大采高综放液压支架的设计研究.pdf

第 1 5卷 第3期 总第9 4期 2 01 0年 6月 煤 矿 开 采 Co a l mi n i ng Te c hn o l o g y V o 1 ． 1 5 N o ． 3 S e ri e s N o ． 9 4 J u n e 2 0 1 0 大采高综放 液压支架的设计研 究 苏林 军 天地科技股份有限公司 开采设 计事业部 ，北 京 1 0 0 0 1 3 [ 摘要] 1 4～ 2 0 m特厚煤层一次采全高的技术核心是大采高综放液压支架及其与采煤机、刮 板输送机之间在生产能力、设备性能、设备结构、空间尺寸等方面互相匹配。着重介绍 了大采高放顶 煤液压支架工作阻力、片帮控制、横纵向稳定性、新型四连杆中通式大空间放顶煤支架稳定机构和伸 缩梁 V型槽导 向结构 以及抗 冲击立柱设计 的技 术关键 。 [ 关键词】 大采高；综放；液压支架；特厚煤层 [ 中图分类号 ]T D 3 5 5 ． 4 1 [ 文献标 识码]A [ 文章编号 ]1 0 0 6 - 6 2 2 5 2 0 1 0 0 3 - 0 0 7 7 - 0 3 De s i g n o f Ful l - me c ha n i z e d Ca v i ng Po we r e d Su pp o r t wi t h La r g e M i n i ng He i g h t S U L i n - j u n C o a l Mi n i n g＆ D e s i g n i n g D e p a r t m e n t ， T i a n d i S c i e n c e＆T e c h n o l o g y C o ． ，L t d ，B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a Abs t r a c tThe t e c hn o l o g i c a l c o r e o f f u l l s e a m mi ni n g 1 4- 2 0m e x t r e me l y t hi c k c o a l s e a m i s ma t ch i ng po we r e d s u pp o r t a n d c o a l c ut t e r a n d b e l t c o n v e y o r i n p r o d u c t i o n c a p a b i l i t y， e q u i p me n t p e rfo r ma n c e ，e q u i p me n t s t r u c t u r e a n d e q u i p me n t s i z e， e t c ．t h i s p a p e r ma i n l y i n - t r o d u c e d t e c h n o l o g i c a l k e y s o f p o we r e d s u p p o f o r f u l l me c h a n i z e d c a v i n g mi n i n g w i t h l a r g e mi n i n g h e i g h t i n c l u d i n g wo r k i n g r e s i s t a n c e ， c o a l s l i d e c o n t r o l ，h o ri z o n t al a n d v e rt i c a l s t a b i l i t y ，n e w d o u b l e f o u r b a r s t a b i l i t y s t r u c t u r e ，V g r o o v e o ri e n t a t i o n s t r u c t u r e o f t e l e s c o p i c g i r d e r a n d a n t i - s h o c k p r o p d e s i g n ． Ke y wo r d s l arg e mi n i n g h e i g h t ；f u l l - me c h a n i z e d c a v i n g mi n i n g ；p o w e r e d s u p p o ；e x t r e me l y t h i c k c o al s a n l 1问题的提出 目前 综放工作 面最 大割煤 高度一 般为 2 ． 