王 跃

（山西宁武大运华盛老窑沟煤业有限公司，山西 宁武 036700）

引言

固体充填采矿技术自研发以来，在多矿区得到了广泛应用，解放了多种困煤类型，涉及建筑物下、水体下、铁路下的煤。四柱液压支架是固体充填采矿技术的关键设备[1-3]。随着科技的发展，其结构和功能不断更新，对地质条件的适应性也有了显著提高。四柱液压支架在该技术中也起着至关重要的作用，它不仅辅助固体四柱材料的运输，而且直接提供四柱空间和四柱材料的夯实力。由于这些作用，需要对四柱液压支架的性能参数进行充分的研究。它直接影响到充填体的效率和充填体的密实度，从而影响最终的岩层控制效果。四柱液压支架的优化设计研究有助于改善其性能参数[4-6]。

为了合理地提高四柱液压支架的性能，改善其充填性能，本文从四连杆机构、后顶盖、夯实结构等关键结构部件的优化设计方面阐述了四柱液压支架的设计方法。在此基础上，建立了四柱式液压支架的优化设计过程。

1 四柱式液压支架概况

为同时掩护采煤作业空间和充填体作业空间，充填体液压支架的顶控距离（即顶盖长度）增大，支架整体结构与传统的综采液压支架有明显区别。具体结构特性为：

1）车顶雨棚结构变化：盾构梁改为后车顶雨棚，车顶雨棚由前车顶雨棚和后车顶雨棚组成；

2）所增加的四柱物料刮输送机悬浮在后车顶雨棚内，提供固体四柱物料的运输动力；

3）捣固结构铰接在底座上，为固体四柱材料提供捣固动力。捣固结构铰接在底座端部，实现上下摆动不同角度；

4）捣固结构前端设置有捣固板，通过捣固板传递压力，实现固体材料的密实捣固。

5）六柱-四杆和四柱-四杆四柱液压支架结构的差异分别为：柱数不同、四杆连杆与天篷铰接位置不同、夯实结构控制方式不同。

四柱液压支架是充填采矿一体化的关键设备，其技术性能包括结构性能、支护性能、夯实性能和力学响应性能等。结构性能包括柱数、水平间隙、垂直间隙、顶盖比等；支护性能包括支护强度、板比压等；夯实性能包括夯实力、夯实角等；力学响应特性包括柱的荷载分布特征等。

四柱液压支架在多个矿区的推广应用，通过对四柱液压支架的工程应用总结，主要存在以下问题：对煤层倾角和特殊地质条件的适应性低；夯实结构对采动高度变化范围大的适应性差；夯实结构与四柱刮板输送机的协同效率有待提高。针对工程应用中存在的上述缺陷，需要对四柱式液压支架结构进行合理的优化设计。

2 优化设计的基本原则和关键部件设计

2.1 优化设计的基本原则

四柱液压支架的结构严格控制其功能。由于四柱式液压支架的结构与传统支架有明显的不同，因此这两种支架具有不同的优化设计原则和方法。后顶盖和夯实结构的设计使四柱液压支架具有特殊的四柱屏蔽和实现功能。顶板控制长度、顶盖长度比、四杆联动形式和铰孔位置等关键构件的尺寸参数影响充填体的支护性能、夯实性能和力学性能。四柱式液压支架设计优化的基本原则是结合工程实际条件，通过优化关键结构尺寸，使支架四柱性能达到最优状态，即满足设计要求的基本技术参数，优化合理的尺寸配置，实现充填体性能的最佳状态。从零件选择和尺寸优化两个方面对支架进行优化设计。本文中的尺寸优化涉及四杆机构、后顶盖和夯实结构，并通过四柱体性能评价体系验证尺寸优化的有效性，采用动态优化设计的方法。

2.2 四连杆机构优化设计

四杆连杆机构的有效性决定了顶盖前端的运动轨迹、连杆机构及前后顶盖的应力、采煤和充填空间等。在四柱式液压支架四杆机构优化设计中，变量主要包括最大支护高度、最小支护高度、横向幅值、后连杆机构铰点与底座、后连杆机构铰点与上连杆机构铰点的水平距离、后方连杆铰链点和基础，包括角度，后方连杆和水平线，如图1-1 所示。

