一种抗冲击液压支架及抗冲击方法

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：

1、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。

2、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。

技术实现思路

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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，本申请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。

6、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。

7、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。

8、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。

9、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：

10、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；

11、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δxt，此时，空气弹簧受力为ft＝k(δx+δxt)·(δx+δxt)，则单个空气弹簧所受的压强为pt0＝ft/a，因此矿压为pt＝n·k(δx+δxt)·(δx+δxt)a。

12、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。

13、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。

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：

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：

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：

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)·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δxt，此时，空气弹簧受力为ft＝k(δx+δxt)·(δx+δxt)，则单个空气弹簧所受的压强为pt0＝ft/a，因此矿压为pt＝n·k(δx+δxt)·(δx+δxt)/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。

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：
技术公布日：2024/1/15