軟煤層支架的研制

趙光明

(山西晉城煤業(yè)集團 金鼎公司，山西 晉城 048006)

1 軟煤層支架的研制背景

軟煤工作面有頂板軟、底板軟、煤質(zhì)軟的特征，軟煤層的重要特點是頂板破碎、煤層流瀉從而導(dǎo)致工作面片幫冒頂次數(shù)多，工作面頂板難以控制，嚴(yán)重影響工作面的正常推進。開采軟煤層時，頂板允許暴露的時間短、面積小。若頂板得不到及時支護極易發(fā)生漏頂事故，且漏頂范圍可能會越來越大，導(dǎo)致大面積冒頂。為了防止軟煤層破碎頂板發(fā)生漏垮，必須在局部崩塌前就妥善控制頂板，防止局部漏頂范圍的進一步擴大，因此冒頂后要求支架能及時升高接頂，支架護幫高度相應(yīng)增加。破碎頂板的漏頂不僅發(fā)生在支架架縫，更多地發(fā)生在支架梁端位置，故對軟煤層工作面來說應(yīng)盡量減小支架梁端距。由于一般支架不能支撐到煤壁，因此要求支架頂梁伸縮機構(gòu)可及時伸出進行超前支護，并配合護幫板控制片幫，同時支架不能陷底前傾，要使支架前端有效接觸頂板?；夭芍幸笊炜s梁及時伸出以減小梁端距，大面積冒頂時護幫打起能有超前5 m的支護空間。為此開發(fā)了具有大伸縮長度伸縮梁、能安裝護幫斜撐機構(gòu)、三級護幫、低接地比壓的軟煤層支架。

2 支架主要技術(shù)參數(shù)及使用條件

2.1 支架主要技術(shù)參數(shù)

支架型號為ZY12000/31/70(兩柱掩護式+伸縮頂梁+鉸接式二級護幫)，其主要技術(shù)參數(shù)如下：

高度(最低/最高)(mm)：3 100/7 000；

寬度(mm)： 1 750；

伸縮梁伸縮長度(mm)： 1 400；

初撐力(p=31.5 MPa)(kN)：7 918；

工作阻力(p=47.7 MPa)(kN)：12 000；

底板比壓(平均)(MPa)： 2.0；

泵站壓力(MPa)： 31.5。

2.2 使用條件

用于一次采全高回采工作面支護，工作面的傾角小于15°。

執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：MT 312—2000液壓支架通用技術(shù)條件。

3 技術(shù)方案

該液壓支架屬于高端支架，主要由底座、頂梁、掩護梁、前后連桿、伸縮護幫機構(gòu)、推移桿及側(cè)護板和電液控制系統(tǒng)等組成。

3.1 伸縮護幫機構(gòu)

伸縮護幫機構(gòu)由一級護幫板、二級護幫板、三級護幫板、托板和伸縮梁、護幫千斤、伸縮千斤和液壓系統(tǒng)組成。伸縮梁前部鉸接三級護幫板，中間鉸接拖板。托板和各級護幫板通過千斤、小連桿連接。支架通過伸縮千斤拉移伸縮梁帶動托板和護幫板伸縮支護，采煤機過后及時伸出支護。

一級護幫千斤缸徑為Φ140 mm，一級護幫支護力為970 kN；二級護幫千斤缸徑為Φ125 mm，二級護幫支護力為770 kN；三級護幫缸徑為Φ80 mm，三級護幫支護力為316 kN。該伸縮護幫機構(gòu)三級護幫總高度為4 000 mm，可有效起到護幫及防護作用。傳統(tǒng)護幫千斤頂分別由獨立的雙向鎖控制，各級護幫與護幫之間分別動作，操作速度慢，很容易誤操作將支架上的膠管壓斷，而且不利于協(xié)調(diào)動作，不能高效地對煤壁進行可靠保護。而該伸縮護幫機構(gòu)液壓系統(tǒng)通過聯(lián)動雙向鎖實現(xiàn)了只操作一個開關(guān)即可實現(xiàn)一級護幫到三級護幫的有序動作，滿足了實際使用的需要，操作時間比傳統(tǒng)操作方式減少三分之一。

3.2 頂梁

頂梁前端承載能力為5 220 kN，伸縮梁伸出后承載能力為2 500 kN,側(cè)推套筒和彈簧套筒充分利用了頂梁柱窩和伸縮梁上部的空間，在減少了頂梁后部長度的同時，使得頂梁伸縮機構(gòu)的整體設(shè)計合理化。

