較薄煤層工作面端頭支架的研制與應(yīng)用

軒 濤 ,史守忠,趙勛濤,朱孔盛

(兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧二號(hào)煤礦,山東濟(jì)寧 273500)

較薄煤層工作面端頭支架的研制與應(yīng)用

軒 濤 ,史守忠,趙勛濤,朱孔盛

(兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧二號(hào)煤礦,山東濟(jì)寧 273500)

目前較薄煤層工作面端頭及平巷的超前支護(hù)仍普遍采用傳統(tǒng)的 “十字”頂梁或“一字梁”配合單體液壓支柱的密集支護(hù)方法,操作工序繁瑣、支護(hù)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全狀況差,一直制約工作面快速推進(jìn),是工作面安全生產(chǎn)的薄弱環(huán)節(jié)。為此,研制開(kāi)發(fā)了較薄煤層工作面端頭與巷道超前液壓支架,并在兗礦集團(tuán)濟(jì)寧二號(hào)煤礦成功應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了端頭支護(hù)的支架化、機(jī)械化,解決了薄煤層端頭支護(hù)難題。

較薄煤層;液壓支架;端頭;超前

Face-end Support of M in ing face in Relatively Thin Coal Seam

綜采工作面端頭一直是工作面安全生產(chǎn)的薄弱環(huán)節(jié)。為此,研制開(kāi)發(fā)了較薄煤層工作面端頭液壓支架,并在兗礦集團(tuán)濟(jì)寧二號(hào)煤礦進(jìn)行應(yīng)用,效果明顯,解決了工作面較薄煤層端頭支護(hù)的難題。

1 結(jié)構(gòu)型式確定

1.1 穩(wěn)定機(jī)構(gòu)

支架常用的穩(wěn)定機(jī)構(gòu)有四連桿、單擺桿和直線套筒。在所有的穩(wěn)定機(jī)構(gòu)中,如不考慮重量要求,以四連桿機(jī)構(gòu)最為穩(wěn)定可靠。鑒于端頭支架支護(hù)環(huán)境復(fù)雜,為提高其適應(yīng)性,選用四連桿機(jī)構(gòu)作為穩(wěn)定機(jī)構(gòu)。

1.2 支架型式

根據(jù)頂梁結(jié)構(gòu)不同,端頭支架頂梁結(jié)構(gòu)可分為整體頂梁和分體條狀式頂梁 2種。整體頂梁的優(yōu)點(diǎn)是支護(hù)面積大、護(hù)頂效果好,缺點(diǎn)是重量重,移架過(guò)程中,頂梁上方頂板瞬時(shí)失去有效支撐,極易垮落。分體條狀式頂梁的特點(diǎn)是適應(yīng)性好,支架相互之間距離可隨巷道情況進(jìn)行調(diào)整,重量較輕,盡管防矸效果不如整體頂梁,但其始終能夠?qū)敯逵行е?不會(huì)出現(xiàn)頂板失去支撐的情況。對(duì)于錨網(wǎng)式支護(hù)巷道,選用分體條狀式頂梁結(jié)構(gòu)較合適。

1.3 行走方式

根據(jù)端頭液壓支架與轉(zhuǎn)載機(jī)連接關(guān)系的不同,端頭液壓支架行走方式主要有 3種形式。

(1)轉(zhuǎn)載機(jī)與端頭支架不發(fā)生關(guān)系 轉(zhuǎn)載機(jī)本身設(shè)有自移機(jī)構(gòu),可自由移動(dòng)。如果工作面設(shè)有超前支架,則端頭支架與超前支架互為支點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng);如果工作面沒(méi)有超前支架,設(shè)置錨固站(柱),端頭支架以錨固站 (柱)為支點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)。這種方式的特點(diǎn)是較為靈活,缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)載機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,同時(shí)由于轉(zhuǎn)載機(jī)與支架之間沒(méi)有約束關(guān)系,容易出現(xiàn)蹩卡現(xiàn)象。

(2)轉(zhuǎn)載機(jī)與支架一同移動(dòng) 該種方式轉(zhuǎn)載機(jī)是固定在端頭支架底座上,與端頭支架的底座設(shè)置為一體式結(jié)構(gòu)。同方式⑴一樣,端頭支架和轉(zhuǎn)載機(jī)通過(guò)超前支架或錨固站 (柱)為支點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)。

(3)以轉(zhuǎn)載機(jī)為支點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng) 根據(jù)推移裝置的不同,可分為 2種形式：一種是采用推移框架機(jī)構(gòu) (圖 1)。在轉(zhuǎn)載機(jī)兩側(cè)焊接推移耳軸,通過(guò)限位裝置將推移耳軸固定在推移橫梁上,轉(zhuǎn)載機(jī)與支架互為支點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是推移機(jī)構(gòu)結(jié)實(shí)可靠,不易損壞;缺點(diǎn)是導(dǎo)向性較差;另一種就是不采用推移框架,而是將推移千斤頂一端與端頭支架連接,另一端與轉(zhuǎn)載機(jī)連接,轉(zhuǎn)載機(jī)與端頭支架互為支點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)。端頭支架充分接頂時(shí),推移千斤頂伸出,推動(dòng)轉(zhuǎn)載機(jī)行走;支架降柱,轉(zhuǎn)載機(jī)作為固定點(diǎn),推移千斤頂收縮拉動(dòng)端頭支架前移。這種移動(dòng)方式的特點(diǎn)是可以將超前支架、端頭支架推移千斤頂都與轉(zhuǎn)載機(jī)相連,推力大,可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)載機(jī)快速推移。缺點(diǎn)是移架過(guò)程中,端頭支架與超前支架間隙較大 (＞推移步距),一般需加設(shè)伸縮梁或挑梁?？紤]到本項(xiàng)目轉(zhuǎn)載機(jī)長(zhǎng)度為 40m,重量較重,因而采用圖 2所示的推移千斤頂直接推移轉(zhuǎn)載機(jī)方式,以加大推力,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)載機(jī)快速移動(dòng)。

