侯 伟

（1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030051；2.煤矿采掘机械装备国家工程实验室，山西 太原 030051）

引言

随着采煤技术的发展进步，自动化综采成为我国主要的煤矿开采方式，在综采过程中，液压支架是工作面重要的支护设备，对工作面顶板进行支护，保证开采的空间及安全，同时液压支架与采煤机、输送机等协调动作[1]，保证煤矿综采自动前进。在综采过程中，在工作面的开采长度上要采用多组液压支架进行支护，由于煤层的分布及顶板的变化对不同工作面位置的液压支架造成不同的载荷作用，特别是与顶板直接接触的顶梁的载荷作用变化复杂[2]，对顶梁的承载性能具有较高的要求。依据工作面矿压的变化分布情况，在不同的承载工况下采用有限元仿真的形式对顶梁的承载性能进行分析[3]，从而保证顶梁满足液压支架的支护需求，保证煤矿开采支护安全。

1 液压支架群组支护工况分析

液压支架的结构组成中，顶梁与工作面顶板直接接触，受到顶板的载荷作用，对顶梁的承载形成不同工况。对某煤矿工作面使用的液压支架进行分析，开采煤层的平均厚度为3.5 m，走向长度为340 m，倾向长度为200 m。在开采过程中，巷道的前后端头采用支撑掩护式支架控制顶板[4]，中间位置采用填充型支护顶板，在工作面的长度上共采用120组填充性液压支架，6组过渡支架及5组掩护式液压支架[5]。

在工作面的长度上，上百台液压支架共同组成对工作面的有效支护系统。液压支架在支护过程中受到的载荷可以分为覆岩的重力载荷及覆岩的运动载荷，重力载荷取决于垮落的岩层的重量，运动载荷取决于覆岩的运动剧烈程度。在液压支架的支护中，由于液压油介质的压力作用，将液压支架看作等刚度的弹性体，液压支架的支护系统相当于多个液压支架组成的弹性体对梁体的支撑。

在工作面的不同支护位置上，由于岩层的变化作用不一、顶板的断裂垮落不同、不同位置液压支架的支护状态不一致、顶梁的受力作用不同，对顶梁形成不同工况的受载。在工作面的方向上，越靠近工作面的中部，顶梁承受的载荷越大，且偏载作用越小。越远离工作面的中部，则顶梁承受的载荷减小，偏载作用增加。选取工作面端头位置及中间位置的液压支架为例进行分析，在两种不同的工况下，液压支架的顶梁分别受到偏心载荷及集中载荷的作用，其承载状态如图1所示。

图1 液压支架不同工况承载状态

2 液压支架不同工况顶梁承载性能分析

2.1 顶梁仿真分析模型的建立

采用有限元分析的方式，对液压支架顶梁的承载性能进行仿真模拟，依据液压支架的结构进行一定的简化处理，建立支架的三维结构模型，将模型导入到SolidWorks中进行分析。在SolidWorks中设定液压支架的材质为Q690高强度钢，密度为7.8 g/cm3，泊松比为0.3，弹性模量为210 GPa，液压支架为各向同性材料，产生的变形作用均为线性变形。对液压支架模型进行离散化处理，采用自由网格的形式进行网格划分处理，对连接位置处的网格进行一定的细化处理，得到网格划分模型如下页图2所示。

图2 液压支架的网格模型

液压支架的底座与底面接触，对底座进行固定约束，依据两种不同的工况，对液压支架的顶梁进行加载分析，对顶梁的应力变化进行计算分析。

2.2 顶梁不同工况下的承载性能仿真分析

依据液压支架在工况一时的承载状态对液压支架进行仿真分析，经过计算，得到顶梁在工况一时的应力分布如图3所示。从图3中可以看出，液压支架在偏心载荷的作用下顶梁受到的最大应力为248.3 MPa，最大应力位于顶梁的柱窝及筋板连接位置处，且支架受到偏心载荷的作用，左侧的应力值要高于右侧，同时，顶梁中间筋板左侧上部的应力值也大于右侧。顶梁柱窝的位置处是顶梁的主要承载部位，对顶梁的使用具有直接的影响作用，柱窝位置的最大应力小于材料的屈服应力690 MPa，满足液压支架的使用需求，其余位置处的应力值较小。

图3 工况一顶梁的应力（MPa）分布云图

依据液压支架在工况二时的承载状态对液压支架进行仿真分析，经过计算，得到顶梁在工况二时的应力分布如图4所示。从图4中可以看出，液压支架在集中载荷的作用下顶梁受到的应力最大值为515MPa，最大应力值出现在顶梁的柱窝与中间筋板的附近位置处，柱窝处的应力值较大，具有明显的应力集中现象。液压支架承受集中载荷的作用，具有减小的偏置，顶梁的左右两侧应力分布一致。柱窝位置处的最大应力值小于材料的屈服强度690 MPa，满足液压支架的使用需求，其余位置处的应力值较小。柱窝位置处具有较为明显的应力集中现象，对液压支架的顶梁长期使用造成影响。

图4 工况二顶梁的应力（MPa）分布云图

通过上述分析可知，在工作面的长度上，不同位置的液压支架受到的载荷作用不同，对液压支架顶梁的承载要求不同。选取工作面长度上端头位置及中间位置的液压支架进行顶梁的应力作用分析，在端头位置受到偏心载荷的作用，其应力值较小，在中间位置受到集中载荷的作用，其应力值较大，液压支架的强度均满足系统的使用需求，在工况二中存在着应力集中的现象，可对顶梁的结构进行一定的优化处理，减小应力集中现象。

3 结语

液压支架是进行煤矿综采主要的支护设备，对煤矿的安全开采具有重要的作用。在进行矿井的综采过程中，液压支架以群组的形式在工作面长度上形成有效的支护，可将液压支架的支护系统看作等刚度的弹性系统。在长度方向上，由于不同位置的矿压变化不同，对液压支架的承载形成不同的工况，以液压支架在工作面端头位置及中间位置为例，建立液压支架的有限元分析模型，并对不同的工况进行加载分析。经过计算得到液压支架顶梁在不同工况下的应力分布状态。结果表明，在两种工况中，顶梁的最大应力均出现在柱窝与连接筋板的位置处，工况一左侧应力大于右侧，工况二的应力左右分布一致，且工况二的最大应力要大于工况一，但两者均小于顶梁的屈服应力，满足系统的使用需求。液压支架顶梁结构在不同工况下的承载性能满足工作面的需求，可以保证工作面的支护安全。