3.3 底座

底座前部合理延伸，通過計算使底座尖端對地比壓降為2.5 MPa，滿足軟底條件下底板比壓要求(松軟底承載強度小于6 MPa)。

3.4 護幫斜撐裝置

護幫板前端可承受力的大小不僅與護幫千斤支撐力有關(guān)，同時與千斤軸線到護幫板回轉(zhuǎn)點的垂直距離成正比，因此在千斤力一定的情況下必須增大力臂。護幫斜撐裝置在支架頂梁上設(shè)置支撐千斤和操縱千斤，操縱千斤可以操縱支撐千斤擺動到護幫板任意位置并頂?shù)阶o幫板上，起到強力支撐作用，還可以使支撐千斤擺動到與立柱平行位置，使護幫板能順利收回。由于支撐千斤力臂很大，因此護幫作用明顯增大。支撐千斤不與護幫板連接，可以自由擺動；支撐千斤可收于立柱間，不影響護幫板的正常使用。

4 軟煤層支架的創(chuàng)新點

(1) 大多數(shù)支架護幫總高度為2.8 m左右，雖然有些大型礦井支架采用三級護板，使護幫總高度達(dá)到了4 m，但由于沒有護幫斜撐機構(gòu)，護幫千斤的力臂較小，還不到護幫斜撐機構(gòu)的七分之一，護板力較小，不能滿足軟煤層易片幫需要較大護幫力的要求。護幫斜撐裝置的千斤頂可直接頂?shù)阶o幫板中部，極大地增加了護板力，普通伸縮護幫機構(gòu)護幫力臂為150 mm,而安裝了護幫斜撐機構(gòu)使護幫力臂可達(dá)850 mm。

(2) 目前，大多數(shù)支架伸縮梁可伸量為800 mm，該支架伸縮梁總長為1.4 m，不僅可以及時封閉采煤機截割800 mm空間，還可以在不拉架情況下超前封閉600 mm的梁端距空間，有效地減少了片幫冒頂。護幫板總高度為4 000 mm，護幫板打平后，總的可伸出支護長度達(dá)5.2 m，在發(fā)生大面積冒頂時能及時支護，對軟煤層有良好的適應(yīng)性。

(3) 立柱前端底座長度較長，大大降低了底座前端比壓，解決了掩護式支架容易陷底影響正常推移的問題。 一般支架底座柱窩中心到底座前端距離為1.2 m，該支架為1.5 m，有效降低了前端比壓。在12 000 kN工作阻力、5 m高度下，底座尖端比壓可由原先3.7 MPa降到2.5 MPa。

(4) 抬底千斤可以在前部直接拆出，推移連接件采用鍍鉻不銹鋼材料方便推移千斤的更換。

(5) 該支架高寬比大，在不增加運輸寬度的條件下增大了采高。

5 應(yīng)用效果

該支架嚴(yán)格按高端支架加工工藝進行加工，對焊件進行全檢、探傷、去應(yīng)力，操作人員經(jīng)過國內(nèi)專門機構(gòu)培訓(xùn)具有相應(yīng)資質(zhì)，保證了制造質(zhì)量。通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)構(gòu)和強度設(shè)計保證了支架的穩(wěn)定性、適應(yīng)性和可靠性。該支架已通過煤科院型式循環(huán)加載試驗，取得煤安標(biāo)志。

使用軟煤層支架進行井下工業(yè)性試驗，工作面共推進600 m。支架在井下進行了正常采煤支護作業(yè)，即支架進行了升降、推移、伸縮等動作，驗證了支架對采煤工作面的適應(yīng)性。支架支護的機械化作業(yè)能夠順利實施，為井下工作面的安全生產(chǎn)和綜采工作面的正常運行提供了有力支撐。試驗結(jié)果說明：支架能夠適應(yīng)軟煤層工作面使用要求。有利于減少工作面片幫冒頂，解決支架陷底影響推移的問題，減輕了工人繁重的體力勞動，提高了支護的安全性。該支架為大采高綜采工作面安全、快速、高效、順利通過軟煤區(qū)提供了設(shè)備支持，降低了工人處理片幫冒頂在工作面打木垛、穿板梁、煤幫打柱、注漿等現(xiàn)場作業(yè)的威險性。支架的適應(yīng)性、可維護性好，降低了工人勞動強度，且能節(jié)約大量材料費用(包括板梁、凝固劑、冒頂排矸設(shè)施等費用)。該支架伸縮護幫支護范圍國內(nèi)最大，為軟煤層工作面的有效支護，解決工作面片幫冒頂做出了有益的探索。