一种抗冲击液压支架及抗冲击方法

1.本发明涉及煤矿井下安装支护领域，特别是涉及一种抗冲击液压支架及抗冲击方法。


背景技术：

2.随着煤炭的需求不断增加，煤矿的开采深度以及范围都在不断增加，越来越多矿井出现冲击地压事故，冲击地压是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象，冲击地压是矿井的主要安全隐患之一。矿井开采时，一般通过液压支架进行支撑，液压支架具有一定的支撑力，但其抗冲击性能一般；此外开采过程中围岩扰动、采煤机滚筒截割均会产生具有一定周期性的应力波，对液压支架的立柱和顶梁造成一定的损伤。
3.有鉴于此，如何提供一种能够抵抗冲击地压和周期性应力波的液压支架，是本领域人员亟需解决的一个技术问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种抗冲击液压支架及抗冲击方法，以解决现有技术存在的问题，使得液压支架能够抵抗冲击地压以及周期性应力波。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种抗冲击液压支架，液压支架包括用于支撑矿井顶部的顶梁，还包括：空气弹簧，所述空气弹簧有多个并固定设置在所述顶梁上，所述空气弹簧的上方固定安装有顶板；高压气管，所述高压气管位于所述顶梁下方，所述空气弹簧具有进气管道，所述进气管道贯穿所述顶梁并与所述高压气管连通。
6.本发明的有益效果是：利用空气弹簧刚度可变的特性，在冲击地压来临时通过改变空气弹簧内部空气压力实现空气弹簧刚度变化，使得空气弹簧为冲击地压快速让位和吸收冲击能量，避免冲击地压对液压支架造成损伤；同时空气弹簧自身具有阻尼和隔振特性，使得液压支架整体具有隔振效果，能够降低围岩扰动、采煤机滚筒截割等产生的应力波对液压支架造成的损伤。
7.进一步的，每个所述空气弹簧的进气管道上均设置有进气电磁阀，所述高压气管上设置有总阀，所述空气弹簧的出气端连通辅助腔室或大气，连通处设置有出气电磁阀。当总阀和进气电磁阀都打开时，高压气管可向空气弹簧补充高压空气，当进气电磁阀和出气电磁阀关闭时，空气弹簧内的气压和刚度保持不变，当进气电磁阀关闭，出气电磁阀打开时，空气弹簧向外排气泄压。
8.进一步的，还包括弹性伸缩杆，所述弹性伸缩杆竖直设置，其底端与所述顶梁固定连接，顶端与所述顶板固定连接。为避免空气弹簧刚度改变时顶板发生横向或侧向位移，本技术在顶板和顶梁之间设置弹性伸缩杆，其能够保证顶板沿上下方向移动。
9.进一步的，所述空气弹簧包括：固定件，所述固定件上设置有安装口，所述进气管道安装在所述安装口上；橡胶气囊，所述橡胶气囊一端通过腰环固定在所述固定件的外侧
壁上，另一端通过腰环固定在连接板的外侧壁上，所述橡胶气囊与所述进气管道连通，所述橡胶气囊与所述辅助腔室或大气连通；盖板，所述盖板覆盖所述固定件及部分所述橡胶气囊，所述盖板与所述固定件及所述橡胶气囊固定连接；所述连接板与所述顶板固定连接，所述盖板与所述顶梁固定连接。所述空气弹簧还包括密封圈，所述密封圈设置在所述进气管道和所述固定件的安装口之间。
10.进一步的，所述空气弹簧内设置有压力传感器，所述压力传感器与计算机通信连接。
11.进一步的，所述空气弹簧呈非均匀式分布。空气弹簧的数量和布置位置根据煤矿工作面的实际支护阻力具体确定，在煤矿工作面中，底板通常为起伏环境或倾斜环境，顶板各个位置的实际支护阻力不同，因此空气弹簧需要按非均匀的方式布置。
12.本发明还提供了如下方案：一种抗冲击液压支架的抗冲击方法，包括以下步骤：
13.s1：通过压力传感器对各个空气弹簧内的橡胶气囊进行压力监测；
14.s2：发生冲击地压时，计算机利用各个空气弹簧内的实时压力变化计算出冲击地压的围岩矿压；所述空气弹簧内的实时压力计算如下：正常支护时围岩矿压为p，空气弹簧的数量为n，单个空气弹簧受的压强为p0＝p/n，空气弹簧的受力面积a，空气弹簧受力f0＝p0·
a，且f0＝k(δx)
