薄煤層綜采液壓支架關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展方向

常可紅

（山西蘭花百盛煤業(yè)有限公司，山西高平 048400）

0 前言

我國具有豐富的煤炭資源，在這些煤炭資源中有很多都為薄煤層資源，據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前國內(nèi)有1/5的煤炭資源屬于薄煤層資源，這些薄煤層資源廣泛分布于全國各地。當(dāng)前在已探明的礦區(qū)中，有薄煤層分布的礦區(qū)占到了84%左右，而因受煤層地質(zhì)條件的限制，薄煤層實(shí)現(xiàn)綜合機(jī)械化開采相對較難，雖然當(dāng)前也有部分礦井開始用滾筒采煤機(jī)以及刨煤機(jī)來開采薄煤層，但實(shí)際應(yīng)用水平還相對較低。工作面液壓支架作為支護(hù)頂板及保障采煤設(shè)備安全、順利推進(jìn)的重要設(shè)備，它在薄煤層機(jī)械化采煤作業(yè)中占有重要地位，通過研究薄煤層液壓支架關(guān)鍵技術(shù)及其未來發(fā)展方向，有助于更好的保障薄煤層機(jī)械化開采的安全性，高效性。

1 薄煤層液壓支架現(xiàn)存問題

長壁采煤法是我國很多薄煤層實(shí)施機(jī)械化開采主要用到的采煤方式，其機(jī)械化采煤主要用到的設(shè)備有：滾筒式采煤機(jī)、刨煤機(jī)、刮板輸送機(jī)及液壓支架等。薄煤層因煤層厚度小，通常煤層厚度均小于1.3 m，加之受地質(zhì)條件等因素的影響，采煤高度通常不高，液壓支架在實(shí)際應(yīng)用中也存在很多問題，其主要包括下列幾個(gè)方面[1]。

開采薄煤層時(shí)，因煤層較薄采高低，通常沒有足夠的空間，供工人作業(yè)。生產(chǎn)效率低，我們?nèi)粘Ｉa(chǎn)中遇到的薄煤層煤層厚度大多小于1.3 m，部分煤層其厚度甚至小于0.9 m，過小的空間會(huì)增加液壓支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度，很難順利布設(shè)液壓系統(tǒng)，也會(huì)使液壓系統(tǒng)的操作及日常維護(hù)十分不便，會(huì)影響液壓支架的有效適應(yīng)性。

（2）液壓支架實(shí)際質(zhì)量過重，不便于井下安裝。隨薄煤層開采年限的增加，薄煤層開采深度不斷加深，需面臨的開采地質(zhì)條件也越來越復(fù)雜，所用的液壓支架需面對更大的工作阻力，而隨工作阻力的不斷增大，液壓支架重量也在逐年加重，這樣會(huì)給液壓支架的井下運(yùn)輸工作增加難度，尤其是對于部分正在實(shí)施技術(shù)改造的老礦井而言，因受落后運(yùn)輸條件的限制，很難安全順利的運(yùn)輸支架，因此，開采薄煤層所用的液壓支架質(zhì)量不易過重[2]。

（3）液壓支架不夠智能化，施工人員工作環(huán)境惡劣。近年來，隨著我國薄煤層開采技術(shù)的發(fā)展，薄煤層開采的智能化水平越來越高，但液壓支架自動(dòng)化，智能化應(yīng)用水平還相對較低，仍主要以手動(dòng)操作為主，這樣不僅會(huì)降低操作效率，而且會(huì)增加設(shè)備日常維護(hù)難度。

為更好適應(yīng)薄煤層機(jī)械化安全、高效開采，其所用的液壓支架也應(yīng)逐步改進(jìn)優(yōu)化，應(yīng)讓薄煤礦開采所用液壓支架朝著輕量化、高安全性、高可靠性、高智能化的方向發(fā)展。

2 薄煤層開采液壓支架關(guān)鍵技術(shù)

（1）液壓支架適應(yīng)性要求

在具體選擇薄煤層液壓支架時(shí)，應(yīng)綜合考慮配套設(shè)備因素、地質(zhì)條件因素以及運(yùn)輸條件等因素以選出更適合薄煤層開采作業(yè)的液壓支架。國內(nèi)通常所用的薄煤層液壓支架大多為兩柱掩護(hù)式，而俄羅斯、烏克蘭等一些國家他們在開采薄煤層時(shí)，所選的液壓支架大多為四柱支撐掩護(hù)式。在實(shí)際生產(chǎn)中，具體應(yīng)選用何種架型應(yīng)充分考慮到工作面實(shí)際地質(zhì)條件。

