ZF13000型综放液压支架设计研究.pdf

大同煤矿集团公司塔山矿井是国内外生产能力最 大的矿井，设计生产能力 1 500 万 t/a，2007 年使用 了第 1 套特厚煤层综放设备，达到了 700 万 t/a 生产 能力；2009 年完成二期生产部署，即使用第 2 套特 厚煤层综放设备实现 1 500 万 t/a 设计生产能力。但 是，在第 1 套特厚煤层综放设备实际生产中，发现液 压支架支撑能力偏小 （ 10 000 kN ），由此逐渐形成工 作面漏顶，多次造成工作面配套设备损伤，采场安全 状况下降，被迫停产进行顶板处理，既造成了巨大的 经济损失，又使安全、高效生产受到影响。因此，第 2 套特厚煤层综放关键设备液压支架必须进行很好的 设计研究并保证严格的制造质量。 1设计研究内容 1.1地质条件概述 3～5 号煤层，厚度变化范围 11.7 m～15.39 m，为 极复杂煤层，5～14 层夹石，煤层硬度中等以下；直 接顶为细－中砂岩，厚 4.96 m～8.21 m ，硬度 f 10.7； 基本顶为 30 m 以上粉砂岩，硬度 f 11.6。 1.2大采高强力放顶煤液压支架选型与参数的确定 岩层移动规律和支架-围岩关系研究是进行支护 理论研究和液压支架选型设计的基础，同时也是进行 其他研究工作的重要依据。大采高强力液压支架选型 和参数的确定涉及到对煤层赋存条件、顶板力学结 构、矿山压力规律、支架-围岩相互作用关系以及回 采工艺的研究等。设计考虑的主要内容①大采高综 放工作面覆岩及顶煤运移规律及其对工作面的作用； ②15 m～20 m 厚煤层综放工作面支架-围岩相互作用 关系；③支架合理工作阻力确定；④支架其他结构型 式及参数确定。 1.3液压支架优化设计 大采高放顶煤液压支架受力比一般支架更为复 杂，15 m～20 m 厚煤层综放开采工作面支架与顶板围 岩的相互作用力远大于中厚煤层支架和普通放顶煤支 架与顶板围岩的相互作用力。由于支架的结构采用高 强度钢板焊接，且为复杂的厚板箱形结构，由焊缝产 生的残余应力和应力集中更为复杂。目前，虽然对常 规液压支架的受力和强度计算已有较成熟的方法，但 对上述新问题缺乏研究；有限元计算方法虽然已很成 熟，在液压支架结构计算上的应用也已进行多年，但 由于液压支架厚板箱形结构和受力的复杂性，有限元 计算的实用性一直较差。在本次设计中应用了先进的 Pro/E 和 ANSYS 软件系统，进行了液压支架的优化设 计，攻克了上述技术难题，在设计手段和设计理念上 保证了支架设计的优化和高可靠性。 1.4大采高放顶煤液压支架伸缩梁和防片帮机构设 计研制 由于大采高放顶煤的支架直接面对煤顶且煤层厚 度大，支架的前端冒落和工作面煤壁片帮现象将会比 较严重，影响工作面安全、高效回采。为此，需要详 细分析其破坏机理并结合支架特点，在适当考虑增加 工作阻力、优化结构的基础上，设计合理的伸缩梁和 防片帮机构进行有效控制。 1.5特厚煤层大采高放顶煤支架高效放煤机构研制 结合大采高放顶煤的特点，在 15 m～20 m 厚煤 层中，顶煤的产量占总产量的 70左右，顶煤的高 效放出和回收率提高是实现项目目标的关键。在研究 顶煤冒放性、冒放规律和传统放煤机构的基础上进行 优化，不但增大了放煤口、提高了放煤的效率，而且 设计了扰动式放煤机构，能有效破坏顶煤在冒放过程 中形成的小结构，增加顶煤放出量。 1.6大采高放顶煤支架的稳定性 大采高放顶煤支架的稳定性和适应性是决定大采 高综采放顶煤成败的关键。支架要撑得住，走得快， 顶煤放得下。主要进行的设计研究内容是，大采高放 ZF13000/25/38 型综放液压支架设计研究 张静 摘要介绍了 ZF13000/25/38 型综放液压支架的设计内容和应用效果。 关键词煤矿开采；矿井支护；ZF13000/25/38 型综放液压支架；支架设计 中图分类号 TD355.41文献标识码 A文章编号 1000－4866 （ 2009 ） 02－0020－02 同煤科技第 2 期 （总第 120 期 ） 20 TONG MEI KEJI2009 年 6 月 2009 年第 2 期张静ZF13000/25/38 型综放液压支架设计研究 21 顶煤支架本架稳定性模型和稳定性分析、大采高综放 工作面支护系统稳定性、大采高放顶煤支架适应性条 件和提高适应性的设计研究。 1.7大采高放顶煤液压支架关键专有元部件设计 1.7.1抗冲击立柱 在抗冲击大缸径立柱有限元分析基础上进行了抗 冲击立柱机构设计、大缸径立柱密封沟槽结构设计。 1.7.2选 用 高 强 度 焊 接 结 构 钢 （ 抗 拉 强 度 ≥ 700 MPa～1 000 MPa ） 放顶煤液压支架工作阻力大，可靠性要求高，支 架重量大，给支架的运输、吊装、搬运和安装等环节 带来了很大困难。如何在保证强度的前提下减轻支架 重量，是支架设计中迫切需要解决的问题。要达到上 述目标，切实可行的办法就是采用高强度板材。国际 先进液压支架结构用钢已以抗拉强度≥700 MPa～ 1 000 MPa 的高强度钢为主，而我国液压支架结构用 钢一直以 16Mn 为主 抗拉强度450 MPa。近来年， 我国基本上解决了抗拉强度600 MPa～680 MPa 以下 的高强度板材的生产、加工与焊接问题，并在支架设 计中得到广泛应用，但是对于材料抗拉强度在 700 MPa 以上的高强度板材则少有应用。 