炮采薄煤層液壓支架研制

高振偉

（兗礦集團(tuán)有限公司北宿煤礦，山東鄒城 273500）

炮采薄煤層液壓支架研制

高振偉

（兗礦集團(tuán)有限公司北宿煤礦，山東鄒城 273500）

根據(jù)兗礦集團(tuán)北宿煤礦16煤具體地質(zhì)條件，參照在17煤應(yīng)用較好的薄煤層液壓支架，研制開(kāi)發(fā)了適用16煤的炮采機(jī)裝的頂梁與掩護(hù)梁左右對(duì)稱的分體式薄煤層液壓支架，最大可適應(yīng)頂板起伏變化300mm，對(duì)類似煤層開(kāi)采具有一定的參考價(jià)值。

薄煤層;液壓支架;含硬夾矸

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北宿煤礦主采煤層16煤、17煤為薄煤層，平均厚度0.9m，含有炭質(zhì)砂巖夾矸和黃鐵礦結(jié)核。其中，炭質(zhì)細(xì)砂巖夾矸 （堅(jiān)固性系數(shù)f=7）位于煤層的中下部，呈條帶狀，沿煤層走向分布，厚度在180mm左右 （最大厚度達(dá)到210mm），賦存相對(duì)穩(wěn)定;黃鐵礦結(jié)核特點(diǎn)是分布廣泛、位置隨機(jī)、體積較大 （最大可達(dá)300mm×210mm）。由于硬度極高，給正常破煤帶來(lái)很大難度。

為了實(shí)現(xiàn)上述煤層的安全高效開(kāi)采，北宿煤礦探索出了炮采機(jī)裝開(kāi)采工藝，并率先在17煤進(jìn)行使用，效益較好。16煤由于頂板不平，起伏變化較大 （俗稱“蘑菇頂”），最大落差達(dá)300mm，現(xiàn)有的17煤層支架由于接頂性較差，無(wú)法在16煤使用。為此，研制開(kāi)發(fā)了適應(yīng)性更強(qiáng)的分體式炮采薄煤層液壓支架，在16煤進(jìn)行了開(kāi)采試驗(yàn)，獲得成功。本文介紹該支架的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，希望對(duì)類似煤層賦存條件的支架設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)作用。

1 支架型式確定

按架型結(jié)構(gòu)劃分，支架主要有掩護(hù)式液壓支架、支撐式液壓支架、支撐掩護(hù)式液壓支架;按穩(wěn)定機(jī)構(gòu)可分為四連桿液壓支架、單擺桿液壓支架、單鉸點(diǎn)液壓支架和直線式組合型液壓支架等幾種型式。下面對(duì)上述各種架型分別進(jìn)行分析比較。

1.1 兩柱掩護(hù)式

一般來(lái)說(shuō)，兩柱掩護(hù)式具有以下幾個(gè)特點(diǎn):伸縮比大，一般可達(dá)2.4，適應(yīng)煤層厚度變化能力強(qiáng);平衡千斤頂可調(diào)節(jié)合力作用點(diǎn)的位置，支架對(duì)頂板的適應(yīng)性強(qiáng);支架對(duì)頂板向煤壁方向水平推力較大，有利于維護(hù)頂板的完整;液壓控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，管路少，有利于提高移架速度;對(duì)圍巖適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)煤層變化較大的工作面適應(yīng)性較強(qiáng)。

具體到本工作面，該支架其主要存在以下缺陷:最小采高時(shí)，行人空間過(guò)小;低位時(shí)支護(hù)效率低;底座前端比壓較大;低位時(shí)掩護(hù)梁背角較小，矸石不能自由下滑，“背矸”現(xiàn)象嚴(yán)重，支架附加力較大。

1.2 單擺桿液壓支架

該支架的特點(diǎn)是穩(wěn)定機(jī)構(gòu)采用擺桿機(jī)構(gòu)。行人空間較大，有效地解決了兩柱掩護(hù)式支架行人空間過(guò)小的缺陷，由于掩護(hù)梁與頂梁焊接在一起，因而掩護(hù)梁背角較大，不存在掩護(hù)梁“背矸”現(xiàn)象。

