液壓支架支護(hù)與抽架一體化回撤裝備創(chuàng)新設(shè)計及應(yīng)用研究

摘" 要：以往煤礦綜采工作面液壓支架回撤過程中存在頂板支護(hù)效果差、支架抽架困難等問題，導(dǎo)致液壓支架回撤作業(yè)安全事故頻發(fā)、回撤效率低下。針對以上情況，創(chuàng)新設(shè)計一種新型液壓支架支護(hù)與抽架一體化回撤裝備，該裝備包括回撤支架、輔助支撐裝置、抽架裝置等部分，每個部分針對回撤過程中存在的問題優(yōu)化設(shè)計，提高回撤作業(yè)整體效率和安全性。該一體化回撤裝備在兗礦能源鮑店煤礦8304工作面液壓支架回撤中進(jìn)行應(yīng)用，12 d時間內(nèi)順利完成120架液壓支架回撤，對比以往回撤效率提高85%，工作效率高，用人少、安全系數(shù)高，而且有效降低職工的勞動強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)綜采工作面液壓支架回撤全機(jī)械化作業(yè)。

關(guān)鍵詞：液壓支架；支護(hù)抽架一體化；回撤裝備；創(chuàng)新設(shè)計；實(shí)際應(yīng)用

中圖分類號：TD421" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）17-0006-04

Abstract： In the past， there were some problems in the process of hydraulic support retraction in fully mechanized coal face， such as poor roof support effect， difficult support extraction and so on， resulting in frequent safety accidents and low retraction efficiency. In view of the above situation， a new type of integrated retraction equipment of hydraulic support support and retraction is innovatively designed， which includes retraction support， auxiliary support device， retraction device and so on. Each part is optimized according to the problems existing in the retraction process， which improves the overall efficiency and safety of the retraction operation. The integrated retraction equipment was applied in the retraction of hydraulic support in 8304 working face of Baodian Coal Mine of Yanzhou Coal Mine. The retraction of hydraulic support was successfully completed within 12 days. Compared with the previous retraction efficiency， the retraction efficiency was increased by 85%， the work efficiency was high， and the labor intensity of workers was effectively reduced， and the fully mechanized operation of hydraulic support retraction in fully mechanized mining face was realized.

Keywords： hydraulic support; integration of support and retraction; retraction equipment; innovative design; practical application

綜采工作面開采設(shè)備回撤是煤炭開采過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其直接關(guān)系到整個礦井的生產(chǎn)效率以及工人的安全。液壓支架是煤礦綜采工作面開采中的關(guān)鍵設(shè)備，主要是對工作面起到支撐和穩(wěn)定作用，液壓支架質(zhì)量占據(jù)工作面設(shè)備總質(zhì)量的82%左右，液壓支架回撤是工作面回撤的關(guān)鍵。液壓支架傳統(tǒng)單通道單翼回撤工藝存在回撤作業(yè)區(qū)頂板維護(hù)困難、待拆除支架抽架難、絞車鋼絲繩易崩斷等現(xiàn)象，導(dǎo)致工作人員勞動強(qiáng)度大、自動化程度低、安全事故頻發(fā)等問題，影響工作面回撤效率。針對以上情況，創(chuàng)新設(shè)計一種新型支護(hù)與抽架一體化回撤裝備，可實(shí)現(xiàn)一次性快速移架到位、加強(qiáng)頂板支護(hù)、快速準(zhǔn)確抽架到位，可自動前移，實(shí)踐應(yīng)用效果理想。

1" 傳統(tǒng)液壓支架回撤工藝及存在的問題分析

1.1" 傳統(tǒng)液壓支架回撤工藝

以往傳統(tǒng)液壓支架采用單通道單翼回撤工藝，如圖1所示，該工藝主要分為撤除作業(yè)區(qū)頂板支護(hù)工藝和等待撤除支架的抽架、轉(zhuǎn)向、拉移工藝。撤除作業(yè)區(qū)頂板支護(hù)通常依賴于原始方法，使用木垛、單體液壓支柱+工字鋼梁或者直接利用工作面液壓支架進(jìn)行頂板支護(hù)。待撤除支架的抽架方式主要使用“礦用絞車+牽引鋼絲繩+回轉(zhuǎn)輪或液壓之間抽架機(jī)”進(jìn)行，待撤除支架的轉(zhuǎn)向和拉移方式主要采用“礦用絞車+牽引鋼絲繩”實(shí)施。

