V型短梁的研制与应用

2005/10/19 11:16:24

　摘　要　为了解决高档普采工作面梁前端面过大威胁安全生产问题，研制了V型短梁，并结合生产实际介绍了V型短梁的结构、原理性能、使用方法和获得的经济效益、社会效益。
　　关键词　高档普采　采煤工作面　端面距　短梁
　　随着高档普采工作面的推广普及与高档普采工作面配套的支护改革一直没有跟上高档普采配套设备的发展速度。如无链牵引MG-200W₁型采煤机，在与HDJA-1000、HDJB-1000型铰接顶梁配合使用时，梁前空顶达625mm，这样大的梁前端面距超过了原煤炭部颁发的《生产矿井质量标准化标准》规定梁前端面距不大于300mm的要求。由于工作面梁前端面距的增大，给顶板管理带来了困难。为了解决工作面端面距大，而威胁安全生产的问题，开发研制了V型短梁。

1　V型短梁的结构原理及性能测试

1.1　原　理
　　该短梁的设计方案，是将短梁主体设计成一个相似于英文大写字母“V”字，因此而得名V型短梁见图1。短梁设计成“V”字型是使短梁与铰接顶联接后，给铰接顶梁再联接留出一个位置。这样就能够在不拆除短梁的情况下，在短梁的V型结构处直接联接下一个铰接顶梁，起到连接支护顶板的作用，避免了顶板的二次松动，板皮、笆片等辅助材料也一次装好，不需二次拆装。

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图1　V型短梁的结构
1—侧板；2—加强筋；3—铰接顶梁；4—耳板；
5—调节楔；6—销轴；7—限位块

1.2　V型短梁的结构
　　该短梁包括有呈“V”形的侧板1在其后部用联板联成一体，其中：一侧板后端有限位块，限位块防止销轴6的滑落，铰接顶梁3前端下侧焊有带孔耳板4，通过销轴6插装在耳板4内来实现短梁与铰接顶梁的联接。两侧板的后端有调节楔座，调节楔5装在调节楔座内，可通过改变调节楔楔入调节楔座内的长度，提高V型梁对顶板的初撑力。

1.3　主要技术参数
　　(1)梁体许用承载能力和最大承载能力(端部集中载荷时)分别为24kN和27kN；
　　(2)许用弯矩：12k^.Nm；
　　(3)调节范围：≥15°；
　　(4)有效支护长度：500mm。

1.4　主要性能测试
1.4.1　垂直承载能力测试
　　条件加载作用点在V型短梁顶梁处见图2。测试结果见表1。

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图2　垂直承载能力测试加载点示意

表1　垂直承载性能测试记录

试验次数	载荷／kN	变形／mm		残余变形／mm
试验次数	载荷／kN	x	y	x	y
1	15	0	17	0	0
2	25	1	21	0	0
3	30	3	28	0	1

　　注：x为水平方向变形；y为垂直方向变形。

1.4.2　水平承载性能测试
　　条件加载作用点见图3，x轴为载荷作用方向，y轴为短梁筋板错动方向，测试结果见表2。

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图3　水平承载能力测试加载点示意

表2　水平承载性能测试记录

试验次数	载荷／kN	变形／mm		残余变形／mm
试验次数	载荷／kN	x	y	x	y
1	4	15	1	0	0
2	6	18	6	0	0
3	9	25	8	6	0
4	15	35	10	9	0

1.4.3　V型短梁初撑力测试
　　V型短梁的初撑力主要来源于调节楔入程度，要求每次测试用2.5kg锤打3锤，从传感器读取数字换算成初撑力。传感器放在距梁端50mm处，测试结果见表3。平均初撑力为6.5kN。

表3　初撑力测试记录

试验次数	1	2	3	4	5	6	7	8	9
初撑力／kN	6.4	6.5	6.8	6.2	6.5	6.6	6.4	6.3	6.8

2　使用方法

　　(1)采煤机割煤后，追加作业，先挂铰接顶梁，并按规定数量穿好板皮、笆片，打紧水平楔，移工作面输送机，支单体支柱，挂V型短梁，打紧短梁上的调节楔。
　　(2)采煤机下一次割煤后，在V型短梁的“V”形结构处，接下一铰接顶梁，打紧水平楔。
　　(3)联接好的铰接顶梁后，应拆下V型短梁，拆除V型短梁时，要先将调节楔退出，而后再将销轴退出，即可拆下V型短梁。

