煤矿井下迈步自移式超前支护装备转弯特性分析

2023-02-13刘少杰郭俊生刘治翔王振福李玉岐

煤炭工程 2023年1期

刘少杰，郭俊生，刘治翔，王振福，李玉岐，谢苗，王帅

(1.山西焦煤西山煤电(集团)有限责任公司，山西太原 030000； 2.山西临汾西山能源有限责任公司，山西临汾 041000；3.辽宁工程技术大学矿产资源开发利用技术及装备研究院，辽宁阜新 123000)

随着我国煤炭开采深度增加和开采强度增大，煤矿顶板支护问题愈发得以重视[1，2]。国家煤矿安监局制定公布了《煤矿机器人重点研发目录》，其中明确要求要重点研发巷道围岩状态智能感知、自主移动定位临时支护机器人，具备支撑力自适应控制、支护姿态自适应调控、多架协同及远程干预等功能，确保巷道临时支护及时可靠，提高掘进效率及安全性。迈步自移式超前支护装备在煤矿井下应用越来越广泛[3]。近些年来许多专家学者针对煤矿井下迈步自移式超前支护技术及装备进行了深入研究：

文献[4]中提出了超前支护装备的自适应支护理论和内涵，为超前支护装备理论研究和设计提供了基础。文献[5]中提出一种新型的超前支护装备，可有效解决掘进工作面控顶距大的问题，并针对该超前支护装备的支护强度理论进行深入研究。文献[6]中构建了超前支护和围岩耦合力学模型，并使用FLAC3D数值仿真软件得到了有超前支护装备支撑作用下的巷道围岩压力变化曲线，为超前支护装备的设计和支护机理的研究提供了参考。文献[7]中提出了一种垛式的超前支护装备，根据巴彦高勒煤矿实际工况条件，对该支护装备的技术参数和架型进行了充分考虑和设计。文献[8]中在实验室环境中建立了超前支护装备的相似实验模型，通过相似实验研究了超前支护与围岩的耦合力学特性，为超前支护装备的设计了提供了参考依据。文献[9]提出了自移式吸能防冲巷道支架，通过理论设计、模拟仿真和实验方法设计了可应用于实际生产的防冲巷道支架。文献[10]通过使用块系覆岩理论和机械动力学理论建立起来的超前支护装备与围岩耦合动力学模型来分析不同工况下掘进机截割作业对于顶板的扰动以及扰动作用下超前支护装备的响应情况，为超前支护装备设计提供了依据。文献[11]使用中厚板理论和能量泛函方法构建了超前支护和锚固协同支护作用下的围岩力学模型，研究了超前支护和锚固协同支护作用下的围岩力学特性。并通过在温家庄煤矿15106工作面的现场测试验证了其理论研究的有效性。

英国的伽利克集团在很早阶段就开始利用CAD技术进行液压支架的设计，他们采用CAD技术系统的完成了强度计算及底座比压的计算等[12]。自20世纪90年代开始德国的DBT以及美国的久益等企业就开始在液压支架的研制阶段使用三维仿真技术，利用有限元分析软件模拟液压支架在各种工况条件下的应力及位移等状况[13]。文献[14]中建立了掩护式液压支架运动构件的姿态参数表达式，得出了立柱伸缩长度与前连杆倾角和顶梁倾角之间的解算关系。文献[15]通过三维虚拟样机分析了液压支架升柱过程中各构件的相互位置关系，对运动状态进行了仿真，给出了在改变立柱油缸速度的情况下，液压支架各构件质心的速度和加速度变化模型。

综掘工作面使用的超前支护装备近些年才开始推广普及，超前支护装备的设计理论和工作特性研究还不是很充分。通常超前支护装备的两边支腿紧贴巷道两帮，为避免超前支护装备移动时与巷道两帮碰撞，要求巷道拐点处的转弯半径和超前支护装备的转弯半径相适应，因此有必要研究超前支护装备转弯特性以及不同因素对于超前支护装备转弯半径的影响规律。

1 转弯工况运动轨迹数学建模

1.1 迈步自移超前支护装备转弯工况

超前支护装备推移和转弯主要是依靠推移油缸完成，两个推移油缸同步动作实现平推，两个油缸差动动作实现转向。本文研究“推移—转向—拉架—推移”和“转向—推移—拉架—转向”两种转弯模式。“推移—转向—拉架—推移”转弯模式是副支撑组先相对于主支撑组进行推移一个步距，然后副支撑组再完成转向动作，最后对主支撑组拉架，使主副支撑组回到初始相对位置。“转向—推移—拉架—转向”转弯模式是副支撑组先相对于主支撑组先进行转向，然后进行推移一个步距，最后对主支撑组拉架，使主副支撑组回到初始相对位置。

1.2 超前支护装备外轮廓坐标计算

由于研究的超前支护装备副支撑组在外侧，因此在进行数学建模时仅对副支撑组进行分析，副支撑组转向过程的简化模型如图1所示。

图1 超前支护装备转弯过程简化模型

研究超前支护装备转弯时的运动轨迹就需要建立超前支护装备副支撑组外轮廓四点(A1、A2、A3、A4)在推移和转向过程的位置函数。设定初始时刻超前支护装备副支撑组外轮廓四点(A1、A2、A3、A4)和转动中心位置Os坐标分别为：