1.2" 傳統(tǒng)液壓支架回撤工藝存在的問題分析

第一，傳統(tǒng)液壓支架回撤工藝中的支護(hù)方式存在不足，撤除作業(yè)區(qū)頂板不穩(wěn)。木垛、單體液壓支柱+工字鋼梁等支護(hù)方式雖然在過去的工作環(huán)境中能夠提供必要的頂板支持，但工作面回撤導(dǎo)致作業(yè)環(huán)境復(fù)雜化，對安全要求更高，這些傳統(tǒng)支護(hù)方式開始顯現(xiàn)出多方面的不足。例如木垛的使用不僅勞動強(qiáng)度大，而且在頂板承受較大壓力時容易變形或破碎，不能保證長期的穩(wěn)定性和安全性。

第二，回撤支架直接使用工作面液壓支架存在明顯不足。工作面液壓支架移架步距一般在0.8 m左右，支架中心距一般在1.75 m左右，每撤走1臺液壓支架回撤支架需移架2次以上，多次移架及反復(fù)支撐頂板不僅會延長支護(hù)作業(yè)時間，還不利于待撤除作業(yè)區(qū)頂板的維護(hù)；工作面液壓支架直接用于頂板支撐，可能無法適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件。在承受不均勻壓力或遭遇不穩(wěn)定的頂板時，這些支架可能會失效，導(dǎo)致頂板坍塌和其他安全事故；在多變的工作面環(huán)境中，工作面液壓支架可能無法滿足特定條件下的支撐需求，如撤除通道寬度變化、頂板材料不同等。

第三，采用絞車+牽引鋼絲繩進(jìn)行抽架的傳統(tǒng)方法確實(shí)存在若干安全和可靠性問題。在具體操作中，鋼絲繩在受力時容易發(fā)生斷裂，這種斷裂不僅可能導(dǎo)致作業(yè)中斷，而且斷裂的鋼絲繩可能會突然彈飛，造成嚴(yán)重的安全隱患，甚至可能導(dǎo)致人員傷亡和設(shè)備損壞。

第四，采用液壓支架抽架機(jī)進(jìn)行抽架操作存在一些局限性，特別是在速度和空間利用方面。速度慢：液壓支架抽架機(jī)在操作過程中，液壓系統(tǒng)的反應(yīng)時間和動作執(zhí)行速度可能相對較慢，這會延長整個撤架過程的時間，影響生產(chǎn)效率。占用空間大：液壓支架抽架機(jī)通常體積較大，需要占用更多的作業(yè)空間，這在空間有限的礦井中尤為不利。靈活性不足：液壓支架抽架機(jī)的重量和體積限制了其在狹窄或復(fù)雜工作面的靈活性和機(jī)動性。設(shè)備復(fù)雜性：液壓系統(tǒng)的復(fù)雜性可能導(dǎo)致維護(hù)困難和成本高昂。

2" 液壓支架支護(hù)與抽架一體化回撤裝備的總體設(shè)計

面對傳統(tǒng)液壓支架回撤工藝中存在問題，從頂板支護(hù)、抽架2個方向著手，對液壓支架回撤現(xiàn)場工況的調(diào)研分析基礎(chǔ)上，創(chuàng)新設(shè)計液壓支架支護(hù)與抽架一體化回撤裝備，在實(shí)現(xiàn)頂板支護(hù)和抽架操作的高效整合，顯著優(yōu)化傳統(tǒng)回撤工藝。該裝備如圖2所示，主要包括3架回撤支架、推移衡梁、加長衡梁、輔助支撐裝置、抽架裝置、待撤除支架等部件。