薄煤層煤層煤層厚度較小，施工人員作業(yè)空間相對較狹小，要想確保工作面正常作業(yè)，必須科學(xué)、合理的布設(shè)綜采設(shè)備，布設(shè)的綜采設(shè)備應(yīng)不影響液壓支架操作。在國外人們在開采薄煤層時(shí)，所要求的行人空間通常大于國內(nèi)薄煤層開采要求的空間，且會(huì)要求操作主閥組也嚴(yán)禁占用有限的行人空間，這樣薄煤層開采所用液壓支架通常需配備較長的頂梁，同時(shí)可把頂梁箱體蓋板設(shè)計(jì)為下沉狀，以便于更好的安放主閥及相關(guān)管路。此外，為使支架能更順利的下井，避免因尺寸過大造成阻礙，通?？勺屩Ъ茼斄号c前梁進(jìn)行前鉸接，在進(jìn)行下井作業(yè)時(shí)，可通過合理拆卸前梁，來確保大部分支架可實(shí)現(xiàn)整體下井[3]。

所選的薄煤層綜采機(jī)組一方面應(yīng)能盡量適應(yīng)一些較低的采煤高度，另一方面采煤機(jī)應(yīng)有足夠大的過機(jī)間隙。當(dāng)確定好采煤機(jī)的機(jī)身高度后，應(yīng)選用頂梁前端相對較薄的支架。對于支架的頂粱厚度大小，其主要受支架的工作阻力大小、頂梁長度情況、所用鋼板材質(zhì)情況等因素影響。通常開采薄煤層時(shí)，其工作阻力相對較小，這時(shí)可把支架頂梁前端布設(shè)為板式頂梁結(jié)構(gòu)。

用于薄煤層開采的液壓支架通常立柱較傾斜，實(shí)際支護(hù)強(qiáng)度相對較低，而支架底座相對較大，這樣可使支架產(chǎn)生的底板比壓大幅降低。通常所用的薄煤層液壓支架大多為封底板式結(jié)構(gòu)，配置有效的抬底裝置較難，但若遇到工作面底板不好的情況時(shí)，支架前端變易出現(xiàn)下陷現(xiàn)象，會(huì)影響推進(jìn)速度。對此，隨著薄煤層所用液壓支架技術(shù)的發(fā)展，很多地方在設(shè)計(jì)薄煤層液壓支架時(shí)，會(huì)盡量給其配置一抬底裝置，國外也是如此。如基于薄煤層開采液壓支架結(jié)構(gòu)空間相對較小，烏克蘭為薄煤層液壓支架加設(shè)了橫向抬底裝置，這樣不僅對液壓支架空間尺寸的縮小十分有利，而且當(dāng)把支架降至最低進(jìn)行運(yùn)輸作業(yè)時(shí)，也不會(huì)造成過大影響[4]。

（2）液壓支架的輕量化

所用的薄煤層液壓支架其實(shí)際工作阻力通常在2 000 kN～5 000 kN之間，而對于一些淺埋深煤層而言，要求選用的液壓支架應(yīng)能應(yīng)對更大的工作阻力，該工作阻力有時(shí)可高達(dá)7 000 kN左右，在薄煤層開采機(jī)械化水平不斷增大的影響下，要求液壓支架應(yīng)能應(yīng)對更大的工作阻力，開采薄煤層所配備的液壓支架質(zhì)量也在不斷加重，由起初的7、8 t左右已逐步增至15 t左右，這樣在部分老礦井中便很難順利運(yùn)輸，同時(shí)井下搬運(yùn)也十分不便。對此，在選用液壓支架時(shí)，應(yīng)在確保所用液壓支架可充分滿足其工作阻力需求的情況下，最大限度的降低液壓支架自身質(zhì)量，以便于液壓支架的實(shí)際搬運(yùn)。

在實(shí)際生產(chǎn)中，可通過降低液壓支架立柱質(zhì)量來使液壓支架整體重量減輕。如可用一些現(xiàn)代化的新型高強(qiáng)度材料30CrMnSi來替換傳統(tǒng)材料27SiMn來制作液壓支架；可用管采來充當(dāng)液壓支架活柱，采用焊接式的柱頭，這樣和之前的實(shí)心圓鋼相比會(huì)大幅減輕液壓支架質(zhì)量。

