一種大工作阻力兩柱式放頂煤液壓支架的設(shè)計

郭利新

(晉能控股裝備制造集團(tuán) 煤炭技術(shù)裝備公司，山西 長治 046204)

放頂煤開采技術(shù)是潞安化工集團(tuán)所屬各礦煤炭生產(chǎn)中采用的主流技術(shù)，其工作面普遍使用四柱放頂煤液壓支架。此類液壓支架結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)復(fù)雜、移架速度慢、與電液控制系統(tǒng)配套適應(yīng)性差，并普遍存在支架前后立柱受力不均衡、工作阻力利用率低、支架結(jié)構(gòu)件易損壞等問題。為克服傳統(tǒng)四柱放頂煤液壓支架存在的問題，適應(yīng)電液控系統(tǒng)的配套，研究兩柱放頂煤液壓支架與圍巖的相互作用，更好地控制頂板實現(xiàn)高效開采，探索一種適合潞安化工集團(tuán)使用的兩柱放頂煤新型主流架型，配合高端電液控制系統(tǒng)，使工作面生產(chǎn)向自動化方向發(fā)展，已成為當(dāng)前煤礦急需解決的重要課題。為潞安化工集團(tuán)五陽煤礦研制出的高工作阻力兩柱式放頂煤液壓支架，很好地解決了四柱放頂煤液壓支架存在的上述問題。

1 工作面煤層賦存條件

五陽煤礦3號煤層位于山西組中下部，擴(kuò)區(qū)內(nèi)穿過其層位的鉆孔全部可采，下距8-1號煤層平均間距為41.16 m。煤層厚度為1.99～6.91 m，平均厚度為5.54 m。煤層結(jié)構(gòu)簡單，局部下部含夾矸1層，偶含2層，夾矸厚度為0～0.80 m，一般為0.18～0.40 m，巖性為泥巖或炭質(zhì)泥巖。401號鉆孔3號煤層厚度為1.99 m，變薄為沉積所致。工作面埋深530～650 m，煤厚5.7 m，運(yùn)輸巷長1 822 m，回風(fēng)巷長1 786 m，切眼長度288 m。老頂為細(xì)粒砂巖及中粒砂巖，厚5.55～7.05 m，平均6.30 m；直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚2.32～3.97 m，平均3.15 m；偽頂為炭質(zhì)泥巖，厚0.20～0.30 m，平均0.25 m；直接底為砂質(zhì)泥巖，厚1.29～4.53 m，平均2.91 m，老底為砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖及泥巖，厚4.90～6.35 m，平均5.63 m。

2 支架選型設(shè)計

1) 架型選擇。目前，該礦綜采工作面主要采用四柱支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，適用于傾角較大的工作面；前后柱隨合力作用點(diǎn)的變化，容易產(chǎn)生受力不均，造成后柱不受力，進(jìn)而降低支架的支撐效率；并且四柱支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架布置千斤頂、閥組、管路多而復(fù)雜，不利于實現(xiàn)支架電液及自動化控制。隨著高產(chǎn)高效、智能化礦井的建設(shè)，為更好地適應(yīng)綜放工作面自動化、智能化的發(fā)展，適應(yīng)綜放工作面高效集約化生產(chǎn)，針對此類現(xiàn)象，結(jié)合礦井地質(zhì)條件，該礦設(shè)計了一種ZFY10000/21/40D型兩柱式放頂煤液壓支架。該支架與圍巖的適應(yīng)性好，工作阻力循環(huán)變化呈現(xiàn)增阻狀態(tài)，支護(hù)效率高，結(jié)構(gòu)簡單，千斤頂、閥組、管路布置簡化，有利于實現(xiàn)支架的電液及自動化控制，提高綜放工作面效率。平衡千斤頂位置設(shè)置合理，提高了支架梁的端力，有利于防止頂板片幫或冒頂，強(qiáng)化了頂板的維護(hù)能力。

2) 支架支護(hù)強(qiáng)度及工作阻力確定。根據(jù)載荷估算法、基于“關(guān)鍵層”理論的支護(hù)強(qiáng)度計算法、數(shù)值模擬法和工程類比法，綜合分析合理支護(hù)強(qiáng)度計算結(jié)果，建議3號煤層工作面液壓支架的合理支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)不小于1.1 MPa，支架工作阻力10 000 kN。該礦以前使用過的ZF8000/20/38型液壓支架，整體效果良好，但工作阻力富裕量不足，工作面回采過程中將遇到斷層帶、小構(gòu)造等地質(zhì)條件異常的狀況，頂板破碎，巖層裂隙發(fā)育，礦壓顯現(xiàn)也可能出現(xiàn)異常，此時需加強(qiáng)頂板管理、加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)，保障支護(hù)質(zhì)量，防止工作面出現(xiàn)頂板下沉量大，甚至壓死支架等問題。