5～ 3 ． 5 m，所用综放液压支架最大高度为 3 ． 8 m。若 1 4 ～ 2 0 m的特厚煤层使用该型综放液压支架进行放顶 煤 ，采放 比达 1 35 ． 7 1 ，而煤矿安全 规程规定 “ 采放 比大 于 13的工 作面 严禁 采 用放 顶 煤开 采” ，因而最大高度 为 3 ． 8 m综放液 压支架不能用 于煤层厚度大于 1 4 m 的综 放工作面 ，否则会造成 煤炭采出率低 ，资源浪费严重。 伴随综放工作面设备可靠性的提高 ，工作面开 采强度加大 ，综放工作 面由于通风断面小 ，风排瓦 斯能力低 ，瓦斯超 限严重 ，已成为 目前综放工作面 安全高效开采的主要障碍。而提高综放工作面最大 割煤高度 ，不仅可使采放 比满足煤矿安全规程的规 定，同时随着割煤高度加大，放煤高度相应减小， 不仅可实 现工作 面采放 均衡生产 、改善顶 煤 冒放 性 、缩短放煤时间、提高工作面采 出率 ，而且为工 作面配备大功率后部输送机提供了空间 ，有利于工 作面快速放煤 。另外工作面割煤高度增加 ，也使工 作面通风断面加大 ，减少 瓦斯 对工作 面生产的影 响 ，可 以进一步提高工作面单产 ，减少工作面的安 全隐患 。 为此 ，借鉴我国大采高综采 、综放开采技术与 装备研发成果 ，煤炭科学研究总院北京开采设计研 究分 院近几年提 出大采高综放开采方法 ，可定义割 煤高度 3 ． 5～5 ． 0 m的综放开采 为大采高综放开采。 3 ． 55 ． 0 m 的采高是在借鉴我国 目前综放开采的最 大采高 为 3 ． 5 m、大采 高综采 的最大采 高 为 6 ． 2 m 的成功实践 ，并考虑综放开采端面顶煤稳定性控制 和设备稳定性 、可靠性 而提 出的⋯ 。大 采高综放 开采使工作面一次可采厚度最高达到 2 0 m，工作 面 生产能力突破 l O Mt ／ a 。 大采 高综 放的技术核心是 大采高综放液压支 架 ，本文重点介 绍 “ 十一五” 国家科技 支撑计划 课题 的核心 内容 ． 2 m大采高综放液压支架 的 设计 ，该大采高综放液压支架将 目前综放工作面割 煤高度 由小于 3 ． 5 m加大到小于 5 m。 [ 收稿 日期 ]2 0 1 0 0 2 0 8 [ 基金项 目] “ 十一五” 国家科技支撑计 划项 目 2 0 0 8 B A B 3 6 B 0 3 [ 作者简介] 苏林军 1 9 6 7 一 ，男 ，河 南唐河人 ，高级工程师 ，从事液压支架设计研究工作。 77 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 9 4期 煤矿 开 采 2 0 1 0年第 3期 2 大采高综放工作面概况 塔山矿 3～ 5号层 8 1 0 5工作面为大采高放顶煤 工作面，设计长度 2 0 7 m，走 向长度为 2 8 0 0 m；煤 层厚度 1 1 ． 7～1 5 ． 3 9 m，为极 复杂煤层 ，5～1 4层 夹石 ，煤层硬度中等以下 ；直接顶为细 一 中砂岩 ， 厚 4 ． 9 6～8 ． 2 1 I l l ，硬度 ．厂 1 0 ． 7；基本顶为 3 0 m以 上粉砂岩 ，硬度f _-1 1 ． 6 。工作面倾角 ≤1 0 。 ，走向 倾角≤ 6 。 。工作 面生产能力 为 1 0 Mt ／ a 。胶带巷 5 5 0 0 mmx 3 6 0 0 mm 净宽 净高 ，回风巷 5 5 0 0 mmx 3 6 0 0 m m 净宽 净高 。 3 大采高综放工作面配套设备 大采高综放工作面使用 的成套设备不是孤立的 “ 单机” ，而是结构上相互 配合 和联 系，作业上需 要协调和配合 ，且具有较强的配套要求和较高的可 靠性要求 ] 。“ 设备 、选型、配套 ”三者缺一就可 能导致放顶煤工作面生产效率低下 、经济效益差的 结果。因此 ，正确的选型配套是高产 、高效 、经济 和安全的前提和保证。 