回撤支架：3架結(jié)構(gòu)設(shè)計，提供堅固的頂板支護(hù)，大大提升頂板穩(wěn)定性和作業(yè)安全性；設(shè)計考慮了各種頂板條件，確保在不同工況下均能提供可靠支撐。輔助支撐裝置：與單體液壓支柱相配合，用于加強(qiáng)撤除作業(yè)區(qū)采空側(cè)頂板的輔助支撐，特別是在頂板條件不佳的區(qū)域，提供額外的安全保障。抽架裝置：緊密與回撤支架相連，設(shè)計用于高效地執(zhí)行抽架操作，并能夠隨回撤支架的移動自動前移，從而減少了對額外空間的需求，并提高了抽架速度。護(hù)頂鋼釬輸送裝置：這一裝置能夠在必要時提供頂板的臨時支護(hù)，保護(hù)作業(yè)人員免受可能的頂板垮塌影響。推移橫梁：用于支撐結(jié)構(gòu)的前移，保障了撤除過程中的連續(xù)性和效率。加長橫梁：提供了設(shè)備在不同寬度的撤除巷道中使用的靈活性，從而適應(yīng)各種礦井結(jié)構(gòu)。

這些部件的集成化設(shè)計，不僅提升了回撤作業(yè)的效率，還通過減少設(shè)備占用的空間和操作的復(fù)雜度，降低了工人的勞動強(qiáng)度。整個裝備布置經(jīng)過精心規(guī)劃，每個部件在整個系統(tǒng)中都發(fā)揮著不可或缺的作用，共同構(gòu)成了一個高效、安全且可靠的回撤系統(tǒng)。

3" 液壓支架支護(hù)與抽架一體化回撤裝備各部件設(shè)計分析

3.1" 回撤支架的創(chuàng)新設(shè)計

3.1.1" 針對回撤支架存在的問題設(shè)計思路分析

以往采用工作面液壓支架做為回撤支架使用，移架步距較小，一般在0.8 m左右，以往每撤走1臺支架回撤支架需2次以上移架，無法一次性移架到位。針對該問題，考慮設(shè)計一種專用的移架步距大的回撤支架，可實(shí)現(xiàn)一次性移架到位置。能及時地對撤除作用區(qū)頂板進(jìn)行支護(hù)，為支架的調(diào)向提供回轉(zhuǎn)空間。

3.1.2" 回撤支架的創(chuàng)新設(shè)計

根據(jù)兗礦能源集團(tuán)回撤巷道頂板條件的特點(diǎn)和液壓支架的特點(diǎn)，設(shè)計了大移架步距的ZZ6800/20.5/40型回撤支架。該支架的突出特點(diǎn)如下。大移架步距：該回撤支架能夠以大步距一次性移動到位，極大地縮短了支架移動時間，提高了回撤作業(yè)的效率，這種設(shè)計減少了多次微調(diào)的需求，降低了作業(yè)的復(fù)雜性。對稱底座與抽架連接裝置：底座的對稱設(shè)計和集成的抽架連接裝置確保了支架在移動時的穩(wěn)定性和對待撤除支架的快速連接能力；設(shè)計使得支架系統(tǒng)更加靈活，能迅速適應(yīng)各種工作面的需求。護(hù)頂鋼釬輸送機(jī)構(gòu)：頂梁上設(shè)有的護(hù)頂鋼釬輸送機(jī)構(gòu)可以有效提供頂板的臨時支護(hù)，這對于保護(hù)作業(yè)人員和設(shè)備，防止破碎的巖石落下至關(guān)重要。固定大側(cè)護(hù)板：頂梁兩側(cè)的固定大側(cè)護(hù)板設(shè)計可以有效地對采空側(cè)進(jìn)行擋矸操作，減少了落石對作業(yè)人員的潛在威脅，提高了作業(yè)面的整體安全性。

3.2" 抽架裝置的創(chuàng)新設(shè)計

3.2.1" 針對抽架裝置存在的問題設(shè)計思路分析

以往采用單通道單翼回撤工藝時，抽架方式主要使用“礦用絞車+牽引鋼絲繩+回轉(zhuǎn)輪或液壓之間抽架機(jī)”進(jìn)行。該抽架作業(yè)存在抽架時間較長，抽架力量不夠，無法順利完成對質(zhì)量近80 t的大采高重型支架的抽架。從抽架過程中的快速抽架及需要足夠大的抽架力2方面考慮，設(shè)計一種快速強(qiáng)力抽架裝置，有效提高支架回撤工藝中抽架工序的效率和安全性。

