高充填率薄煤層液壓支架設(shè)計

何 明

1天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部 北京 100013

2中煤科工開采研究院有限公司 北京 100013

充 填開采是指利用煤矸石、粉煤灰等固廢與水泥、生石灰等膠結(jié)材料混合攪拌充填采空區(qū)，從而實現(xiàn)控制開采沉陷的一種開采方式，主要有固體、膏體、超高水等充填方式。充填開采可以提高礦井回收率，保護生態(tài)環(huán)境，是煤礦綠色開采的重要組成部分[1-2]。

薄煤層充填開采由于開采煤層高度較低，為了更好地控制頂板下沉，必須保證高充填率。傳統(tǒng)的膏體 (超高水) 充填液壓支架需在頂梁下方進行掛袋、充填等作業(yè)，受頂梁厚度的影響，至少有 300 mm高度不能充填，無法滿足薄煤層充填開采高充填率的要求；同時，薄煤層充填開采作業(yè)空間小，傳統(tǒng)液壓支架結(jié)構(gòu)很難保證支架后部行人、運輸及安全作業(yè)空間[3-7]。因此設(shè)計研發(fā)了一種適用于膏體 (超高水) 充填的高充填率薄煤層液壓支架。

1 薄煤層液壓支架設(shè)計要求、關(guān)鍵技術(shù)及適用條件

1.1 設(shè)計要求

為了更好地控制頂板下沉，保證薄煤層高充填率，以及充填密封性與安全性，高充填率薄煤層液壓支架的設(shè)計必須滿足如下要求：

(1) 充填工作面頂板支護；

(2) 架間行人和充填作業(yè)空間；

(3) 充填袋運輸、吊掛與維護；

(4) 充填空間密封；

(5) 相鄰充填袋隔離；

(6) 充填管路布置；

(7) 與采煤機、輸送機配套。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

高充填率薄煤層液壓支架需要解決的關(guān)鍵技術(shù)主要有：

(1) 薄煤層高充填率開采的“三機”配套及空間布置模式；

(2) 適應(yīng)較薄煤層高充填率充填開采的支架架型與結(jié)構(gòu)；

(3) 創(chuàng)建適應(yīng)較薄煤層工作面充填開采的架間行人和充填作業(yè)空間；

(4) 研發(fā)沿工作面長度方向的充填袋隔離裝置及支架后部密封結(jié)構(gòu)。

1.3 適用條件

薄煤層高充填率開采液壓支架的使用必須具備以下條件：

(1) 工作面上覆巖層穩(wěn)定性好，充填作業(yè)區(qū)頂板不垮落；

(2) 確定充填作業(yè)區(qū)控頂距，盡可能減少頂板裸露面積與跨度，保證充填作業(yè)區(qū)頂板穩(wěn)定；

(3) 充填完成后，整個充填體能形成穩(wěn)固的上覆巖層承載體系；

(4) 充填袋必須具有足夠強度，避免發(fā)生充填袋破損漏漿。

2 薄煤層充填開采工作面配套設(shè)備總體布置

某薄煤層充填開采工作面主要技術(shù)參數(shù)及配套設(shè)備如表 1 所列。

表1 薄煤層充填開采工作面主要技術(shù)參數(shù)及配套設(shè)備Tab.1 Main technical parameters and matching equipments of work face of filling and mining thin coal seam

充填工作面總體設(shè)備配套布置如圖 1 所示，其主要技術(shù)特點如下。

圖1 充填工作面總體布置Fig.1 Overall layout of filled work face

(1) 整個工作面為 3 段充填，每個充填步距設(shè)置 3個充填袋，由下而上依次充填。注漿口設(shè)置在每個充填袋的上部，相鄰充填袋間設(shè)置隔離裝置。

(2) 充填隔離支架為楔形上下伸縮式結(jié)構(gòu)，后端與已充填墻體有一定重合距離，既便于支架移架時抽出隔離裝置，又能較好隔離開相鄰兩個充填袋，為頂板提供支撐。同時，隔離裝置降至最低點后可進行充填袋的運輸。

(3) 中部充填支架頂梁后部設(shè)置 2 個楔形鉸接尾梁，為充填空間頂板提供一定支護空間。充填袋也可由工作面端頭區(qū)經(jīng)由支架后立柱行人空間運至工作面中部并展開吊掛。

3 薄煤層充填液壓支架的設(shè)計

3.1 支架架型的選擇

傳統(tǒng)液壓支架采用四連桿結(jié)構(gòu) (見圖 2)。四連桿結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是抗扭性和穩(wěn)定性好；缺點是支架結(jié)構(gòu)復(fù)雜、整體長度過長、支護強度低，并且不利于架間行人以及充填管路的布置、材料的運輸。

圖2 傳統(tǒng)四連桿結(jié)構(gòu)液壓支架Fig.2 Traditional hydraulic support with four-bar structure

