大同煤田特厚煤層液壓支架的開發(fā)研究

摘要：文章總結(jié)了幾年來大同煤礦集團(tuán)多個(gè)千萬噸礦井使用特厚煤層放頂煤液壓支架的實(shí)踐，闡述了適用于大同煤田石炭系特厚煤層的放頂煤液壓支架設(shè)計(jì)的要點(diǎn)、難點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)，提出了保證大采高液壓支架橫向、縱向、煤壁穩(wěn)定性和防止放頂煤支架拔后柱、抗沖擊載荷的一些必要措施，在特厚煤層放頂煤液壓支架研究方面取得了新的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：特厚煤層；放頂煤；液壓支架；大同煤田

中圖分類號(hào)：TD823 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）29-0101-02

1 研究意義

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著大同煤礦集團(tuán)2000年7月改制為國(guó)有獨(dú)資公司，2003年12月包含晉北主要煤炭生產(chǎn)和銷售企業(yè)的大型煤炭集團(tuán)及2005年底實(shí)現(xiàn)債轉(zhuǎn)股的三次改制重組。大同煤礦集團(tuán)已初步構(gòu)建成跨地區(qū)、跨行業(yè)、跨所有制的億噸級(jí)煤炭集團(tuán)，而且侏羅系煤層儲(chǔ)存逐漸減少，下部石炭系特厚煤層賦存豐富，研究大同煤田石炭系特厚煤層的開采已成為同煤集團(tuán)能否持續(xù)均衡科學(xué)發(fā)展的重要問題。近年來，隨著塔山、同忻、東周窯、金莊、麻家梁等千萬噸礦井的相繼投產(chǎn)，制造大同煤田特厚煤層條件下運(yùn)用的液壓支架成為煤機(jī)制造行業(yè)的一項(xiàng)重要課題。為此，筆者認(rèn)真總結(jié)了國(guó)內(nèi)外特厚煤層液壓支架制造使用的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，尤其是以大同煤礦集團(tuán)塔山礦實(shí)驗(yàn)基地的“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目“特厚煤層大采高綜放開采成套技術(shù)與裝備研發(fā)”課題之三、大采高綜放液壓支架研發(fā)為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究了特厚煤層放頂煤液壓支架的制造和使用實(shí)踐。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 特厚煤層放頂煤液壓支架制造的特點(diǎn)

經(jīng)過塔山、同忻煤礦ZF13000/25/38、ZF15000/27.5/42、ZF15000/32/52型支架的實(shí)踐證明：

2.1.1 支架的工作特征：（1）放頂煤前支架工作阻力普遍呈增阻狀態(tài)，而且增阻幅度主要是前柱大于后柱；（2）放頂煤后支架的工作阻力普遍下降，但下降幅度后柱大于前柱；（3）放煤前支架支護(hù)強(qiáng)度增加，但放頂后普遍下降。

2.1.2 支架的承載狀況。由于放頂煤工藝的特點(diǎn)，使得支架前后立柱的受力不均。前柱由于頂煤放空造成支架后部空洞，前柱受上部煤巖的壓力影響，阻力普遍大于后立柱。阻力差值一般為2～16MPa。而后立柱在放煤時(shí)，即垮落煤巖的沖擊，造成前后立柱循環(huán)阻力變化較大，即放頂煤時(shí)前后立柱阻力都開始下降。放頂煤來時(shí)后柱的阻力逐漸下降，變化值在1～20MPa之間，待放煤結(jié)束10～30min之后立柱阻力逐漸增大，一般升高值10～18MPa，整個(gè)開采過程的20%左右。

2.1.3 放煤的剛度（厚度）變化對(duì)支架前后立柱的承載產(chǎn)生影響。隨著放頂煤厚度的增大，其剛度減??；隨著放頂煤強(qiáng)度的增大，其剛度增大，這種變化無疑會(huì)對(duì)支架的承載產(chǎn)生影響，尤其是放頂煤支架前后柱阻力的影響。