3.2.2" 回撤支架的創(chuàng)新設(shè)計

針對以往支架抽架難的問題，創(chuàng)新設(shè)計了一種快速強(qiáng)力抽架裝置，如圖3所示，主要由圓環(huán)鏈、轉(zhuǎn)向軸、滑輪、接鏈盒、抽架梁、連接耳軸和抽架千斤頂組成。

主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下。抽架梁的設(shè)計：采用箱型結(jié)構(gòu)梁設(shè)計，這種設(shè)計不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且強(qiáng)度高，能夠承受重型支架帶來的大負(fù)荷。抽架千斤頂?shù)倪m應(yīng)性：抽架裝置通過更換不同抽架千斤頂，能適用于不同的工作面和支架類型；不同抽架千斤頂?shù)闹饕夹g(shù)參數(shù)能夠滿足多樣化的作業(yè)需求。連接方式的靈活性：耳軸用于將抽架機(jī)構(gòu)與回撤支架連接，使抽架梁能夠上下自由擺動，以適應(yīng)回撤巷道底板的不同起伏，提供了額外的適應(yīng)性和靈活性。自動前移功能：抽架梁能夠隨回撤支架的前移自動前移，這一特性極大地簡化了操作流程，提高了作業(yè)效率。一次性快速抽架：裝置的設(shè)計允許一次性快速、準(zhǔn)確地完成抽架到位，顯著減少了整個撤架過程所需的時間。連接安全性：待撤除的支架與抽架千斤頂之間采用圓環(huán)鏈連接，連接方式既方便又安全，減少了因連接失敗可能導(dǎo)致的安全事故。

3.3" 輔助支撐裝置的創(chuàng)新設(shè)計

3.3.1" 支撐問題及設(shè)計思路

從兗礦能源集團(tuán)井下工作面液壓支架回撤巷道的實(shí)踐可知，占比達(dá)到95%的回撤巷道頂板較破碎，采空側(cè)回撤支架降架過程中頂板會緊隨之間降架而下沉。主要原因有：頂板本身的不穩(wěn)定性；支架撤除引發(fā)的應(yīng)力釋放；撤出作業(yè)中的震動引發(fā)。頂板下沉?xí)绊懟爻分Ъ艿恼Ｒ萍?，增加作業(yè)的危險性。以往針對頂板下沉問題，一般在采空區(qū)側(cè)采用單體液壓支柱進(jìn)行輔助支護(hù)，支護(hù)效果一般，同時單體液壓支柱的安裝和回撤勞動強(qiáng)度大，操作過程中存在安全隱患。傳統(tǒng)的單體液壓支柱需要人工進(jìn)行移動和安裝，這不僅勞動強(qiáng)度大，而且在操作過程中存在安全隱患。

解決思路如下：①提前規(guī)劃和評估。降架作業(yè)前進(jìn)行詳細(xì)的頂板穩(wěn)定性評估，根據(jù)評估結(jié)果規(guī)劃支撐措施。②加強(qiáng)臨時支撐。在撤除作業(yè)進(jìn)行之前和過程中，通過臨時支撐設(shè)施如工字鋼、木梁或?qū)ｉT設(shè)計的頂板支撐裝置加固頂板。③使用輔助支撐裝置。開發(fā)的輔助支撐裝置，如自動前移的單體液壓支柱，能夠隨著回撤支架的移動同步提供穩(wěn)定的支撐，避免頂板下沉。④緩慢有序的撤架過程?？刂瞥芳芩俣群晚樞?，確保在任何時候頂板都有足夠的支撐。⑤監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)。安裝先進(jìn)的監(jiān)測設(shè)備，實(shí)時監(jiān)控頂板的移動和裂縫的發(fā)展，一旦檢測到下沉跡象，立即采取措施。

3.3.2" 輔助支撐裝置的創(chuàng)新設(shè)計

經(jīng)多次現(xiàn)場實(shí)驗，設(shè)計了一種實(shí)現(xiàn)單體液壓支柱自動前移的創(chuàng)新輔助支撐裝置，創(chuàng)新輔助支撐裝置實(shí)現(xiàn)了單體液壓支柱的自移，對采空區(qū)一側(cè)進(jìn)行輔助支護(hù)，解決頂板不斷下沉問題。