本次设计中对材料抗拉强度级别在 700 MPa 以 上的高强度板材进行了设计分析，并要求武钢和宝钢 等对强度级别较高、焊接性能优良的高强度板材 抗拉强度≥700 MPa～1 000 MPa 按技术要求焊接。 1.8大采高放顶煤液压支架关键制造工艺及产业化 质量保证 对如下关键工艺提出了设计要求①高强度 （ 抗拉强度≥700 MPa～800 MPa ） 结构钢焊接工艺参 数与质量控制；②焊前、焊后的处理工艺及消除应力 的措施；③主要销孔的加工及同轴度保证；④大缸径 立柱的加工及表面处理工艺；⑤深孔加工及位移传感 器的安装工艺；⑥高强度铸钢件材料及制造工艺。 2设计效果与应用情况 按照上述技术研究内容设计完成了 ZF13000/25/ 38 型放顶煤液压支架。 主要技术参数 型式支撑掩护式低位放顶煤支架； 高度 （ 最低/最高 ）2 500 mm/3 800 mm； 宽度 （ 最小/最大 ）1 660 mm/1 860 mm； 中心距1 750 mm； 初撑力 （ P 31.4 MPa ）10 096 kN； 工作阻力 （ P 40.43 MPa ）13 000 kN； 底板平均比压2.64 MPa； 支护强度1.23 MPa； 泵站压力31.4 MPa； 操纵方式本架操纵； 立柱型式单伸缩普通双作用 4 根； 立柱缸径320 mm； 立柱杆径290 mm。 已经开采的 8103 工作面最高日产 51 668 t，月 产 130 万 t，年产量达到了 1 023.77 万 t。 ZF13000/25/38 型放顶煤液压支架共经历了 139 次来压，平均来压步距 15.42 m；经过 2 737 次循环 支撑考核，平均初撑力为 6 831.4 kN，是额定值的 88.4；平均工作阻力为 11 217.2 kN，是额定值的 86.3；支架的大立柱、主要结构件、密封件和液压 系统完好。 3存在的问题及建议 在开采中有很强烈的周期来压，虽然综放液压支 架工作阻力已经提高至 13 000 kN，支护强度达到了 1.23 MPa，还是造成压架现象，因此更需要进一步研 究特厚煤层放顶煤开采中上覆岩层垮落对液压支架的 同期影响，减少压架后对生产的影响。 作者简介 张静，女，1977 年 11 月出生，太原理工大学 （ 机械制造及自动 化专业 ） 毕业，现在大同煤矿集团物资采购分公司工作，助理工程 师。 收稿日期2009－01－12 修回日期2009－01－26 下转第 26 页 ） 同煤科技 26 TONG MEI KEJI2009 年第 2 期 Measurement of Volatile Matter and the Influencing Factors Liu Yatao AbstractBased on measuring volatile matter actually，the paper analyses factors influence on the accurate determination and gives out matters paying attention to. Key wordscoal；volatile matter；accuracy measuring volatile matter；influencing factors （ 上接第 21 页 ） Research for ZF13000/25/38 Hydraulic Support Zhang Jing AbstractThis article introduces the design and application of ZF13000/25/38 hydraulic support. Key wordscoal mining；mine support；ZF13000/25/38 hydraulic support for caving；support design （ 上接第 23 页 ） Development for DTC80/20/250S Large Angle Belt Conveyor Yang Xinchun AbstractBy analyzing the structure and features of the big angle belt conveyor，this article discusses about the designs for major components of the conveyor，as well as the selections of main parameters. Key wordstransport machinery；belt transport；big angle belt conveyor 上接第 14 页 ） Brief Talks about the Next Generation of Optical Network ASON Zhu Jianyong AbstractThis article introduces ASON of its concept， composition， control plane technology， survival techniques and node requirements etc. Key wordscommunications network； ASON； networks construction； control plane technology； survival techniques；node requirements