一种自适应接顶及防冲击的超前液压支架顶梁

本发明涉及煤矿综采（综放）工作面顺槽超前支护，尤其涉及一种自适应接顶及防冲击的超前液压支架顶梁。

背景技术：

1、目前大部分煤矿综采（综放）工作面两顺槽巷道超前段的顶板支护采用超前液压支架，大大提升了煤炭的开采效率与安全性。但煤矿井下地质条件恶劣，顺槽巷道顶板并不平整，现阶段超前液压支架对顺槽巷道顶板进行支护时，超前液压支架的顶梁并不能根据顺槽巷道顶板的实际表面状态进行自适应接顶，顶梁无法与顺槽巷道顶板完全接触，会造成顶板受力不均匀，破坏局部顺槽巷道顶板的稳定性，引起顶板垮落。同时，煤矿顺槽巷道发生冲击地压时，顺槽巷道的冲击载荷和瞬间变形直接作用于超前液压支架的顶梁，会对包括超前液压支架顶梁在内的结构造成损坏，使超前液压支架失效，影响超前液压支架的正常支护工作，大大降低超前支护效率以及煤炭的开采效率，因此亟待提供一种自适应接顶及防冲击的超前液压支架顶梁。

2、发明专利201811143634.7公开了一种超前液压支架自适应顶梁，该方法是通过设置限位装置，让超前液压支架顶梁在横、纵向都具有一定摆动能力，该方法存在的问题是只能通过改变顶梁横、纵向的倾斜角来适应具有一定倾斜角度的巷道顶板，而对于凹凸不平的顶板不能紧密接触，并且并不具有较好的吸载和防冲击能力，并不能达到理想的支护状态。

3、发明专利201911273667.8公开了一种防冲击超前液压支架的顶梁，该顶梁能够快速适应各种情况凹凸不平的顶板，实现顶梁与顶板的全面接触，冲击载荷来临时，能够实现三级吸载。该顶梁能够快速自适应全面接顶，承压均匀，适应不同级别的冲击载荷，逐级吸载，有效的吸收顶板的冲击能量，但该顶梁无法根据不同位置的顺槽巷道顶板状态调整不同支护部位的支护力强度与支护位移量，不能够实现对顺槽巷道顶板不同位置的精确支护。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种自适应接顶及防冲击的超前液压支架顶梁。该超前液压支架顶梁能够适应煤矿综采（综放）工作面顺槽巷道恶劣的地质环境条件，适应不同的顺槽巷道顶板表面状态，充分与顺槽巷道的顶板相接触，实现自适应接顶，同时在冲击地压发生时能够降低或消除冲击载荷和瞬时变形对超前液压支架整体结构的冲击与破坏，保证超前液压支架对顺槽巷道顶板的全面承接以及持续且稳定的支护。

2、为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

3、超前液压支架顶梁是对顺槽巷道顶板进行支护时的主要接触并提供支护作用的部位，是超前液压支架中承受顺槽巷道顶板作用力与变形的主要结构部位，一种自适应接顶及防冲击的超前液压支架顶梁主要是通过改变超前液压支架顶梁的结构，在对顺槽巷道顶板进行支护的过程中，一方面能够适应不同顺槽巷道顶板的波动起伏表面状态，实现自适应接顶，另一方面能够保证在煤矿顺槽巷道发生冲击地压时，快速吸收来自于顺槽巷道顶板的冲击载荷，减小冲击载荷对超前液压支架结构造成的破坏，防止超前液压支架失效，保证超前液压支架的正常工作状态及对顺槽巷道顶板的持续稳定支护。

4、一种自适应接顶及防冲击的超前液压支架顶梁包括：上安装基础板、下安装基础板、以上安装基础板、下安装基础板为安装基础的顶部自适应接顶及防冲击层、中部防冲击层、底部防冲击层。

5、所述上安装基础板和下安装基础板均为水平平板，是一种自适应接顶及防冲击的超前液压支架顶梁其余结构件的安装基础；

6、所述下安装基础板安装于超前液压支架自身支护立柱与连杆机构的上方，作为一种自适应接顶及防冲击的超前液压支架顶梁的底部基础；

7、所述上安装基础板与下安装基础板平行安装布置，位于下安装基础板的正上方位置，二者之间间隔一定距离，上安装基础板与下安装基础板之间采用周向竖直阵列布置的竖直板簧簧片作为垂直支撑；