主要缺點(diǎn)是端面距變化值較大且抗扭能差。由于穩(wěn)定機(jī)構(gòu)采用單擺桿機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)在支架升降過(guò)程中作圓周運(yùn)動(dòng)，因而端面距變化十分明顯。單擺桿機(jī)構(gòu)在平面力學(xué)體系中可簡(jiǎn)化為二力桿機(jī)構(gòu)，抗扭性較差。而16煤的最大特點(diǎn)是頂板凹凸不平，因而支架頂梁上表面與頂板間的接觸以多點(diǎn)接觸為主，支架偏載現(xiàn)象嚴(yán)重，要求支架必須具有較強(qiáng)的抗扭性，而單擺桿機(jī)構(gòu)的最大缺點(diǎn)是抗扭性能力差，因而不能適應(yīng)本工作面要求。

1.3 四柱支撐掩護(hù)式

四柱支撐掩護(hù)式支架的特點(diǎn)是:穩(wěn)定性好，抗水平力強(qiáng)，比壓均勻，主要適應(yīng)2，3類直接頂，Ⅱ、Ⅲ級(jí)基本頂。對(duì)本工作面來(lái)說(shuō)，最大優(yōu)點(diǎn)是可以將行人通道設(shè)置在前后立柱中間，較為安全。

綜合考慮認(rèn)為，本工作面支架以選擇四柱支撐掩護(hù)式支架較為合理。因?yàn)楝F(xiàn)有的17煤支架使用經(jīng)驗(yàn)表明，四柱支撐掩護(hù)式支架對(duì)穩(wěn)定頂板適應(yīng)性較好，通過(guò)了井下實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐的考驗(yàn)。現(xiàn)將原有的單擺桿機(jī)構(gòu)更換為四連桿機(jī)構(gòu)，增加支架抗扭性能，進(jìn)一步完善了支架性能，改進(jìn)后的支架應(yīng)該能適應(yīng)16煤賦存特點(diǎn)。

2 支架主要結(jié)構(gòu)型式確定

2.1 支架主體結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)工作面頂板起伏變化，將支架頂梁與掩護(hù)梁設(shè)計(jì)為左右對(duì)稱的分體式結(jié)構(gòu)形式，每側(cè)支架都設(shè)置四連桿式穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，以增加支架抗扭性能，底座采用一體式結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)支架整體穩(wěn)定性。采用整頂梁結(jié)構(gòu)，頂梁兩側(cè)不設(shè)活動(dòng)側(cè)護(hù)板，以簡(jiǎn)化支架結(jié)構(gòu)、減輕支架重量。左右側(cè)頂梁間隙為50mm，由于沒(méi)有設(shè)置側(cè)推千斤頂，將頂梁側(cè)面設(shè)置2個(gè)大耳板，以增加支架抗扭性能。采用上述結(jié)構(gòu)后，左右側(cè)頂梁最大落差可達(dá)300mm，基本適應(yīng)頂板起伏變化。

2.2 伸縮梁結(jié)構(gòu)

伸縮梁的主要作用是超前支護(hù)。放炮后，沒(méi)有移架前，伸縮梁伸出，護(hù)住頂板。為了使伸縮梁在伸出過(guò)程中能很好地接頂，并且在伸出后能有效地產(chǎn)生前端初撐力，伸縮梁采用彈簧鋼板結(jié)構(gòu)，伸縮梁未伸出時(shí)低于頂梁上平面，伸出過(guò)程中逐漸上抬，并生產(chǎn)初撐力。伸縮梁行程600mm，放炮伸出后，梁端距為350mm。

采用分體頂梁結(jié)構(gòu)后，由于尺寸限制，只能采用缸徑為φ63/45的千斤頂，并且只能將千斤頂布置在柱帽兩側(cè)。在頂梁中檔設(shè)置箱形，同時(shí)將伸縮板設(shè)計(jì)為條狀結(jié)構(gòu)，以便對(duì)伸縮板進(jìn)行導(dǎo)向。

2.3 推移機(jī)構(gòu)