根據(jù)配套尺寸、支架頂梁長度、空頂距算出支架工作阻力：

式中：P為綜采工作面額定支護(hù)強(qiáng)度，MPa；L為控頂距(含頂梁長度和梁端空頂距)，m；BC為支架寬度，m；η為支撐效率，取0.92。

根據(jù)前述分析結(jié)果，支護(hù)強(qiáng)度取1.1 MPa，控頂距取5.3 m，支架寬度取1.5 m，代入公式得：

F≥9 505.4 kN;

根據(jù)支護(hù)強(qiáng)度、控頂距、支架中心距、支護(hù)效率和立柱缸徑，建議支架工作阻力為10 000 kN。

綜合考慮五陽煤礦煤層賦予條件、支護(hù)強(qiáng)度、工作阻力，以及兩柱放頂煤液壓支架的發(fā)展趨勢和可靠性，最終選定高工作阻力的ZFY10000/21/40D型兩柱放頂煤液壓支架，見圖1。

圖1 兩柱放頂煤液壓支架結(jié)構(gòu)示意(mm)

3 支架的主要技術(shù)參數(shù)

1) 支架型號：ZFY10000/21/40D；支護(hù)高度：2 100～4 000 mm；支架寬度：1 680～1 880 mm；支架中心距：1 750 mm；初撐力：7 145 kN；工作阻力：10 000 kN；平均支護(hù)強(qiáng)度：1.1 MPa；對底板平均比壓：2.72 MPa；推移步距：800 mm；操縱方式：電液控制。

2) 主要千斤頂規(guī)格：立柱：一級D380/270 mm，二級D355/240 mm；平衡千斤頂：D230 mm；推移千斤頂：D180 mm，前梁千斤頂：D230 mm；尾梁千斤頂：D180 mm。

3) 配套設(shè)備為：采煤機(jī)：MG400/930-WD；前、后刮板輸送機(jī)：SGZ1000/2×1200；轉(zhuǎn)載機(jī)：SZZ1200/400；破碎機(jī)：PLM3500。

4 支架總體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

ZFY10000/21/40D型兩柱放頂煤液壓支架，具有以下特點(diǎn)：

1) 支架設(shè)計采用D380 mm缸徑雙伸縮立柱，工作阻力大，對頂板的支撐力大。

2) 支架采用頂梁加回轉(zhuǎn)前梁結(jié)構(gòu)，前梁采用D230 mm千斤頂，增大前部承載力，有效支撐前端頂板壓力。

3) 支架前梁兩側(cè)安裝側(cè)護(hù)板，通過推動活動側(cè)護(hù)板，縮小相鄰支架前梁之間間隙，有效防止漏煤傷人事故。

4) 支架頂梁柱窩處前后比為2.02，保證合理的支架合力作用點(diǎn)位置。

5) 支架設(shè)計用1個D230 mm的平衡千斤頂，布置在立柱中間位置，平衡千斤頂工作阻力達(dá)到1 578 kN和814 kN，平衡千斤頂調(diào)節(jié)能力大，能較好地適應(yīng)頂板合力作用點(diǎn)位置的變化。

6) 支架采取雙前連桿、單后連桿結(jié)構(gòu)，可靠性高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。后連桿為單連桿，使得后部空間相對較大，并且底座鉸接點(diǎn)位置較高，也增大了后部空間，有利于后部設(shè)備的安裝與維修。

7) 支架推移千斤頂采用D180 mm倒裝式，帶有行程傳感器，推移桿為長推桿結(jié)構(gòu)形式，增加拉架力。

8) 底座為分體式剛性結(jié)構(gòu)，底座上設(shè)有抬底和底調(diào)機(jī)構(gòu)，抬底和底調(diào)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單可靠，拆卸方便。

9) 支架后部過煤高度大。

10) 支架采用雙側(cè)活動側(cè)護(hù)板，側(cè)推千斤頂為內(nèi)進(jìn)液式。

11) 支架采用電液控制系統(tǒng)，大流量供液系統(tǒng)，實現(xiàn)了快速移架，可提高生產(chǎn)效率。

12) 支架采取高強(qiáng)度、高可靠性設(shè)計，各結(jié)構(gòu)件主要采用Q690高強(qiáng)度鋼板，有效地減輕了支架的重量。

5 結(jié) 語

通過五陽煤礦對兩柱式放頂煤架型試驗案例分析，證明該大工作阻力兩柱式放頂煤液壓支架的設(shè)計，能克服四柱式放頂煤液壓支架存在的缺陷，具有支護(hù)性能高、端面控頂效果好、移架速度快、自動化程度高的優(yōu)點(diǎn)，是綜放工作面支架架型的發(fā)展趨勢。

但是，由于各礦習(xí)慣使用四柱結(jié)構(gòu)形式放頂煤液壓支架，兩柱放頂煤液壓支架為新型液壓支架，尚未被煤礦廣泛接受，市場推廣有待時日。