8、进一步的，所述上安装基础板的下表面与下安装基础板的上表面均为波浪锯齿状。

9、所述顶部自适应接顶及防冲击层包括：电磁力升降弹性支撑立柱、接触力监测传感器、接触位移监测传感器、接触力与接触位移反馈调节控制器、升降导向板；

10、进一步的，电磁力升降弹性支撑立柱由上电磁力作用板、下电磁力作用板、支撑与复位弹簧、橡胶柱头构成。

11、优选的，所述橡胶柱头为橡胶材质，具有一定的弹性，将所述橡胶柱头安装于上电磁力作用板上方与顺槽巷道顶板直接接触，该位置是进行支护时与顺槽巷道顶板直接接触的部位，橡胶柱头安装于该位置具有一定的缓冲、减震与防冲击的作用；

12、所述上电磁力作用板、下电磁力作用板可通过调整二者之间的电磁作用力调整支撑力的大小以及二者间的间距，从而改变不同位置电磁力升降弹性立柱位移量以及对顺槽巷道顶板的支护力；

13、所述支撑与复位弹簧则位于所述电磁力升降弹性支撑立柱内部，安装于上电磁力作用板、下电磁力作用板之间，用于进一步吸收冲击载荷并降低冲击载荷对超前液压支架结构的影响，同上电磁力作用板、下电磁力作用板间可变电磁支护力共同实现顶层级别的自适应接顶与防冲吸载；

14、所述接触力监测传感器、接触位移监测传感器安装于所述电磁力升降弹性支撑立柱的橡胶柱头之上；所述接触力监测传感器主要用于监测超前液压支架顶梁与顺槽巷道顶板之间的接触力的状态；所述接触位移监测传感器主要用于监测超前液压支架顶梁中各个电磁力升降弹性支撑立柱上下方向的位移变化量；所述接触力与接触位移反馈调节控制器布置在超前液压支架动作控制区域。

15、进一步的，在监测获得超前液压支架顶梁与顺槽巷道顶板间的接触力状态与位移变化量之后，通过布置于超前液压支架动作控制区域的接触力与接触位移反馈调节控制器自动调整超前液压支架对顺槽巷道顶板的支护力及对顺槽巷道顶板支护的上下伸缩位移量，实现超前液压支架的自适应接顶与对顶板的支护。

16、所述升降导向板为具有一定厚度的平板，其中在平板上均匀分布着所述电磁力升降弹性支撑立柱的升降导向槽，所述升降导向板水平布置于所述上安装基础板的上端，与所述上安装基础板紧贴布置；

17、优选的，所述顶部自适应接顶及防冲击层的电磁力升降弹性支撑立柱均布置于升降导向板上的各个升降导向槽内，所述电磁力升降弹性支撑立柱在升降导向槽内沿着导向槽的方向升降，根据顺槽巷道顶板各个位置处顶板变形量与所需的支护力对不同位置的顺槽巷道顶板提供支护。

18、所述中部防冲击层由点穴式水平布置的水平板簧簧片以及周向阵列竖直布置的竖直板簧簧片共同组成；

19、其中所述点穴式水平布置的水平板簧簧片安装于上安装基础板上表面与升降导向板的导向槽之间所形成空间的底部，同时水平板簧簧片两个底端面与所述上安装基础板的上表面相接触，水平板簧簧片拱形朝向上方进行布置；

20、进一步的，所述周向阵列竖直布置的竖直板簧簧片位于所述上安装基础板与所述下安装基础板之间，均匀分布在所述上安装基础板与所述下安装基础板之间的边缘位置，通过快速安装卡扣将上安装基础板及下安装基础板连接到一起，对上安装基础板和下安装基础板起到安装与固定作用，同时在上安装基础板与下安装基础板之间起着中间层级别的缓冲减震与防冲击作用；

21、所述底部防冲击层位于上安装基础板和下安装基础板之间的位置，包括齿形滚动轮、滚动轮连杆、上部滚动轮连接弹簧、下部滚动轮连接弹簧、中部连杆连接弹簧；

22、进一步的，所述底部防冲击层由多个齿形滚动轮构成，多个齿形滚动轮按照超前液压支架顶梁的长度方向进行布置，多个齿形滚动轮中心使用滚动轮连杆进行连接；

23、更进一步的，将底部防冲击层中与上安装基础板下表面相接触的齿形滚动轮使用上部滚动轮连接弹簧依次连接在一起，将底部防冲击层中与下安装基础板上表面相接触的齿形滚动轮使用下部滚动轮连接弹簧依次连接在一起，将滚动轮连杆使用中部连杆连接弹簧依次连接在一起。