經(jīng)相關(guān)部門研究，人們發(fā)現(xiàn)在液壓支架的總重量中，結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量幾乎要占到70%左右，而因受剛板價(jià)格因素及實(shí)際焊接技術(shù)的影響，通常選用Q550或Q690型號的鋼板來制作結(jié)構(gòu)件，而幾乎不應(yīng)用超高強(qiáng)度鋼板。若大量使用Q960以及S1000型的新型超高強(qiáng)度鋼板來制作液壓支架主體結(jié)構(gòu)件，如主肋部分、貼板部位以及蓋板部分等，可使液壓支架的實(shí)際重量大幅降低。而在此過程中，當(dāng)液壓支架的主體結(jié)構(gòu)件大幅便薄后，雖支架實(shí)際重量會(huì)顯著減輕，但也應(yīng)充分考慮到具體結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度及剛度平衡情況，對此，在實(shí)際研發(fā)時(shí)，可通過借助虛擬數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)以及現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)檢測技術(shù)，通過進(jìn)行深入的樣機(jī)試驗(yàn)，進(jìn)而來確保所制造的支架更安全，更可靠。

（3）智能化技術(shù)

因薄煤層受其自身生產(chǎn)條件的限制，如煤層低，施工空間小，地質(zhì)條件較復(fù)雜等因素的影響，進(jìn)行機(jī)械化生產(chǎn)相對較難，為進(jìn)一部提高薄煤層的安全、高效開采水平，讓整個(gè)工作面逐步實(shí)現(xiàn)智能化采煤也越來越重要。對此，人們也開始著手研發(fā)智能化液壓支架，該類液壓支架的發(fā)展主要呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)[5]。

①電液控制系統(tǒng)開始逐步走向國產(chǎn)化道路，可靠性也越來越高。很多支架電液控制器防護(hù)等級開始大幅提升，開始以中文人機(jī)界面為主，更易操作與維護(hù)，同時(shí)電液控制系統(tǒng)所具有的功能也在不斷增多且越來越完善，不僅可讓支架全部控制動(dòng)作順利完成，而且還可進(jìn)行單架與成組推溜移架作業(yè)。在實(shí)際生產(chǎn)中借助電液控制器，可對液壓支架立柱進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)壓操作，當(dāng)壓力出現(xiàn)明顯下降，降至比設(shè)定值還低時(shí)，液壓系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)升壓并及時(shí)進(jìn)行升柱作業(yè)，并可執(zhí)行多次，以確保實(shí)際支護(hù)質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

②液壓支架遙控操作技術(shù)，可對支架進(jìn)行單架遙控操作或多架遙控操作，且所裝備的遙控發(fā)射器，可對所用支架架號進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并能對支架的立柱壓力大小及推移行程情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，且能把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)及時(shí)反饋給操作中心。

③應(yīng)具備視頻監(jiān)控功能，可在支架上裝設(shè)足夠數(shù)量的微型本安攝像機(jī)，來全景監(jiān)控工作面設(shè)備，所裝設(shè)的攝像機(jī)應(yīng)具有實(shí)時(shí)錄像存儲(chǔ)功能與紅外功能，此外可借助順槽集控系統(tǒng)來把工作面捕獲的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面及時(shí)傳至地面控制室，以進(jìn)行分析處理[6]。

3 結(jié)語

總之，薄煤層機(jī)械化開采離不開液壓支架設(shè)備，而煤層因受自身賦存條件的限制，其所用液壓支架又應(yīng)有一些自身特點(diǎn)，未來薄煤層工作面液壓支架設(shè)備應(yīng)朝著輕量化、高可靠性、智能化方向發(fā)展，只有這樣才能更好的服務(wù)于薄煤層綜采作業(yè)，才能更好的促進(jìn)薄煤層開采的高產(chǎn)、高效。

［1］桑沖峰，張景奎，孫紅發(fā).薄煤層液壓支架液壓系統(tǒng)研究與應(yīng)用［J］.煤礦機(jī)械，2014（10）：55-57.

［2］李剛.較薄煤層履帶行走液壓支架支護(hù)參數(shù)確定及應(yīng)用［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2015（06）：60-62.

［3］江亞東，馬世野，張建華.薄煤層液壓支架研究與設(shè)計(jì)分析［J］.內(nèi)燃機(jī)與配件，2017（02）：42-44.

［4］李培新，魏國.薄煤層工作面自移式液壓支架研制與應(yīng)用［J］.煤礦現(xiàn)代化，2009（10）：31-33.

［5］陳廷理.薄煤層工作面液壓支架的改進(jìn)［J］.山東煤炭科技，2014（12）：88-90.

［6］夏亮，劉楚強(qiáng)，王穎.極薄煤層液壓支架新型抬底機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工程師，2014（06）：44-46.