·
δx；空气弹簧刚度k＝f(δx)，记为k(x)，k是δx的函数，当矿压发生变化时，空气弹簧的压缩量增加δx
t
，此时，空气弹簧受力为f
t
＝k(δx+δx
t
)
·
(δx+δx
t
)，则单个空气弹簧所受的压强为p
t0
＝f
t
/a，因此矿压为p
t
＝n
·
k(δx+δx
t
)
·
(δx+δx
t
)a。
15.s3：计算机根据步骤s2中计算出的围岩矿压，在冲击地压来临时打开空气弹簧的出气电磁阀，使橡胶气囊内的空气排放至辅助腔室或大气中，降低橡胶气囊的压力，冲击地压冲击顶板时，橡胶气囊收缩让位，并将冲击力吸收转化为内能，冲击地压结束后内能自动释放。
16.本发明解决了现有技术中的问题，形成了一种可适应工作面环境的具备抗冲击和隔振性能的液压支架，根据液压支架顶板上的载荷改变空气弹簧的内腔压力和刚度，实现不同工作面环境下液压支架的自适应支护；通过监测弹簧刚度和内腔压力的变化可以实时反馈矿压变化趋势，在冲击地压来临之际，通过改变空气弹簧内腔的压力实现弹簧刚度变化，实现液压支架的快速让位功能和吸收冲击能量，避免冲击地压对液压支架的损坏。此外，利用空气弹簧的阻尼和隔振特性，使液压支架具有稳定的隔振效果，顶板上的载荷改变空气弹簧的内腔压力，保持稳定的减振性能，尽可能消除应力波带来的破坏，提高井下作业的安全性。本发明结构简单，抗冲击效果明显，只需在传统液压支架上进行改进，节约了生产成本。对于煤矿的安全开采具有重要的意义，为冲击地压综采工作面支护设计提供了合理有效的思路，也为防治综采工作面冲击地压提供了一种新方法。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明液压支架整体示意图；
19.图2为本发明空气弹簧安装位置示意图；
20.图3为本发明空气弹簧连接示意图；
21.图4为本发明空气弹簧内部结构示意图；
22.其中，1、顶板；2、空气弹簧；3、弹性伸缩杆；4、帮护装置；5、掩护梁；6、液压缸；7、连杆；8、底座；9、顶梁；10、双通连接头；11、三通连接头；12、高压气管；201、进气管道；202、固定件；203、盖板；204、密封圈；205、腰环；206、橡胶气囊；207、连接板。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
25.本发明提供一种抗冲击液压支架，液压支架包括用于支撑矿井顶部的顶梁9，顶梁9前方设置有帮护装置4，呈下垂状，在液压支架前方顶住煤壁防止煤壁片帮。掩护梁5安装在顶梁9与连杆7之间，用于承受支架水平力和垮落顶板1岩石压力，防止采空区冒落矸石进入液压支架。液压缸6安装于顶梁9与底座8之间。还包括：空气弹簧2，空气弹簧2有多个并固定设置在顶梁9上，空气弹簧2的上方固定安装有顶板1；高压气管12，高压气管12位于顶梁9下方，空气弹簧2具有进气管道201，进气管道201贯穿顶梁9并与高压气管12连通，位于高压气管12尾端的进气管道201通过双通连接头10与进气管道201连通，位于其他位置的高压气管12通过三通连接头11与进气管道201连通。每个空气弹簧2的进气管道201上均设置有进气电磁阀，高压气管12上设置有总阀，空气弹簧2的出气端连通辅助腔室或大气，连通处设置有出气电磁阀。
26.在本实施例中，还包括弹性伸缩杆3，弹性伸缩杆3竖直设置，其底端与顶梁9固定连接，顶端与顶板1固定连接。为避免空气弹簧2刚度改变时顶板1发生横向或侧向位移，本技术在顶板1和顶梁9之间设置弹性伸缩杆3，其能够保证顶板1沿上下方向移动。
27.在本实施例中，空气弹簧2包括：固定件202，固定件202上设置有安装口，进气管道201安装在安装口上；橡胶气囊206，橡胶气囊206一端通过腰环205固定在固定件202的外侧壁上，另一端通过腰环205固定在连接板207的外侧壁上，橡胶气囊206与进气管道201连通，橡胶气囊206与辅助腔室或大气连通；盖板203，盖板203覆盖固定件202及部分橡胶气囊206，盖板203与固定件202及橡胶气囊206固定连接；连接板207与顶板1固定连接，盖板203与顶梁9固定连接。空气弹簧2还包括密封圈204，密封圈204设置在进气管道201和固定件202的安装口之间，橡胶气囊206内设置有压力传感器，所述压力传感器与计算机通信连接。