根据推移和转向前后超前支护装备副支撑组的几何关系可知转向后副支撑组外轮廓四点和转动中心位置Os坐标如下：

式中，i=1，2，3，4；“推移—转向—拉架—推移”模式时k=3、5、7…π/2θ； “转向—推移—拉架—转向” 模式时k=2、4、6…π/2θ。

推移后副支撑组外轮廓四点和转动中心位置Os坐标如下：

式中，“推移—转向—拉架—推移”模式时k=2、4、6…π/2θ；“转向—推移—拉架—转向” 模式时k=3、5、7…π/2θ。

1.3 转弯半径计算

计算超前支护装备的转弯半径，过程主要分为如下四个步骤：①计算每次推移和转向时超前支护装备副支撑组外轮廓四点(A1、A2、A3、A4)和转动中心位置Os坐标；②计算各个转动中心坐标所在的圆弧半径R0以及此圆心坐标，该圆心即为超前支护装备的转弯圆心；③以转弯圆心为圆心，求所有过副支撑组外轮廓A3的外接圆，得到其半径最大的外接圆(半径为Rmax)；④以转弯圆心为圆心，求所有与副支撑组外轮廓线段A1A2相切的圆弧，得到其半径最小的圆弧(半径为Rmin)。

最后可得超前支护装备的转弯半径为：

如图1(a)所示，“推移—转向—拉架—推移”模式时根据几何关系，可得副支撑组外轮廓A3的最大外接圆半径Rmax为：

最小的圆弧Rmin为：

如图1(b)所示，“转向—推移—拉架—转向”模式时副支撑组外轮廓A3的最大外接圆半径Rmax为：

最小的圆弧Rmin为：

最后根据式(4)计算超前支护装备的转弯半径。

2 不同参数对转弯特性的影响

转弯半径计算公式见式(4)，外轮廓宽度为所求外轮廓最大外接圆和最小相切圆半径之差：

Bs=Rmax-Rmin

(9)

2.1 推移步长对转弯特性的影响规律

设定转动角度步长θ=6°、转动中心位置Lo=1000mm、设备长度L=5000mm、设备宽度B=3000mm，推移步长S=500～1000mm，计算得到推移步长对转弯特性的影响规律如图2所示。

计算结果可知推移步长越大，超前超前支护装备的转弯半径越大，而外轮廓宽度越小。并且“转向—推移—拉架—转向”转弯模式的转弯半径和外轮廓宽度值要小于“推移—转向—拉架—推移” 转弯模式。

2.2 转动角度步长对转弯特性的影响规律

设定推移步长S=500mm，转动角度步长θ=4.5°～8.2°，计算得到转动角度步长对转弯特性的影响规律见表1。

图2 不同推移步长下的转弯特性

计算结果可知转动角度步长越大转弯半径越小，但是外轮廓宽度增加。同样“转向—推移—拉架—转向”转弯模式的转弯半径和外轮廓宽度值要小于“推移—转向—拉架—推移” 转弯模式。

2.3 转动中心位置对转弯特性的影响规律

设定转动中心位置Lo=1100～2000mm，计算得到转动中心位置对转弯特性的影响规律见表2。

表1 不同转动角度步长对转弯特性的影响

表2 不同转动中心位置对转弯特性的影响

计算结果可知转动中心位置越靠近设备的重心，其转弯半径越小，外轮廓宽度越小，但是相比较推移步长和转动角度步长来说，转动中心位置对转弯半径和外轮廓宽度的影响较小。

2.4 设备长度对转弯特性的影响规律

设定设备长度L=5500～10000mm，计算得到设备长度对转弯特性的影响规律见表3。

表3 不同设备长度对转弯特性的影响

计算结果可知设备越长，其转弯半径越大，外轮廓宽度越大，同样“转向—推移—拉架—转向”转弯模式的转弯半径和外轮廓宽度值要小于“推移—转向—拉架—推移” 转弯模式。

2.5 设备宽度对转弯特性的影响规律

设定设备宽度B=4100～5000mm，计算得到设备长度对转弯特性的影响规律见表4。

表4 不同设备宽度对转弯特性的影响

计算结果可知设备宽度越宽，其转弯半径越小，而外轮廓宽度越大，设备宽度变化对于转弯半径影响较小，但是对于外轮廓宽度影响较大。

3 多因素正交试验分析

根据超前支护装备转弯半径和外轮廓宽度计算方法，设计5因素5水平的L25(55)正交试验[11-13]，得到正交试验方案结果见表5。

使用极差分析方法来分析多因素综合影响下各因素对转弯半径和外轮廓宽度的影响程度[19，20]。对超前支护转弯半径和外轮廓宽度进行极差分析的计算结果见表6，可以分别可以得到针对超前支护转弯半径和外轮廓宽度的主次顺序和优水平。

根据转弯半径极差分析的结果可以确定因素的主次顺序为B>A>C>D=E，也就是转动角度步长θ对于转弯半径影响最大、其次是推移步长S和转动中心位置Lo，最后是设备长度L和设备宽度B，而且设备长度L和设备宽度B对于转弯半径的影响程度是一致的。由于要求转弯半径尽量小一些，可确定以转弯半径为目标的优组合为A1B5C2D1E1。根据外轮廓宽度极差分析的结果可以确定因素的主次顺序为C>D=E>B>A。由于要求外轮廓宽度尽量小一些，可确定以转弯半径为目标的优组合为A5B1C2D1E1。