大采高超前液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用

蘆麗婧

（晉能控股集團(tuán)大同泰寶密封有限公司，山西 大同 037305）

1 基本概況

煤峪口礦4302 工作面位于下二迭統(tǒng)山西組三段下煤層中，與4306 為平行的兩個工作面，相距約400 m?？傮w是沿平面分布的灰色中砂巖，其厚度區(qū)間在19～54 m，平均厚度為36.5 m。直接頂厚度在1.6～5 m 之間。4302 工作面皮帶槽斷面尺寸寬4.4 m、高3.2 m，其軌道槽斷面尺寸寬4.2 m、高3.5 m。其煤層厚度不一，區(qū)間在3.6～5 m，平均厚度為4.3 m。煤層普氏硬度f=1～3，沿巷道傾角在1°～ 9°之間，平均傾角為4°。隨著工作面的推進(jìn)，在發(fā)生初壓和周期壓后，基本頂發(fā)生斷裂，懸吊梁長度不斷增加，其重力也隨之增加，導(dǎo)致巷道嚴(yán)重變形，發(fā)生側(cè)傾現(xiàn)象，巷道內(nèi)煤柱和煤壁有不同程度破壞。超前液壓支架需要不斷地對巷道頂板進(jìn)行支護(hù)，頂板變形斷裂將嚴(yán)重影響支護(hù)效果[1]。因此，有必要為巷道設(shè)計更好的支護(hù)方式，提高支護(hù)作用，保證安全高效生產(chǎn)。

2 超前液壓支架總體方案設(shè)計

由于煤峪口礦4302 工作面中超前支架的位置不一，所以支架與支架間結(jié)構(gòu)也不一樣，結(jié)構(gòu)差異造成液壓系統(tǒng)也隨之變化。為了易于煤礦巷道的支護(hù)工作，選擇型號為FHD320（40）/31.5 的換向閥作為超前支架液壓控制系統(tǒng)的電控部分。超前液壓支架可幫助立柱千斤頂實現(xiàn)推移和升降功能。除推移和立柱千斤頂為電控外，其余千斤頂均為手動實現(xiàn)（如：調(diào)梁千斤頂，后調(diào)架千斤頂，內(nèi)、外側(cè)護(hù)千斤，底調(diào)架千斤頂?shù)龋?，選用換向閥型號為FHS80/31.5Z[2]。

超前液壓支架的結(jié)構(gòu)是“一主兩副”，一主指的是主架，兩副指的是兩個副架底座。支架的頂梁為鉸接結(jié)構(gòu)，由于頂?shù)装搴穸炔痪鶆?，鉸接結(jié)構(gòu)能夠幫助支架達(dá)到更好的支護(hù)效果。頂梁的運(yùn)動軌跡為“雙紐線”，可使支架所占空間更小。超前液壓支架共有八根立柱千斤頂作為支撐，主架有四根，每個副架有兩根；支架上設(shè)置有四根連桿保證穩(wěn)定性，可以抵消水平力對超前液壓支架帶來的影響。支架副架的后頂梁上安裝有伸縮梁或挑梁千斤頂，實現(xiàn)了支架控頂面積的增加。頂梁內(nèi)側(cè)和外側(cè)分別安裝了護(hù)頂板，邊側(cè)護(hù)板收起時向下垂直，打開后挑平。軌道順槽內(nèi)的超前液壓支架當(dāng)中的空間可供設(shè)備附件通過及人行走，設(shè)備運(yùn)輸時要將底調(diào)千斤頂拆除。軌道順槽超前液壓支架遠(yuǎn)離機(jī)尾端，用錨固支架代替鏈條和推移拖架。錨固支架的中間設(shè)置四連桿機(jī)構(gòu)，其底座與頂梁為整體結(jié)構(gòu)，推移千斤頂?shù)牟骄酁?.7 m。