創(chuàng)新輔助支撐裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要有連接頭、圓環(huán)鏈、拉移千斤頂、單體液壓支柱安裝筒、支撐座等部件。連接頭和圓環(huán)鏈：構(gòu)成裝置的連接系統(tǒng)，確保單體液壓支柱與裝置之間的緊密連接，同時允許一定程度的靈活性以適應(yīng)不同的作業(yè)環(huán)境。拉移千斤頂：提供必要的動力，使得單體液壓支柱能夠根據(jù)撤架進(jìn)度自動前移。單體液壓支柱安裝筒：用于固定單體液壓支柱，確保在頂板下沉?xí)r支柱的穩(wěn)定性。支撐座：為單體液壓支柱提供穩(wěn)定的支撐平臺，確保在移動過程中支柱的垂直性。

當(dāng)撤架作業(yè)進(jìn)行過程中需要對采空側(cè)頂板加強(qiáng)支護(hù)時，創(chuàng)新輔助支撐裝置為單體液壓支柱提供固定安裝座，并可以實(shí)現(xiàn)單體液壓支柱的自動回撤，工作勞動強(qiáng)度小，安全隱患較少。

4" 實(shí)踐應(yīng)用及效果分析

液壓支架支護(hù)與抽架一體化創(chuàng)新回撤裝備設(shè)計及制造完成后，在鮑店煤礦8304工作面液壓支架回撤中進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用。8304工作面推進(jìn)長度1 405 m，寬度205 m，使用的液壓支架型號為ZY6800/19.5/40，重量為22.8 t。為提高8304工作面液壓支架回撤效率，應(yīng)用了液壓支架支護(hù)與抽架一體化創(chuàng)新回撤裝備。該創(chuàng)新回撤裝備應(yīng)用后，回撤過程中撤架作業(yè)時因設(shè)計有創(chuàng)新輔助支撐裝置能及時地對采空側(cè)頂板采用單體液壓支柱進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，采用大移架步距設(shè)計回撤支架能夠在一次操作中快速移架到位，大幅度提高了撤除作用區(qū)頂板支護(hù)效果，快速強(qiáng)力抽架裝置的應(yīng)用能實(shí)現(xiàn)待撤除支架時準(zhǔn)確抽架到位，設(shè)備可自動前移。應(yīng)用該創(chuàng)新回撤裝備，在12 d時間內(nèi)順利完成了8304工作面120架液壓之間的回撤工作，無一起安全事故發(fā)生。對比以往采用傳統(tǒng)的單通道單翼撤除工藝，撤除效率提高了85%，工作效率高，用人少，安全系數(shù)高，而且有效降低了職工的勞動強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了綜采工作面液壓支架回撤全機(jī)械化作業(yè)。

5" 總結(jié)

創(chuàng)新設(shè)計了一種新型液壓支架支護(hù)與抽架一體化回撤裝備，該創(chuàng)新回撤裝置關(guān)鍵成果如下。①頂板支護(hù)效果顯著提升。通過改進(jìn)支撐技術(shù)，新開發(fā)的裝備提供了更為穩(wěn)定和可靠的頂板支撐，有效減少了頂板崩塌風(fēng)險，提高了作業(yè)的安全性。②抽架操作的效率和準(zhǔn)確性增強(qiáng)。創(chuàng)新的抽架裝置使得對待撤除支架的抽取變得更加迅速和精確，大大降低了整個撤除過程的復(fù)雜性和時間消耗。③工人勞動強(qiáng)度的顯著降低。自動化和半自動化的設(shè)計特點(diǎn)減少了工人的物理勞動，從而降低了作業(yè)過程中的勞動強(qiáng)度。④撤除作業(yè)的整體安全性和效率提升。裝備的應(yīng)用不僅提高了作業(yè)的安全性，也顯著提高了工作效率，確保了煤礦生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

該回撤裝備在鮑店煤礦8304工作面液壓支架回撤中進(jìn)行應(yīng)用，12 d時間內(nèi)順利完成120架液壓支架回撤，回撤效率高，自動化程度高，用人少，安全系數(shù)高，具有較好的經(jīng)濟(jì)安全社會效益。新型液壓支架支護(hù)與抽架一體化回撤裝備對于提升整個煤礦井下輔助運(yùn)輸系統(tǒng)的安全標(biāo)準(zhǔn)具有重要意義，為避免礦井事故提供了更有效的技術(shù)手段。

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