超高水材料充填液压支架的结构特点及应用.pdf

5 O 煤 矿支护 2 0 1 5年第 2期 超 高水材料 充填 液压支架的结构 特点及应用 牛世胜 [ 冀 中能源机械 装备 集团 邢台机械 厂，河北 邢台 o 5 4 o o 0 3 摘 要 介绍 了目前我国煤矿行业开采及充填应用的现状，超高水材料充填技术的 优点及超高水材料液压支架的产 品特点、创新点及应用情况。结合该超高水材料充 填液压支架在冀中能源股份公司邢东矿的应用，阐述 了超高水材料充填液压支架广 泛 的推 广前 景。 关键词 超高水材料 充填液压支架 结构特点 创新点 应用 1 概述 随着国民经济 的发展 和能源需求 的增 加，煤炭作为现阶段主要能源被大量开采， 许多矿井 面临 “ 三下一 上”煤 层 的开采 问 题 。“ 三下 一 上” 煤层 开 采 ，存 在矿 井 下 生 产接替紧张、产量降低 、服务年限缩短 、煤 炭采出率较低等诸多不利因素，也增加井上 搬迁等经济费用 ，影响矿井的生产布局和总 体规 划 ，严 重影 响 了矿井 的可持续 发展 。 为了缓解 日益突出的煤炭资源的枯竭与 经济发展的矛盾 ，有效地进行 “ 三下一上” 压煤开采对充分利用地下资源，延长矿井寿 命 ，促进煤炭工 业的健康发展 具有重要意 义 。采 空区充 填 逐 渐成 为 解 放 “ 三 下 一 上 ” 压 煤 的主要方 法之一 。 按充填材料区分 ，有水砂充填、矸石粉 煤灰充填、膏体充填和高水充填等方法，其 中高水充填法具有充填率 比较高、初期投资 低等优点 ，逐 渐成为很 多煤 矿充填开采 的 首选 。 2 超高水充填液压支架 高水材料包式充填主要原理是 利用高 水材料的流动性 ，在充填支架后侧支撑起若 干个立方体形的充填包，然后将高水材料注 入其 中 ，几 小 时后 ，凝 固成 有一 定强度 的 固 体 ，具备了支撑顶板的作用 ，从而起到了对 采空 区的充填、防止顶板跨落的作用 。充填 时一 般采 用 “ 三 刀一 充”或 “ 两 刀 一 充” 工 艺 。 超高水材料是相对于高水充填材料而言 的，超高水材料的水灰 比可达 1 1 1 ，而普 通高水材料水灰 比为 2 ． 51左右 ，两者用 水量相差很大。目前按照标准 ，将水体积大 于 9 5 的材 料 界 定 为 超 高 水 材 料 ，而 低 于 9 5 的材料界定为普通高水材料。 超高水材 料是一种新 型采空 区充 填材 料，具有早强快硬 、两主料单浆流动性好、 初凝时间可调等特点 ，生成的固结体具有亲 水性 ，在水 环境 中不 收缩不 扩散 ，稳定 性 良 好且体 积应 变小 ，在三 向受 力状态 下有 良好 的不可压缩性 。该 材料在井下潮湿、低温、 封闭的采空环境下 ，是一种理想的 “ 三下” 充填材料 。该材料 目前处于推广应用阶段。 超高水材料包式充填液压支架作为一种 新型的煤矿井下机械化采煤 工作面支护设 备 ，用于维护采煤工作面顶板 ，为采煤机 、 输送机和工作人员提供安全的工作空间 ；能 推动工作面输送机 向煤壁方向移动 ；以输送 2 0 1 5年第 2期 煤矿支护 5 1 机为支点 ，实现支架 的自移 ，实现综合机械 化采煤 ；支架后部利用超高水材料对采空区 挂包充填 ，防止顶板跨落。图 1 所示液压支 架为 2 0 1 3年针对集 中能源股份公 司邢东矿 的具体地质条件和生产要求而设计的超高水 材料包式充填液压支架。 