薄煤層充填支架設(shè)計采用四柱伸縮式結(jié)構(gòu) (見圖3)，相較于傳統(tǒng)四連桿結(jié)構(gòu)，其體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，能保證架間行人以及充填管路的布置與材料的運輸。

圖3 四柱伸縮式充填液壓支架Fig.3 Four-column telescopic filling hydraulic support

3.2 伸縮桿結(jié)構(gòu)設(shè)計

伸縮桿結(jié)構(gòu)設(shè)計是四柱伸縮式充填液壓支架設(shè)計的關(guān)鍵。伸縮桿上部與頂梁中部鉸接，下部插入底座套筒，起導(dǎo)向作用，保證支架順利升降，同時可以承受側(cè)向力，保護立柱不容易損壞。伸縮桿承受的彎矩和轉(zhuǎn)矩較大，必須具有足夠的強度和剛度。因此將伸縮桿設(shè)計成整體箱形變斷面結(jié)構(gòu)，在與頂梁連接部位以及危險斷面和危險焊縫處都設(shè)計有加強板。

伸縮式液壓支架由于應(yīng)用較少，相比傳統(tǒng)四連桿機構(gòu)抗偏載能力較差，因此對支架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件進行了有限元強度校核。由頂梁合成應(yīng)力云圖 (見圖 4)、頂梁垂直方向位移云圖 (見圖 5)、偏載試驗時伸縮桿合成應(yīng)力云圖 (見圖 6) 可知，支架結(jié)構(gòu)安全系數(shù)滿足設(shè)計要求。

圖4 頂梁合成應(yīng)力云圖Fig.4 Resultant stress contours of top beam

圖5 頂梁垂直方向位移云圖Fig.5 Displacement contours of top beam in vertical direction

圖6 伸縮桿合成應(yīng)力云圖Fig.6 Resultant stress contours of telescopic rod

3.3 后部鉸接尾梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

尾梁結(jié)構(gòu)的存在會降低充填率，如果采用常規(guī)寬尾梁結(jié)構(gòu)，整個尾梁處都將無法充填，尤其是薄煤層采高低，對充填率會產(chǎn)生較大影響。為保證高充填率并盡可能增大后部支護空間安全性，充填支架頂梁后部設(shè)置 2 個楔形鉸接尾梁 (見圖 7)，分別置于支架立柱后方，為充填空間頂板提供支護。

圖7 后部鉸接尾梁Fig.7 Rear articulated tail beam

尾梁對充填率的影響如圖 8 所示，圖 8 中空白處為楔形尾梁在充填體中的占比。采用楔形尾梁結(jié)構(gòu)，利用充填材料的流動性，尾梁與尾梁之間的間隙可以實現(xiàn)一定程度的充填，從而有效提高充填率。

圖8 尾梁對充填率的影響示意Fig.8 Sketch of influence of tail beam on filling ratio

鉸接尾梁對后部充填作業(yè)區(qū)起一定程度支護作用。尾梁長度滿足 2～ 3 個充填步距要求，設(shè)計成前寬后窄的楔形結(jié)構(gòu)，便于尾梁從凝固后的充填墻體中抽出。尾梁千斤頂置于頂梁中部，不占用尾梁下部，減少了對充填空間的影響，保證高充填率的要求。通過尾梁千斤頂?shù)目刂疲蓪崿F(xiàn)尾梁上下擺動一定角度，為充填作業(yè)區(qū)頂板提供有效支護。鉸接尾梁前端支撐力最大為 75.6 kN，后部支護強度最大為 0.043 MPa。

3.4 充填密封機構(gòu)設(shè)計

頂梁后部密封機構(gòu)由 3 片輕型可翻轉(zhuǎn)擋板組成，如圖 9 所示，密封間隙較小，可有效擋矸。

圖9 頂梁后部密封機構(gòu)Fig.9 Sealing mechanism at rear of top beam

底座后部密封機構(gòu)設(shè)計成可伸縮擋板，如圖 10所示，安裝在底座后部擋墻內(nèi)，通過底座伸縮擋板千斤頂實現(xiàn)對 2 臺中部支架后部間隙的開合。

圖10 底座后部密封機構(gòu)Fig.10 Sealing mechanism at rear of pedestal

頂梁后部密封機構(gòu)與底座后部密封機構(gòu)，既可實現(xiàn)對充填作業(yè)區(qū)域的有效隔離，又可方便進入支架后部進行充填作業(yè)。

4 結(jié)語

為了更好地控制頂板下沉，保證薄煤層高充填率，滿足充填作業(yè)密封性與安全性的要求，研發(fā)了新型高充填率薄煤層液壓支架。該支架采用四柱伸縮結(jié)構(gòu)和楔形尾梁，設(shè)計了有效可靠的擋矸密封機構(gòu)，既能對后部充填區(qū)域頂板進行有效支護，保證充填作業(yè)區(qū)的密封性，又能滿足薄煤層充填開采對高充填率的要求。