3 大采高超前液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 超前液壓支架頂梁設(shè)計

工作面支架設(shè)計與超前液壓支架不同，支架支護(hù)方式為并排支護(hù)，超前液壓支架支護(hù)方式不是并排方式，而是在橫向使用單架的方式對頂板進(jìn)行支護(hù)。為了防止支架出現(xiàn)不協(xié)調(diào)，不平衡的狀況，要加強(qiáng)其關(guān)聯(lián)性。因此，在頂梁的設(shè)計中，應(yīng)盡量降低頂梁承受的重量[3]，同時要保證頂梁強(qiáng)度。礦井罐籠的最大承重為20 t，允許進(jìn)入的設(shè)備附件最大尺寸為高2.5 m、長2.7 m、寬1.5 m，允許運(yùn)輸?shù)牧慵畲箝L度約為4 m，而超前液壓支架的單架長度約為11 m。為保證超前液壓支架能進(jìn)入罐籠，分析其結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計為“一主兩副”結(jié)構(gòu)，主梁支護(hù)約4 m，前副梁2.7 m，后副梁3.3 m，總長約10 m。頂梁為分體式，中間連接的是調(diào)架千斤頂，寬度可按照順槽變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，寬度為0.65 m，頂梁調(diào)架千斤頂行程為0.86 m，頂梁兩側(cè)的側(cè)板支撐場板，頂板總支撐寬度為2.77 m。

3.2 超前液壓支架底座設(shè)計

與頂梁設(shè)計類似，為了防止支架出現(xiàn)不協(xié)調(diào)、不平衡狀況，設(shè)計超前液壓支架底座時，將支架底座高度設(shè)計為1.5 m，保證其穩(wěn)定與關(guān)聯(lián)性，采用分體式鉸接結(jié)構(gòu)。底座總長度8.15 m，主座3.66 m，前底座2.39 m，后底座2.1 m。推移千斤頂?shù)淖饔檬沁B接不同的架子，底座短于頂梁長度的部分是為了給推移千斤頂預(yù)留移動空間，分體式底座之間的連接是通過底座調(diào)架千斤頂執(zhí)行。調(diào)架千斤頂行程為0.6 m，底座設(shè)計寬度1.1 m，底座總寬度為3.22 m。底座需要留下很多空間，便于人員及附件設(shè)備的通過及設(shè)備的安置。超前液壓支架底座設(shè)計特征能達(dá)到順槽對支護(hù)的需求。

3.3 超前液壓支架立柱設(shè)計

單伸縮立柱自動化程度低，配有加長桿立柱，根據(jù)立柱伸縮比，其不能滿足超前液壓支架的支護(hù)需求。選用型號為ZCZ15000/24/45 的邁步式超前液壓支架，可以滿足支護(hù)需求，采用的是雙伸縮立柱[4]，最大支架高度Hmax為4.5 m，最小支架高度Hmin為2.4 m。

順槽支護(hù)中的重點受力來自垂直于水平線的方向，水平力小，重點造成機(jī)構(gòu)來自立柱。立柱支撐過程中與豎直方向的角度設(shè)計為3°～7°，幫助立柱承載更大的垂直力。頂梁與底座的每個支架采用8 根立柱，采用鉸接結(jié)構(gòu)，角度向外傾斜，可平衡水平力。每根立柱受力為1875 kN，選用雙伸縮立柱，立柱最大長度3.81 m，全部收縮長度1.72 m，行程2.1 m，其外缸內(nèi)徑0.25 m，外徑0.3 m，中缸1.33 m，外徑0.2 m，內(nèi)徑0.16 m。

3.4 超前液壓支架推移機(jī)構(gòu)設(shè)計

順槽內(nèi)空間開闊，超前液壓支架的推移裝置放置在兩個支架間，僅通過推移千斤頂連接。為了實現(xiàn)更有效的移架，在設(shè)計超前液壓支架時，選取的千斤頂缸徑為Φ230 mm[5]。