2.1.4 由于支架支撐高度較大，支架各部件用銷軸連接，銷軸與孔之間存在軸向間隙，即使在水平的工作條件下，也會(huì)產(chǎn)生支架歪斜、扭轉(zhuǎn)，造成支架橫向不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

2.1.5 當(dāng)支架承受縱向水平摩擦力時(shí)，引起底座比壓和支架外載合力作用點(diǎn)的變化，特別是當(dāng)支架承受向前的縱向水平力時(shí)，將引起底座合力作用點(diǎn)前移，而特厚煤層支架由于高度變化大，合力作用點(diǎn)位置變化大，甚至可能造成底座合力作用點(diǎn)超過底座前端，使支架縱向失穩(wěn)。

2.1.6 通常大采高支架梁端距為450～550mm，而且大采高工作載荷都比較大，在850mm左右，割煤后、移架前，支架的空頂距將增加到1400mm左右，這一部分沒有得到支護(hù)的頂板及頂煤易產(chǎn)生冒落，威脅工人的人身安全及機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，為了有效地支護(hù)這一部分裸露的頂板，盡可能地將支架向前移動(dòng)，使支架對(duì)這部分頂板起到支護(hù)作用，采煤機(jī)仰斜采上仰5°時(shí)，采煤機(jī)的滾筒就有可能割支架的頂梁，若采煤機(jī)俯斜采煤，前傾5°，則梁端距就要加大一倍多，割煤后，移架前梁端距大至1900mm。但是由于煤層底板起伏不平或操作不當(dāng)，采煤機(jī)相對(duì)于支架向前或向后偏斜是不可避免的。

2.2 特厚煤層放頂煤支架設(shè)計(jì)應(yīng)采取的措施

2.2.1 為了解決前后立柱阻力不均勻，拔后柱現(xiàn)象：（1）支架頂梁一般應(yīng)設(shè)計(jì)為鉸接前梁結(jié)構(gòu)，以便發(fā)揮前梁的讓壓功能；（2）要求支架四連桿結(jié)構(gòu)在支架頂梁下降時(shí)雙紐線有向前運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，使頂梁對(duì)頂煤有指向煤壁的分力，防止支架前方頂煤縱向裂隙加大而快速下沉和冒頂，同時(shí)增大支架四連桿運(yùn)動(dòng)瞬心點(diǎn)O與支架水平距離，減小尾梁載荷產(chǎn)生拔后柱力矩；（3）合理布置頂梁柱窩位置，前立柱柱窩位置應(yīng)盡量前移，立柱向前傾斜布置，增大支架頂梁受外載力平衡區(qū)域；（4）增加支架工作阻力儲(chǔ)備，維持支架合力作用點(diǎn)隨前柱保持與頂板合力的平衡。

2.2.2 為了提高支架的橫向穩(wěn)定性采取了以下措施：（1）加大支架間距，由1.5m中心距改為1.75m中心距；（2）四連桿機(jī)構(gòu)之間的孔軸配合間隙不超過0.75mm；（3）中間架頂梁、掩護(hù)梁增設(shè)強(qiáng)力活動(dòng)側(cè)護(hù)板，調(diào)整與鄰架間正常距離；（4）盡量增加底座寬度及底座結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；（5）增加支架結(jié)構(gòu)件及連接耳板的厚度及強(qiáng)度，保證橫向歪斜時(shí)的抗扭性能；（6）底座設(shè)底調(diào)千斤頂，防止支架橫向下滑；（7）工作面兩端各設(shè)3～4架排頭支架組成錨固站，防止支架橫向下滑，作為全工作面橫向穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。