28.在一些实施例中，空气弹簧2呈非均匀式分布。例如，煤矿工作面底面不平整，导致部分顶板1与煤矿工作面的顶部围岩不能完全接触，此时需要对不能完全接触的顶板1下方的空气弹簧2增加进气量，将该部分顶板1抬升，确保顶板1与煤矿工作面顶部围岩完全接触，提高支护的安全性。再如，煤矿工作面底面倾斜，顶板1的首端和尾端支护阻力不同，可
通过改变顶板1两端头位置的空气弹簧2的刚度，使得液压支架自适应支护，提高支护安全性。再如，对于超长的煤矿工作面，中间位置的液压支架支护阻力大，通过改变空气弹簧2的刚度提高支护的安全性。在其他的一些实施例中，还可以在空气弹簧2外设置防尘网，避免灰尘和其他杂物进入空气弹簧2。
29.本发明还提供了如下方案：一种抗冲击液压支架的抗冲击方法，包括以下步骤：
30.s1：通过压力传感器对各个空气弹簧2内的橡胶气囊206进行压力监测；
31.s2：发生冲击地压时，计算机利用各个空气弹簧2内的实时压力变化计算出冲击地压的围岩矿压；空气弹簧2内的实时压力计算如下：正常支护时围岩矿压为p，空气弹簧的数量为n，单个空气弹簧受的压强为p0＝p/n，空气弹簧的受力面积a，空气弹簧受力f0＝p0·
a，且f0＝k(δx)
·
δx；空气弹簧刚度k＝f(δx)，记为k(x)，k是δx的函数，当矿压发生变化时，空气弹簧的压缩量增加δx
t
，此时，空气弹簧受力为f
t
＝k(δx+δx
t
)
·
(δx+δx
t
)，则单个空气弹簧所受的压强为p
t0
＝f
t
/a，因此矿压为p
t
＝n
·
k(δx+δx
t
)
·
(δx+δx
t
)a。
32.s3：计算机根据步骤s2中计算出的围岩矿压，在冲击地压来临时打开空气弹簧2的出气电磁阀，使橡胶气囊206内的空气排放至辅助腔室或大气中，降低橡胶气囊206的压力，冲击地压冲击顶板1时，橡胶气囊206收缩让位，并将冲击力吸收转化为内能，冲击地压结束后内能自动释放。
33.本发明解决了现有技术中的问题，形成了一种可适应工作面环境的具备抗冲击和隔振性能的液压支架，根据液压支架顶板1上的载荷改变空气弹簧2的内腔压力和刚度，实现不同工作面环境下液压支架的自适应支护；通过监测弹簧刚度和内腔压力的变化可以实时反馈矿压变化趋势，在冲击地压来临之际，通过改变空气弹簧2内腔的压力实现弹簧刚度变化，实现液压支架的快速让位功能和吸收冲击能量，避免冲击地压对液压支架的损坏。此外，利用空气弹簧2的阻尼和隔振特性，使液压支架具有稳定的隔振效果，顶板1上的载荷改变空气弹簧2的内腔压力，保持稳定的减振性能，尽可能消除应力波带来的破坏，提高井下作业的安全性。本发明结构简单，抗冲击效果明显，只需在传统液压支架上进行改进，节约了生产成本。对于煤矿的安全开采具有重要的意义，为冲击地压综采工作面支护设计提供了合理有效的思路，也为防治综采工作面冲击地压提供了一种新方法。
34.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
35.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种抗冲击液压支架，液压支架包括用于支撑矿井顶部的顶梁(9)，其特征在于，还包括：空气弹簧(2)，所述空气弹簧(2)有多个并固定设置在所述顶梁(9)上，所述空气弹簧(2)的上方固定安装有顶板(1)；高压气管(12)，所述高压气管(12)位于所述顶梁(9)下方，所述空气弹簧(2)具有进气管道(201)，所述进气管道(201)贯穿所述顶梁(9)并与所述高压气管(12)连通。2.