一种新型旺格维利支架

作者：张毅

1  开发背景

  煤炭工业的高速发展在确保为国民经济各行业提供品质洁净、数量充足的煤炭的同时，还要提高煤炭资源利用率，保护人类赖以生存的地球环境少受污染。然而，我国不少地方煤炭开采还处在相对落后的水平，对煤柱及边角煤炭资源回收利用不足，大量宝贵的煤炭资源被废弃，造成能源浪费和经济损失。究其原因，主要是缺乏合理、安全、高效的回收工艺和装备。新型旺格维利采煤工艺能够方便快捷地实现煤柱和边角资源的高效回收，提高资源回收率，是一套科学合理、绿色环保的先进采煤方法。新型旺格维利采煤工艺及装备具有机械化水平高、安全性高、功耗低、适应性强、施工组织简单、作业效率高等突出优点。

  新型旺格维利采煤工艺的特点如下：①可采宽度≥15 m，并可开采三角区等不规则煤炭资源；②巷道及设备布置简单，投入少；③实施安全、简便，功耗小。

2新型旺格维利支架的总体设计方案

新型旺格维利采煤工艺是在大型煤柱或小块段资源的两侧开设两条巷道，分别用于进风兼运输和回风，然后再在这两条巷道之间每隔一定间距掘出（近似）垂直的巷道，并由此巷道向两帮扩宽以回收煤炭。新型旺格维利支架在扩宽的巷道内支撑顶板和侧帮，为落煤、装煤、运煤提供安全空间。新型旺格维利支架每两架为一组，每组一前一后，中间用液压千斤顶连接，千斤顶伸缩时两架相互借力推移实现自移。一般每个回收工作面布置3组共6架新型旺格维利支架，中间的一组适当超前布置以加强顶板三角区的支护，两侧各布置一组支护扩宽巷道的顶板及两帮，为扩宽巷道的落煤、装煤作业提供保护。图1为旺格维利采煤工艺巷道、设备布置图。

  该套支护装备（6架）均为两柱掩护式液压支架，6架支护设备分为3组。中间一组主要起支撑巷道中部顶板及推煤、挡煤作用；左侧一组负责支撑新扩宽巷道左侧顶板，支护左侧煤壁和推煤；右侧一组负责支撑新扩宽巷道右侧顶板，支护右侧煤壁和推煤。

3新型旺格维利支架的结构参数

3.1  旺格维利支架主要结构组成

  新型旺格维利支架由底座、顶梁、掩护梁、前后连杆、伸缩梁、推移杆及掩护梁、顶梁侧护板、电液控制系统等组成。中间一组支架的两侧侧护板可翻转升起加大顶板支护面积，左、右两侧两组支架靠近中间的侧护板也可翻转升起加大顶板支护面积，靠近侧帮的侧护板适当加长，增强了护帮能力，3组支架前部还带有推煤板和挡煤板。

3.2  旺格维利支架控制系统

新型旺格维利支架控制系统由无线遥控装置、本安电源、隔离器、1台服务器、6台控制器及相应的连接线缆组成，见表1。其中每台控制器均连接有压力传感器、行程传感器及电磁驱动器。由于机械连接及现场使用安全性的要求，架间电缆的走线必须经过前端支架的挡煤板后侧，支架间电气连接方式如图2所示。支架部分的控制器需要在掘进设备处进行127 V交流供电（粗线所示）。无线接收器及解码板与服务器间进行通信，并控制所有的支架控制器（细线所示）。本安电源、隔离器及控制器在支架上的安装位置和具体细节根据支架结构确定。

3.3新型旺格维利支架的主要技术参数

新型旺格维利支架的主要技术参数见表2。

  因巷道开挖后有锚杆锚索支护，液压支架作为辅助支护，巷道平均支护强度一工作阻力／支护面积一0. 33 MPa。

3.4  液压支架主体结构件有限元受力分析

3.4.1  支架型式及加载数据

  (1)支架型式：ZY5500/24/52两柱掩护式支架。

  (2)分析依据：MT312 - 2000《液压支架通用技术条件》。

(3)根据MT312的要求，利用有限元分析软件对支架各主要工况进行模拟加载（见表3），以检验主体结构件的强度。

3.4.2分析过程

  通过三维绘图软件建立支架主体结构件的立体图模型，并简化为支架的受力分析模型，对立体图模型进行网格划分，然后根据MT312 - 2000标准要求的各工况放置垫块，在支架各对应位置施加标准要求的力，对支架进行内加载，通过软件运算得出受力图。将几个危险断面与材料屈服强度进行对比，安全系数为：顶梁柱窝断面n=1.4；掩护梁前连杆断面n=3.5；前连杆n=2.2；后连杆n= 2.8；底座柱窝断面n=1.4。

  支架φ280双伸缩立柱中缸安全系数计算：

  (1)当支架工作在卸载状态时，支架立柱安全阀卸载压力为44. 66 MPa，中缸压力δ=87. 57 MPa，缸体壁厚δ=30 mm，中缸体内径D-200 mm。按中等壁厚缸体计算公式8=P。D/（2.3．[σ]一P。）Ψ（其中Ψ为强度系数，对于无缝钢管Ψ=1），求得中缸体壁材料许用应力[σ] =292 MPa。

  目前国内通用的立柱缸体材料为27SiMn，抗拉强度σ=980  MPa。根据n=σb／[σ]求得中缸的安全系数n =3. 35。

  (2)当支架在试验状态时，按照MT312型式试验要求，取1.5倍的额定工作压力计算，此时中缸压力为131.4 MPa，安全系数为2.237。

  综上所述，主要结构件安全可靠。

4结束语

在开发过程中根据工作面的地质情况设计了该套支架总体方案、主要技术参数，根据总体方案设计总装图并进行受力分析计算和强度校核。按照图纸评审后的要求对图纸进行完善和标准化，并按照图纸进行样机的试制。试制后送国家支架检测中心进行压架检测并取煤安证。最后进行了井下工业性试验，对支架的支护性能和采煤工艺的适应性进行了验证。

5摘要：介绍了开采回收小块段资源及大型煤柱的工艺和装备，详细介绍了旺格维利支架的总体设备布置、结构参数、强度校核、控制系统的结构组成以及六组支架的作用和动作原理，为方便快捷地实现煤柱和边角资源的合理高效回收、提高资源回收率提供借鉴经验。