2.2.3 為了提高支架縱向穩(wěn)定性，采取了以下措施：（1）在四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，使頂梁的雙紐線運(yùn)動(dòng)軌跡自上而下為向工作面煤壁傾斜的曲線，保證水平摩擦力始終指向采空區(qū)。支架兩端曲線變化平穩(wěn)，在支架從高到低的變化過程中，梁端距逐漸變小，頂梁向前運(yùn)動(dòng)；（2）支架采用緊湊型掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)，盡量增大掩護(hù)梁與頂梁的背角，嚴(yán)格控制掩護(hù)梁的外漏量；（3）在滿足設(shè)備空間布置的前提下，盡量減小無立柱空間，并增加底座接地面積；（4）對(duì)于仰采、俯采條件下使用的液壓支架，應(yīng)適當(dāng)增大支架抗水平力的結(jié)構(gòu)，適當(dāng)增強(qiáng)支架的結(jié)構(gòu)件及連接件強(qiáng)度；（5）采用雙前連桿，整體后連桿結(jié)構(gòu)，保證支架整體穩(wěn)定性。

圖1 實(shí)心活柱結(jié)構(gòu)的立柱

圖2 空心活柱結(jié)構(gòu)的立柱

2.2.4 為提高支架抗沖擊能力，應(yīng)采取以下措施：（1）選用1000L/min的大流量安全閥，保證泄壓速度，提高立柱抗沖擊能力；（2）對(duì)受沖擊載荷較多的放頂煤支架后立柱增加缸筒壁厚，提高抗沖擊能力；（3）后立柱改實(shí)心活柱為空心活柱，使缸筒與活柱空心腔相通，增加沖擊時(shí)液體緩沖能力；（4）增大管路安全閥卸液通道尺寸，減少液體流動(dòng)阻力，盡量增大緩沖能力。

2.2.5 為了提高工作面煤壁穩(wěn)定性，防止片幫事故，應(yīng)采取以下措施：（1）采用伸縮功能的頂梁結(jié)構(gòu)，割煤后及時(shí)伸出，支護(hù)頂板；（2）盡量加大護(hù)幫板面積和護(hù)幫作用力，必要時(shí)可采用二級(jí)護(hù)幫結(jié)構(gòu)，要求護(hù)幫板完全伸開時(shí)，能夠伸平甚至上翹5°，及時(shí)支護(hù)頂板，提高切頂能力。

圖3 帶有伸縮梁結(jié)構(gòu)的

液壓支架 圖4 帶有兩級(jí)護(hù)幫板結(jié)構(gòu)的液壓支架（最大支護(hù)高度5m）

3 效果與評(píng)價(jià)

經(jīng)過幾年的研究探索，特厚煤層放頂煤液壓支架制造在同煤集團(tuán)中央機(jī)廠已經(jīng)成為主導(dǎo)產(chǎn)品，改變了國(guó)內(nèi)同類液壓支架依靠進(jìn)口和僅限于北煤機(jī)、鄭煤機(jī)兩大巨頭制造的局面，大大降低了煤炭生產(chǎn)成本，提高了大同煤礦集團(tuán)大采高綜采設(shè)備制造在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力，具備了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的條件和可能性。

經(jīng)中央機(jī)廠制造研究的ZF13000/25/38、ZF15000/27.5/42型特厚煤層放頂煤液壓支架已經(jīng)廣泛用于同煤大唐塔山礦、同煤國(guó)電同忻礦、同煤浙能東周窯礦燈多個(gè)千萬噸礦井，而且使用效果良好，支架壽命通過了國(guó)家支護(hù)檢測(cè)中心50000次循環(huán)加載形式試驗(yàn)要求，大修周期達(dá)到了3000萬噸以上，與之配套的端頭支架和超前支架能有效地維護(hù)大采高綜放工作面端頭頂板，實(shí)現(xiàn)了工作面快速推進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

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[3] 劉大同.特厚煤層大采高綜放設(shè)備的研發(fā)[J].煤礦機(jī)電，2011，（1）.

作者簡(jiǎn)介：劉建軍（1969-），男，大同煤礦集團(tuán)機(jī)電裝備公司中央機(jī)廠對(duì)外協(xié)作處副處長(zhǎng)，工程師，研究方向：機(jī)械工程與自動(dòng)化。