图 1 Z C 5 6 1 0 ／ 3 O ／ 5 0 C超1哥水| 翼充i 暖压支架 2 ． 1 超 高水 材料 充填 支 架的作 用与原 理 超高水材料充填支架充填作业时的主要 作用是 方便挂包 、三面挡 包、成形包体 ， 保护包 体、支撑 顶板等 。为 了实现 这些 目 的，超高水材料充填支架设计为中间支架和 左右隔板支架三种 ，工作面两端头分别是一 个左右隔板支架 ，中间部分每隔 7个中间支 架 可根据现场要求设置设一对左右隔板 支架 。这些支架都是在支撑掩护式支架 的基 础 上 进 行 改 进 的 ，增 设 了 后 尾 梁 、上 下 挡 板 、侧 上下 隔板 、后滑 道 、以及 隔板 支架 的 后铰接底座等。从而 ，实现了在充填包的周 围形成盒子板的效果，起到了支撑充填包 、 成形充填包的作用 ，使凝固后的充填包成立 方体，并保证在充填过程中充填包 不受力 、 不 被撑 破 。 2 ． 2 支 架结构 及特 点 2 ． 2 ． 1 支架 的结构 组成 超高水材料包式充填液压支架主要由金 属 结构 件 和液压 元件两 大部 分组 成 。 主要金属结 构件有 伸缩梁和护帮板 、 前顶梁、上连杆、前连杆、后连杆 、底座 、 推移杆、后顶梁、挡板机构、后加长梁 以及 单侧活动侧护板等。 液压 元 件 主要 有 立 柱 、各 种 千 斤 顶 ， 液压控制元件 操纵 阀、单 向阀、截止 阀、 双 向锁、安全阀等 、液压辅助元件 胶管 、 弯头 、三通等等以及喷雾降尘装置等 。 前顶梁 用 于采煤 支护 ，后 顶梁 用于 充填 支护 ，挡 板 机构 在 充 填 时用 于对 充 填 物 隔离 。 2 ． 2 ． 2 支架 主 要特 点 ①结构件设计强度和刚度高 ，使用可靠 性 高 。 ② 上 连 杆 采 用 Y 型 天 窗 式 结 构 ，前 、 后连杆均为单连杆结构 ，与底座铰接 ，增大 了连杆的抗弯 、扭能力 ，提高支架稳定性 。 ③护帮为伸 缩梁带 两级 护帮板结 构 ，能有效改善 顶板管 理条件 ，实现及 时 支护； ④顶梁由前顶梁和后顶梁组成 ，采用单侧 活动侧护板，实现架间密封，使支架的调架性 能简单；后顶粱设计有滑道并安装有后滑道千 斤顶，后滑道千斤顶的另一端与托梁连接，托 梁在后滑道千斤顶 的作用 下能 在滑道 中滑 动 ， 上挡板连接在托梁上，从而实现上挡板能够前 后移动 ，保证各支架 的上挡板在一条线上 ，上 挡板也可以沿铰接点适度摆动 ，以适应支架不 同的工况。后顶梁后部铰接有后加长梁，可在 移架后有效支护采空 区顶板 。 ⑤ 使 用 两 个 直 径 2 0 0 mm 平 衡 千 斤 顶 ， 调 节能 力强 。 ⑥底座为刚性底座 ，中部底板开档 ，有 利 于 浮 煤 、矸 石 的 排 出 ， 底 座 宽 度 为 1 3 5 0 mm，减小了底板 比压 ；底座前端设置 过 桥 以增强 整体 刚性 ，同时在 底座 上增设 下 挡板 ，下挡板能沿铰接点适度摆动 ，配合上 挡板一起适应支架不同的工况 。 ⑦推移装置采用倒拉分体推杆结构 ，适 应性好 ，保证推移行程 ，使推移千斤顶为抬 底 装置 的安 装提供 空 间 。 ⑧支架配套设计了抬底装置，使移架轻 松 灵活 。 5 2 煤矿支护 2 0 1 5年第 2期 ⑨底 座设有 一个 底调 装置 ，适应 性强 。 ⑩降柱、拉架 自动喷雾，降尘效果好。 2 ． 2 ． 3 支 架创新 点 作为填 充 液 压 支 架 ，本 支 架 创 新 点 如下 ①该 支架 为 Y 型正 四连 杆充 填 液 压 支 架 。 ②支架顶前梁采 用整体 顶梁 ，结 构简 单，可 靠 性 好 ，对 顶 板 载 荷 的平 衡 能 力 较强 。 ③后顶梁在两根立柱的作用下可以支撑 采空区，实现保护包体的功能。后顶梁后部 设计有托梁 ，可以加大采空区的支撑面积。 ④为实现高水分子填充的功能，在底座 后部设计有托架 ，托架后部为充填挡板 ，挡 板可以沿铰接点适度摆动 ，以适应支架不同 的工 况 。 ⑤挡板 内增设插板 ，插板在满足强度的 前提下采用钢板结构 ，从而减轻了挡板 的重 量 ；插板在挡板伸 缩千斤顶 的作 用下能伸 缩 ，适应支架不同高度 的工况。 ⑥挡板及插板上设有挂绳环 ，以方便挂 包 ；同时周边设有螺纹孔 ，以方便架间连接 胶皮，保护包体 。 2 ． 3操作 顺序 1 挂包充 填 工作面设备布置好以后 ，先检查支架挡 包机构在是否基本在一条直线上 ，然后在架 间及支架间隙处联接胶皮 ，防止刮包 。检查 无误后 ，将包体挂在各个挂绳环处进行高水 分 子充 填 。 2 推溜 、移 架 当包 内液体冷却到足以起到支撑顶板的 作用后 大约 3个小时 ，方可进行采煤工 作 ，在采煤过程中需注意 ①采煤机割过后 ，支架 即可降架前移。 支架 的跟机 距离 可根据 顶板 情况 而定 。操作 时，降柱 支架不能降得太多 、移架两手 把可同时操作，待支架移动后，降柱手把搬 到中间位置 ，使之擦顶移架 ，以利于维护顶 板和提高移架速度。 ②支架移到新位置后 ，搬动升柱 手把 ， 使顶梁支撑顶板 ，为保证达 到设 计 的初撑 力 ，升柱手把在操作位置要停留一段时间。 ③一般在采煤机走过 1 5 m 以上 时，才 能开始推溜 ，推溜时几架协调操作 ，不使溜 子弯曲过大。 ④当需要调架和扶正支架时，可操作侧 推 千斤 顶 。 ⑤防止重物碰击液压元件 ；及时清除架 前和架内浮煤 、碎矸 。尤其是柱窝 内浮煤碎 矸 必须 清除 ，否则 可能 影响立 柱摆 动 。 3 应 用 Z C 5 1 6 0 ／ 3 0 ／ 5 0超高水材料充填液压 支 架于 2 0 1 4年 3月初开始在冀 中能源股 份公 司邢东矿投入井下使用 ，实现了采煤作业与 超 高水 材 料 充 填 同步进 行 ，充 满率 接 近 9 8 。通过 工业 性试 验 ，确认该 超高 水材 料 充填液压支架各项性能均达到了设计要求 。 邢 东矿 一年 多 的工 业性 试验 证 明 ，使 用 超高水材料充填液压支架 ，具有可观的经济 效益和社会效益，可 以在矿井永久煤柱中开 掘充填巷道后 ，用超高水材料进行充填，置 换出永久煤柱的煤炭资源 ，不仅为建下开采 开辟 了新 途径 ，为煤 炭企 业带来 新 的利润 增 长点 ，也为煤炭资源的充分开发提供了全新 的技术支持 ，是 我 国煤矿 挖掘矿井 资源潜 力 ，实现建设绿色矿 山的创造性成果。 煤矿井下超高水材料充填技术 ，提高了 煤炭资源 回收率。超高水充填液压支架作为 该技术的主要装备 ，具有广泛的使用及推广 价值 ，对 建 设 绿 色 、环 保 矿 山 具 有 重 大 意 义。 作者 简 介 牛 世 胜 男，1 9 6 8年 出 生 ， 1 9 9 1年毕 业 于北京科 技 大 学矿 业 机 械专 业 ， 冀 中能源机械装备集团邢台机械厂高级工程 师 。联 系 电话 0 3 1 9 2 0 6 7 0 7 6 。 收稿 日期2 0 1 5年 0 4月 1 7日；责任编辑孙 玉萍