目前支架推移機(jī)構(gòu)主要采用推移框架結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)包括推移框架、連接頭、推移千斤頂和銷軸等，主要作用是推移輸送機(jī)、拉架并對(duì)支架進(jìn)行導(dǎo)向。由于本項(xiàng)目支架重量較輕，加上工作面為炮采落煤，沒(méi)有采煤機(jī)等綜采設(shè)備，因而推移機(jī)構(gòu)在拉架、推溜時(shí)側(cè)向力較小，為了保證必要的行人空間并減化結(jié)構(gòu)，將推移千斤頂兼作推移導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，取消了推移框架。

推移步距根據(jù)炮采工藝定為1200mm，推移千斤頂?shù)男谐潭?300mm。當(dāng)推移行程接近終點(diǎn)時(shí)，支架的導(dǎo)向由固定在溜槽上的推移耳座進(jìn)行導(dǎo)向定位，此時(shí)推移千斤頂不受橫向載荷。推移千斤頂前端上部有過(guò)橋限位，允許推移千斤頂上抬80mm;下部未封閉，不限位。

2.4 底座

底座是將頂板壓力傳遞到底板和穩(wěn)定支架的部件，除了滿足一定的剛度和強(qiáng)度外，還要求對(duì)起伏不平的底板適應(yīng)能力要強(qiáng)，對(duì)底板接觸比壓要小。其主要作用包括:為立柱、液壓控制裝置、推移裝置及其他輔助裝置形成安裝空間;為工作人員創(chuàng)造良好的工作環(huán)境;具有一定的排矸、擋矸作用;保證支架的穩(wěn)定性。

為了盡可能增加人行通道的高度，減輕支架重量，前、后立柱底座部分設(shè)計(jì)成彈簧鋼板的柔性結(jié)構(gòu)，底座后部為剛性整體結(jié)構(gòu)。底座前部為獨(dú)立的左右兩部分，通過(guò)鋼板與底部后部連接，只能上、下擺動(dòng)，不能左右擺動(dòng)。

2.5 擋煤裝置

擋煤裝置是擋住爆破落煤時(shí)沖向采空區(qū)方向的煤炭。由于擋煤裝置瞬間承受的爆破沖擊力相當(dāng)大，所以要求擋煤裝置既能擋住落煤，又不能產(chǎn)生較大的塑性變形;既要適應(yīng)支架從最低到最高的變化，又要完成擋煤后不影響架前架后的通行和支架操作過(guò)程中對(duì)架前的觀察;同時(shí)還要便于操作，易于更換。

為了適應(yīng)煤層厚度變化，擋板設(shè)計(jì)為雙層三級(jí)高度可調(diào)結(jié)構(gòu)，第1級(jí)配套支架使用高度為610～1000mm，第 2級(jí)配套支架使用高度為 710～1100mm，第3級(jí)配套支架使用高度810～1200mm。放炮前，將上、下活動(dòng)擋煤板全部橫向抽出，封住前后通道，擋煤裝置處于放炮擋煤狀態(tài)。放炮后，將上、下活動(dòng)擋煤板全部縮回，擋煤裝置處于通道打開(kāi)和可移架狀態(tài)。

3 結(jié)束語(yǔ)

北宿煤礦研制了10架樣機(jī)用于16煤工作面，進(jìn)行了半年的井下工業(yè)性試驗(yàn)。井下試驗(yàn)結(jié)果表明，該支架整體結(jié)構(gòu)比較合理，沒(méi)有出現(xiàn)開(kāi)焊、拉不動(dòng)架等現(xiàn)象，基本適應(yīng)了16煤層頂板起伏變化大的特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)該支架頂梁較厚、整體重量較重，有待今后進(jìn)一步改進(jìn)。

［1］蒲寶山.較薄煤層高效開(kāi)采工作面設(shè)備優(yōu)化配套研究［D］.煤炭科學(xué)研究總院，2006.

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

TD355.43

B

1006-6225（2011）04-0076-02

2011－05－26

高振偉 （1961－），男，山東臨沂人，高級(jí)工程師，現(xiàn)任兗礦集團(tuán)北宿煤礦礦長(zhǎng)。

［責(zé)任編輯:王興庫(kù)］

礦壓與災(zāi)害控制