依據(jù)：MT312 - 2000《液壓支架通用技術(shù)條件》。
(3)根據(jù)MT312的要求，利用有限元分析軟件對(duì)支架各主要工況進(jìn)行模擬加載（見(jiàn)表3），以檢驗(yàn)主體結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度。
3.4.2分析過(guò)程
通過(guò)三維繪圖軟件建立支架主體結(jié)構(gòu)件的立體圖模型，并簡(jiǎn)化為支架的受力分析模型，對(duì)立體圖模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后根據(jù)MT312 - 2000標(biāo)準(zhǔn)要求的各工況放置墊塊，在支架各對(duì)應(yīng)位置施加標(biāo)準(zhǔn)要求的力，對(duì)支架進(jìn)行內(nèi)加載，通過(guò)軟件運(yùn)算得出受力圖。將幾個(gè)危險(xiǎn)斷面與材料屈服強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，安全系數(shù)為：頂梁柱窩斷面n=1.4；掩護(hù)梁前連桿斷面n=3.5；前連桿n=2.2；后連桿n= 2.8；底座柱窩斷面n=1.4。
支架φ280雙伸縮立柱中缸安全系數(shù)計(jì)算：
(1)當(dāng)支架工作在卸載狀態(tài)時(shí)，支架立柱安全閥卸載壓力為44. 66 MPa，中缸壓力δ=87. 57 MPa，缸體壁厚δ=30 mm，中缸體內(nèi)徑D-200 mm。按中等壁厚缸體計(jì)算公式8=P。D/（2.3．[σ]一P。）Ψ（其中Ψ為強(qiáng)度系數(shù)，對(duì)于無(wú)縫鋼管Ψ=1），求得中缸體壁材料許用應(yīng)力[σ] =292 MPa。
目前國(guó)內(nèi)通用的立柱缸體材料為27SiMn，抗拉強(qiáng)度σ=980 MPa。根據(jù)n=σb／[σ]求得中缸的安全系數(shù)n =3. 35。
(2)當(dāng)支架在試驗(yàn)狀態(tài)時(shí)，按照MT312型式試驗(yàn)要求，取1.5倍的額定工作壓力計(jì)算，此時(shí)中缸壓力為131.4 MPa，安全系數(shù)為2.237。
綜上所述，主要結(jié)構(gòu)件安全可靠。
4結(jié)束語(yǔ)
在開(kāi)發(fā)過(guò)程中根據(jù)工作面的地質(zhì)情況設(shè)計(jì)了該套支架總體方案、主要技術(shù)參數(shù)，根據(jù)總體方案設(shè)計(jì)總裝圖并進(jìn)行受力分析計(jì)算和強(qiáng)度校核。按照?qǐng)D紙?jiān)u審后的要求對(duì)圖紙進(jìn)行完善和標(biāo)準(zhǔn)化，并按照?qǐng)D紙進(jìn)行樣機(jī)的試制。試制后送國(guó)家支架檢測(cè)中心進(jìn)行壓架檢測(cè)并取煤安證。最后進(jìn)行了井下工業(yè)性試驗(yàn)，對(duì)支架的支護(hù)性能和采煤工藝的適應(yīng)性進(jìn)行了驗(yàn)證。
5摘要：介紹了開(kāi)采回收小塊段資源及大型煤柱的工藝和裝備，詳細(xì)介紹了旺格維利支架的總體設(shè)備布置、結(jié)構(gòu)參數(shù)、強(qiáng)度校核、控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成以及六組支架的作用和動(dòng)作原理，為方便快捷地實(shí)現(xiàn)煤柱和邊角資源的合理高效回收、提高資源回收率提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。