图1 四杆机构优化示意图

主要约束条件包括在从高到低的支撑高度的支撑过程中，雨棚前端轨迹总是倾向于肋侧；前联动铰点和上联动铰点的距离与前联动铰点和后联动铰点的距离之比应控制在4∶1～6∶1 之间。如图1-2 所示，四柱液压支架四杆机构优化结构。优化设计主要是通过改变前连杆铰链点的比值，即将图1-1 中ME的长度在图1-2 中的S 改为图1-2 中的S'。这种变化将导致顶篷前端运动轨迹的差异、联动及前后顶篷受力的差异、采煤四柱空间的差异等。

2.3 顶盖优化设计

顶层长度比的变化对顶层荷载分布、支架稳定性、支架承重及夯筑性能有明显影响；顶盖长度比是支架优化设计中的一个重要优化目标。不同类型的四柱式液压支架具有不同的顶篷长度比；六柱四柱支护顶板长度比为1∶0.70～1∶0.50，四柱四柱支护顶板长度比为1∶1.36～1∶0.54。本研究主要通过优化后车顶雨棚长度来实现雨棚长度比的优化。通过改变后车顶雨棚长度，得到结构性能、支护性能、夯实性能和力学响应性能等指标，顶盖比优化示意图如图2 所示。

图2 顶层长度比优化示意图

2.4 夯实结构优化设计

夯实结构是影响捣实性能的重要结构，具体体现在捣实板的面积和捣实油缸的尺寸决定捣实力的大小；夯击结构的铰链位置和夯击臂的最大、最小长度影响夯击头水平间隙、垂直间隙和夯击头间隙的大小；填土刮板输送机的夯实臂和悬挂位置共同影响夯实角的大小。夯击力、屋顶垂直间隙、屋顶水平间隙、夯击角和夯击头间隙是夯击性能的具体内涵。本研究中夯实结构的优化主要是改变夯实结构的长度、铰接位置以及充填体刮板输送机的悬浮高度。夯实结构优化示意图如图3 所示。

3 工程应用

按照四柱式液压支架的设计流程，其结构和尺寸的优化主要包括三部分，即四杆机构优化、顶盖长度比优化和夯实结构优化。通过改变后车顶雨棚长度，实现了车顶雨棚长度比的优化；通过改变捣实结构的长度、铰接位置和四柱刮板输送机的悬挂高度，实现了捣实结构的优化。通过优化四杆机构、顶盖长度比和夯实结构，充填体的垂直顶板间隙、水平顶板间隙、夯实角和夯实头间隙等性能得到了明显改善。

在采矿液压支架、刮板输送机、四柱刮板输送机等充填采矿设备的配合下，实施了循环采矿技术。循环操作的顺序继续前面的输送机前进。液压支架的推进与采煤机紧密相关，采煤机后滚筒后面的四柱液压支架首先推进，支撑采煤机卸煤后立即暴露的顶板，然后运送到煤巷。四柱物料刮板输送机开始将固体四柱物料卸入采空区，并利用支架背面的夯实装置进行加固。四柱刮板输送机移动后，双滚筒采煤机反方向切煤，所有作业开始循环。该方法可在开采煤炭资源的同时，将固体充填入采空区。经过优化设计，四柱液压支架的充填效率得到明显提高，压实率控制在90.0%以上，从而大大保证了充填工作面岩层控制效果。

4 结论

通过改变上连杆铰链位置来优化四杆机构，通过改变后车顶雨棚长度来优化雨棚长度比，通过改变捣实结构的长度、铰接位置和四柱刮板输送机的悬挂高度来优化捣实结构。工程实例表明，通过优化四杆机构，充填体垂直顶板间隙、水平顶板间隙、捣固角和捣固头间隙等性能得到了明显改善。