圖1 推移框架式推移機(jī)構(gòu)

圖2 推移千斤頂直接與轉(zhuǎn)載機(jī)相連

1.4 設(shè)備配套

端頭支架設(shè)備配套主要是解決液壓支架與轉(zhuǎn)載機(jī)、刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)之間相互配合關(guān)系。端頭支架設(shè)備配套從圖紙上可分為縱向斷面配套圖和橫向斷面配套圖。前者解決刮板機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)和采煤機(jī)與支架的配合關(guān)系,后者確定支架在巷道中的位置以及刮板輸送機(jī)與支架搭接關(guān)系。

本次配套的最大難點(diǎn)是：推移步距和滾筒截深較大 (800mm),要求刮板輸送機(jī)能夠在架內(nèi)推移一個(gè)步距后,采煤機(jī)滾筒與支架之間有一定間隙,各部件間不出現(xiàn)干涉;設(shè)備下井尺寸受限,要求頂梁最長(zhǎng)不超過(guò) 5m。為此,頂梁必須要采用鉸接式頂梁結(jié)構(gòu) (如圖 3),單邊支架采用 3根立柱支撐。上述立柱布置方式除了增加支撐力外,關(guān)鍵是保持頂梁穩(wěn)定性。

圖3 端頭支架縱向配套斷面

為了驗(yàn)證該種頂梁結(jié)構(gòu)形式是否為穩(wěn)定性結(jié)構(gòu),需將圖 3中頂梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為圖 4所示的桿狀結(jié)構(gòu),圖中A,B,C為頂梁柱帽位置,D為前后兩節(jié)頂梁鉸接點(diǎn)。如果頂梁在鉸接點(diǎn)處存在運(yùn)動(dòng),根據(jù)虛功原理可知：

由于B,C點(diǎn)為頂梁柱帽位置,在頂梁充分接頂?shù)那闆r下,可知δ2=0,則有δ3=0,因此有δ1=δ4=0。上式說(shuō)明,當(dāng)兩頂梁鉸接時(shí),如果有后部頂梁采用 2根立柱支護(hù),則鉸接梁不會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變形,頂梁為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

圖4 鉸接頂梁結(jié)構(gòu)原理

由圖 3所示的配套圖可知,當(dāng)刮板輸送機(jī)推出一個(gè)步距后 (800mm),采煤機(jī)滾筒與支架立柱還有 138mm間隙,同時(shí)刮板輸送機(jī)機(jī)頭與立柱間最小間隙為 205mm,同時(shí)行人通道為 848mm,比較寬敞,以上各種數(shù)據(jù)均能滿足要求。

2 主要技術(shù)參數(shù)確定

2.1 支架高度確定

(1)最大高度 考慮到支架的適應(yīng)性,為了使支架充分接頂,支架最大設(shè)計(jì)高度一般為巷道最大凈高度 +100～200mm。由于巷道斷面尺寸為4200mm×2600mm,巷道開(kāi)拓時(shí)最大凈高度為2600mm,因此,支架最大高度以 2700～2800mm為宜,確定為 2800m。

(2)最小高度 端頭支架最小高度的確定主要是根據(jù)運(yùn)輸尺寸和立柱行程要求來(lái)綜合確定。為了便于維修,端頭支架選用 φ200mm缸徑單伸縮立柱,相對(duì)雙伸縮立柱而言,單伸縮立柱的最大特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,維修方便。如前所述,支架為2800mm,考慮到該型立柱行程約束要求,則將支架最小高度確定為 1600mm比較合理。

2.2 支護(hù)強(qiáng)度

研究和實(shí)踐表明,端頭支架的支護(hù)強(qiáng)度不能過(guò)高,一般為工作面支護(hù)強(qiáng)度的 0.5～0.7倍即可。礦區(qū)觀測(cè)表明,工作面支架支護(hù)強(qiáng)度為 0.64MPa,因此,端頭支架的支護(hù)強(qiáng)度為 0.32～0.45MPa,取其上限,確定端頭支架的支護(hù)強(qiáng)度為 0.45MPa。由于頂梁的長(zhǎng)度與寬度已確定,經(jīng)計(jì)算可知支架的工作阻力為 7158kN。

3 結(jié)束語(yǔ)

該套支架在濟(jì)寧二號(hào)煤礦較薄煤層工作面使用比較成功,端頭支護(hù)工作量大幅減小,支護(hù)時(shí)間縮短一半,端頭支護(hù)工人數(shù)量減少一半,職工體力勞動(dòng)減輕消耗20%以上,減少了工作面端頭的循環(huán)準(zhǔn)備和影響時(shí)間,加快了整個(gè)綜采面的開(kāi)采速度,單產(chǎn)水平顯著提升。與目前使用的單體支柱相比,采用端頭支架對(duì)綜采工作面端頭進(jìn)行支護(hù),具有更高的安全性和可靠性,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]王國(guó)法,史元偉,陳忠恕,等 .液壓支架技術(shù) [M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1999.

TD355.46

B

1006-6225(2010)01-0071-02

2009-09-01

軒 濤 (1979-),男,山東濟(jì)寧人,現(xiàn)任兗礦集團(tuán)濟(jì)寧二號(hào)煤礦綜采管理辦公室技術(shù)主管。

張銀亮]