根据权利要求1所述的一种抗冲击液压支架，其特征在于，每个所述空气弹簧(2)的进气管道(201)上均设置有进气电磁阀，所述高压气管(12)上设置有总阀，所述空气弹簧(2)的出气端连通辅助腔室或大气，连通处设置有出气电磁阀。3.根据权利要求1所述的一种抗冲击液压支架，其特征在于，还包括弹性伸缩杆(3)，所述弹性伸缩杆(3)竖直设置，其底端与所述顶梁(9)固定连接，顶端与所述顶板(1)固定连接。4.根据权利要求1所述的一种抗冲击液压支架，其特征在于，所述空气弹簧(2)包括：固定件(202)，所述固定件(202)上设置有安装口，所述进气管道(201)安装在所述安装口上；橡胶气囊(206)，所述橡胶气囊(206)一端通过腰环(205)固定在所述固定件(202)的外侧壁上，另一端通过腰环(205)固定在连接板(207)的外侧壁上，所述橡胶气囊(206)与所述进气管道(201)连通，所述橡胶气囊(206)与所述辅助腔室或大气连通；盖板(203)，所述盖板(203)覆盖所述固定件(202)及部分所述橡胶气囊(206)，所述盖板(203)与所述固定件(202)及所述橡胶气囊(206)固定连接；所述连接板(207)与所述顶板(1)固定连接，所述盖板(203)与所述顶梁(9)固定连接。5.根据权利要求4所述的一种抗冲击液压支架，其特征在于，所述空气弹簧(2)还包括密封圈(204)，所述密封圈(204)设置在所述进气管道(201)和所述固定件(202)的安装口之间。6.根据权利要求1所述的一种抗冲击液压支架，其特征在于，所述空气弹簧(2)内设置有压力传感器，所述压力传感器与计算机通信连接。7.根据权利要求1所述的一种抗冲击液压支架，其特征在于，所述空气弹簧(2)呈非均匀式分布。8.一种抗冲击液压支架的抗冲击方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：通过压力传感器对各个空气弹簧(2)内的橡胶气囊(206)进行压力监测；s2：发生冲击地压时，计算机利用各个空气弹簧(2)内的实时压力变化计算出冲击地压的围岩矿压；s3：计算机根据步骤s2中计算出的围岩矿压，在冲击地压来临时打开空气弹簧(2)的出气电磁阀，使橡胶气囊(206)内的空气排放至辅助腔室或大气中，降低橡胶气囊(206)的压力，冲击地压冲击顶板(1)时，橡胶气囊(206)收缩让位，并将冲击力吸收转化为内能，冲击地压结束后内能自动释放。9.根据权利要求8所述的一种抗冲击液压支架的抗冲击方法，其特征在于，所述空气弹簧(2)内的实时压力计算如下：正常支护时围岩矿压为p，空气弹簧的数量为n，单个空气弹簧受的压强为p0＝p/n，空气弹簧的受力面积a，空气弹簧受力f0＝p0·
a，且f0＝k(δx)
·
δ
x；空气弹簧刚度k＝f(δx)，记为k(x)，k是δx的函数，当矿压发生变化时，空气弹簧的压缩量增加δx
t
，此时，空气弹簧受力为f
t
＝k(δx+δx
t
)
·
(δx+δx
t
)，则单个空气弹簧所受的压强为p
t0
＝f
t
/a，因此矿压为p
t
＝n
·
k(δx+δx
t
)
·
(δx+δx
t
)/a。

技术总结
本发明公开一种抗冲击液压支架及抗冲击方法，液压支架包括用于支撑矿井顶部的顶梁，还包括：空气弹簧，空气弹簧有多个并固定设置在顶梁上，空气弹簧的上方固定安装有顶板；高压气管，高压气管位于顶梁下方，空气弹簧具有进气管道，进气管道贯穿顶梁并与高压气管连通；利用空气弹簧刚度可变的特性，在冲击地压来临时通过改变空气弹簧内部空气压力实现空气弹簧刚度变化，使得空气弹簧为冲击地压快速让位和吸收冲击能量，避免冲击地压对液压支架造成损伤；同时空气弹簧自身具有阻尼和隔振特性，使得液压支架整体具有隔振效果，能够降低围岩扰动、采煤机滚筒截割等产生的应力波对液压支架造成的损伤。压支架造成的损伤。压支架造成的损伤。


技术研发人员：苏金鹏 张润鑫 冯龙 张强 邱方旭 刘芳莹 张坤
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/9/22