3　试验情况

3.1　试验工作面概况
　　在徐州张双楼煤矿7101工作面进行了工业性试验，工作面煤层厚度2.3m，煤层倾角23°，伪顶为泥岩，裂隙发育，厚度为0～0.6m，平均厚度0.4m，直接顶为砂质泥岩，致密性脆，厚度2.5m，老顶为细砂岩，厚度5.8m。底板为泥岩，厚度2.0m，工作面倾斜长121m，走向长度650m。工作面采用全部垮落法管理顶板，最大控顶距4.6m，最小控顶距3.6m，棚距600mm，柱距1000mm。工作面主要配套设备为：MG-200W₁型采煤机，SGB-630／220型刮板输送机，DZ-2.5型单体液压支柱，HDJB-1000型铰接顶梁。

3.2　试验效果
　　试验使用KY-200型液压枕测V型短梁承载情况，将其安装在V型短梁上，V型短梁承载情况如表4和表5所示。

表4　V型短梁承载统计

初期支护状态		末期支护状态
支柱初撑力／kN	V型短梁作用力／kN	支柱工作阻力／kN	V型短梁作用力／kN
104	8	138.9	16.5
108	10	137.0	17.5
110	12	140.0	18.0
128	15	144.0	19.0

表5　V型短梁支护效果对比

测区	端面距／mm		片帮深度／mm
测区	平均	最大	平均	最大
短梁试验区	120	800	140	350
无短梁区	680	1500	265	1000

　　由表4可知，在初撑支护状态下，V型短梁的作用力在10kN左右，在末期支护状态下，短梁最大作用力达到19kN。由此可见V型短梁能给予顶板一定的支护强度，防止端面顶板离层冒落，对顶板有“支”、“护”双重作用。由表5可知，V型短梁试验区平均端面距仅为120mm，无短梁区，端面距达680mm，使用短梁后端面距减少560mm，V型短梁减小端面距效果明显，能主动控制顶板，改善了煤壁区的安全状况。
　　V型短梁试验区的平均片帮深度140mm，最大片帮深度为350mm，而无V型短梁区，最大片帮深度达1000mm。可见V型短梁能够防止端面顶板下沉和顶板压力前移，明显减少了煤壁片帮范围和深度，给煤壁区顶板管理创造了良好的条件。
　　挂接V型短梁，不影响采煤机割煤，而且减少顶板事故，使工作面采煤机开机率提高5%以上，节约坑木180m³／年，多出煤13860t／年，节省单体支柱租赁费1.29万元／年，合计年增收节支达200万元。总之，V型短梁有以下优点：
　　(1)V型短梁是用于高档普采工作面顶板支护的一种新的支护形式。具有主动连续支护工作面端面顶板的性能，以减少煤壁区片帮、冒顶事故。
　　(2)V型短梁具有结构新颖，体积小，重量轻，操作方便等优点。
　　(3)使用V型短梁，可以明显降低坑木消耗，提高采煤机开机率，避免了工人在恶劣环境下作业，为安全生产提供保障，而且可实现年增收节支200万元，有良好的社会效益和经济效益。

作者简介：毕远志　1958年生，高级工程师，工学硕士。长期从事采煤技术科研和管理工作。曾公开发表论文多篇。地址：江苏徐州市淮海西路235号，邮码：221006。
作者单位：毕远志　徐州矿务集团有限公司
　　　　　吕修明　徐州矿务集团有限公司张双楼矿

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