4 應(yīng)用分析

為了測試上述設(shè)計方案的可行性，在4302 工作面的兩個順槽內(nèi)安裝了超前液壓支架并進(jìn)行調(diào)試，型號為ZCZ15000/24/45。4306 工作面的支護(hù)采用的是單體液壓支柱，在各個順槽中距離煤壁100 m 處布置固定觀測站，觀察兩個工作面的支護(hù)效果，并進(jìn)行分析和對比。在觀測開始時，順槽移近量不大，觀測頻率也不用過高。隨著煤礦的不斷開采，工作面斷面的移近量也不斷增大，觀測頻率也隨之增加。圖1 ～圖4 為四個斷面的收斂形圖。

圖1 4302 工作面軌道順槽斷面收斂形圖

圖1、圖2 為4302 工作面的兩個順槽斷面收斂圖，前者為軌道順槽，后者為皮帶順槽。可以看出，兩個斷面頂?shù)缀蛢蓭偷囊平坎淮?。圖1 的頂?shù)装搴蛢蓭偷囊平糠謩e為28 mm、17 mm，圖2 的頂?shù)装搴蛢蓭偷囊平糠謩e為33 mm、23 mm。

圖2 4302 工作面皮帶順槽斷面收斂形圖

圖3、圖4 為4306 工作面的兩個順槽斷面收斂圖，前者為軌道順槽，后者為皮帶順槽。可以看出，軌道順槽頂?shù)装搴蛢蓭偷囊平糠謩e為67 mm、56 mm，皮帶順槽頂?shù)装搴蛢蓭偷囊平糠謩e為82 mm、80 mm。兩個工作面的增長率類似，但在距煤壁20～40 m，兩幫移近量增長率小于頂?shù)装宓模?0 m 范圍內(nèi)，頂?shù)装逡平吭鲩L率小于兩幫的。

圖3 4306 工作面軌道順槽斷面收斂形圖

圖4 4306 工作面皮帶順槽斷面收斂形圖

經(jīng)過對兩個工作面的觀測得出，在距煤壁40 m處，順槽斷面移近量會有明顯變化，為確保支護(hù)安全，需要對支護(hù)設(shè)備展開安全檢查。頂?shù)滓平吭鲩L率變化小，頂?shù)滓平康脑鲩L率會直接影響到兩幫，增長率從小到大。若出現(xiàn)兩幫移近量很大狀況，兩幫可能會出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，就需要對兩幫進(jìn)行支護(hù)。4302 工作面采用的超前液壓支架的移近量明顯低于4306 工作面。特別是4306 工作面的皮帶順槽頂?shù)鬃畲笠平繛?8 mm，可能是有轉(zhuǎn)載機(jī)和其他大型設(shè)備，單體液壓支柱無法支撐頂板，單體液壓支柱數(shù)量減少，支撐力差的原因，導(dǎo)致斷面收縮增加。

5 結(jié)論

1）使用“一主兩副”邁步式的超前液壓支架作為巷道的支護(hù)，滿足了順槽煤層賦存條件，保證超前液壓支架與端頭液壓支架合理的配合，對往后的設(shè)計具有指引作用。

2）工作面支架支護(hù)方式為并排支護(hù)，超前液壓支架在橫向使用單架方式對頂板進(jìn)行支護(hù)，因為超前液壓支架之間穩(wěn)定性較差，為了防止支架出現(xiàn)不協(xié)調(diào)，不平衡的狀況，在超前液壓支架設(shè)計中增大底座尺寸，來降低其重心，加強(qiáng)穩(wěn)定性。

3）通過應(yīng)用分析得知，采用超前液壓支架支護(hù)工作面兩幫和頂?shù)滓平慷嫉陀趩误w支柱的移近量，在距煤壁40 m 處，順槽斷面移近量有明顯變化，頂?shù)滓平吭鲩L率變化小，兩幫的移近量增長率由小變大，說明超前液壓支架可以滿足兩順槽的支護(hù)需求。