24、本发明的工作原理如下：

25、超前液压支架在煤矿综采（综放）工作面顺槽巷道内对顺槽巷道顶板进行支护的过程中，顺槽巷道顶板会存在波动起伏的表面状态，很难实现全面接顶，同时矿压显现较为明显的矿井会发生冲击地压，冲击地压会对超前液压支架的结构产生较大的冲击。本发明的一种自适应接顶及防冲击的超前液压支架顶梁在对顺槽巷道顶板支护的过程中，既能够实现自适应承接波动起伏的顺槽巷道顶板，同时也能够在发生冲击地压时，通过设计的顶梁结构迅速吸收冲击载荷，实现缓冲与减震，降低冲击载荷对超前液压支架整体结构的损坏。利用该超前液压支架在顺槽巷道内对顶板进行支护的过程中，顶梁实现自适应接顶与缓冲减震过程共分为三个阶段。第一阶段：将超前液压支架的顶梁快速升至与顺槽巷道顶板的临界接触位置，此时降低上升速度，继续升高超前液压支架顶梁，当超前液压支架顶梁内的所有电磁力升降弹性支撑立柱达到与所对应的不同位置顺槽巷道顶板充分接触的状态时，停止升架，此时根据不同位置电磁力升降弹性支撑立柱与顺槽巷道顶板的接触状态，分别调整电磁力的大小，给予顶梁内所有电磁力升降弹性支撑立柱与顶板受力相适应的恒定电磁支护力，使得超前液压支架的顶梁既能与顺槽巷道顶板充分接触，又能对顶板的不同位置提供恒定且充足的支护力。第二阶段：继续升高超前液压支架，当升高至中部防冲击层与底部防冲击层所提供的支护力大小与顺槽巷道顶板所需的支护力大小一致时停止升架，为顺槽巷道顶板提供持续稳定的支护。第三阶段：当顺槽巷道发生冲击地压时，顺槽巷道顶板压力突然释放，伴随着较大的冲击载荷与顺槽巷道顶板变形，此时超前液压支架顶梁的顶部自适应接顶及防冲击层首先通过电磁力升降弹性支撑立柱最先承接冲击载荷与顺槽巷道顶板变形，通过橡胶柱头、上电磁力作用板、下电磁力作用板、支撑与复位弹簧实现顶层级别的冲击载荷与顺槽巷道顶板变形吸收以及缓冲减震，随着冲击载荷与顺槽巷道顶板变形的向下传递，中部防冲击层中水平布置的水平板簧簧片与周向阵列竖直布置的竖直板簧簧片通过各自的弹性支撑实现中间层级别的冲击载荷与顺槽巷道顶板变形的吸收以及缓冲减震。随着冲击载荷与顺槽巷道顶板变形的进一步向下传递，传递至底部防冲击层。底部防冲击层中呈波浪形布置的齿形滚动轮沿着顶梁的长度方向依次交替与上安装基础板的下表面及下安装基础板的上表面相接触。冲击载荷传递至该位置时，在冲击载荷作用下，底部防冲击层中的顶部齿形滚动轮与底部齿形滚动轮之间的高度方向距离减小，顶部齿形滚动轮与底部齿形滚动轮分别沿着上安装基础板下表面齿形轨道与下安装基础板上表面齿形轨道相对于初始位置向远离相邻两滚动轮中心的方向进行滚动，上部滚动轮连接弹簧、下部滚动轮连接弹簧、中部连杆连接弹簧分别为相邻的齿形滚动轮及滚动轮连杆提供横向弹性拉力，在降低顶部滚动轮与底部滚动轮之间高度的同时实现缓冲与减震，并为上安装基础板以上的部分提供充足的支护。本发明的一种自适应接顶及防冲击的超前液压支架顶梁通过顶部自适应接顶及防冲击层、中部防冲击层、底部防冲击层进行逐级的吸载和缓冲减震，实现对顺槽巷道顶板的全面支护。提升超前液压支架的支护能力以及对于冲击地压的抵御能力，保证超前液压支架支护过程的正常进行。

26、本发明具有下述优点：

27、（1）能够适应煤矿顺槽巷道的恶劣地质条件，根据煤矿顺槽巷道顶板表面不同的波动起伏状态，自适应承接顺槽巷道顶板，为超前液压支架顶梁对应的顺槽巷道顶板区域进行全面接触支护，提升了超前液压支架对顺槽巷道顶板的支护能力，降低了因支护不均对顶板造成的破坏；

28、（2）当发生冲击地压时，超前液压支架的顶梁通过顶部自适应接顶及防冲击层、中部防冲击层、底部防冲击层能够实现多层级的缓冲与减震，降低冲击地压发生时冲击载荷对超前液压支架结构的损坏，能够有效保证超前液压支架的持续稳定正常支护与支护效率；

29、（3）一种自适应接顶及防冲击的超前液压支架顶梁与传统超前液压支架顶梁具有相同的安装方式与整体外形尺寸，具有较为便捷的可替换性，同时结构简单，安装方便，可以根据实际情况对传统的超前液压支架顶梁进行替换，使超前液压支架具有更强的顶板波动起伏适应性与支护能力。