大采高综放工作面设备的配套是实现产量 目标 的重要物质基础 ，为满足塔 山煤矿煤层赋存条件及 工作面年产 1 0 Mt 的要求 ，必须优化选择工作 面设 备 ，发挥工作面最大生产能力并实现安全生产。采 煤机 、刮板输送机和液压支架之问在生产能力 、设 备性能 、设备结构 、空间尺寸以及相互连接部分的 形式、强度和尺寸等方面 ，必须互相匹配 ，才能保 证各设备正常运行 ，实现工作 面高产高效 j 。经 过优化、计算和 比较，8 1 0 5大采高综放工作面配 套设备如表 1 。 表 1 8 1 0 5大采高综放工作面配套设 备 设备名称 号 采煤机 前部刮板输送机 后部刮板输送机 转载机 中部液压支架 过渡液压支架 端头液压支架 MG 7 5 0 ／1 9 1 5一 GW D S GZ一1 0 0 0 ／ 2 8 55 S CZl 2 o 0 ／ 2 l O o o PF 6 ／l 5 4 2 ZF1 5 O o o ／ 2 8 ／ 5 2 ZF G1 5 0 0 0 ／ 2 8 ． 5 ／ 4 5 H Z TZ 2 0 0 0 0 ／ 3 O ／ 4 2 4 大采高综放液压支架的关键技术 4 ． 1 大采高综放液压支架的工作 阻力需要提高 研究表明 ，综放液压支架采高加大后 ，围岩活 动范围在工作面横 向、纵向明显扩大，矿压显现明 显加剧 ，5 ． 2 m大采高综放液压支架应提高其工作 阻力 ，以增加支架前端及后端对顶板岩梁滑落失稳 7 8 和回转失稳的支护要求。 4 ． 2 大采高综放工作面煤壁片帮控制 众所周知 ，煤壁 片帮是煤体 在矿 山压力作用 下 ，煤体破碎后滑塌下来的一种矿压显现现象。由 于大采高综放工作面煤壁高、自稳性差 ，大多已处 于破碎状态 ，易于发生煤壁片帮冒顶 ，从而给安全 生产带来隐患并影响综放工作面正常推进 ，如何有 效控制煤壁片帮是大采高综放工作面能否安全高效 开采并取得 良好经济效益 的关键 j 。 控制大采高综放工作面煤壁片帮措施主要有 1 提高综放 液压支架 的初撑力 ，提 高其主 动支撑顶板 的能力 ，以减 轻顶板 煤 对煤壁 的 垂直作 用 ，这是保持煤壁 完整、抑制片帮 的最积 极 、最有效的措施之一。 2 带压移架及时支护顶板 煤 ，使顶梁与 顶板 煤 接触 良好 ，可 以减小煤壁前 方支承压 力 ，从而可以避免煤壁片帮的发生或减轻煤壁片帮 程度。 3 使用护帮板并使其靠 紧煤壁 可以增加煤 壁的侧 向约束力 ，煤壁片帮程度则会减小 。 4 异常情 况下控制煤壁片 帮措施 。当工作 面已发生片帮或冒顶 ，或遇到异常带时 ，适当降低 采高、减少采煤机截深或加固煤壁 ，并提高采煤机 牵引速度 ，减少片帮程度。 5 条件允许情况 下采用俯斜开采 ，俯斜开 采可以减轻煤壁片帮程度。 4 ． 3 大采高综放液压支架的稳定性 支架的稳定性是决定 5 ． 2 m大采高综放液压支 架成功与否的关键。为保证稳定性 ，重点研究了能 提高支架横 向和纵 向稳定性 的关键技术 和结构 型 式。采取的主要措施有 1 优化四连杆机构参数利用液压支架参 数可视化动态优化设计软件 ，优化支架的四连杆结 构 ，选择的双纽线变化小 ，从高到低近似一条向前 倾斜 的斜线。当顶板下沉支架承载时，支架顶梁对 顶板产生了一个 向前的摩擦力 ，有利于防止架前冒 顶和煤壁片帮 ，同时使液压支架在工作高度范围内 受力 良好 ，减小立柱 、连杆 、掩护梁的水平受力 ， 这对保证支架的稳定性至关重要。 2 提高支架的初撑 力 5 ． 2 m大采高综放液 压支架选取较高的初撑力 ，使得支架主动支撑顶板 的能力加强 ，可有效地保证顶板的完整性 。为此 ， 5 ． 2 m大采高综放液压支架选择 的初撑力为工作 阻 力的 8 5 ％，保证顶板 和顶梁可靠地接触 ，并有足 够的摩擦力 ，这对增加支架的稳定性大有好处。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 苏林 军大采 高综放液压支架 的设 计研 究 2 0 1 0年第 3期 3 加大支架的 中心距把 5 ． 2 m大采高综放 液压支架 的中心距加大到 1 ． 7 5 m，同时，尽量加宽 支架底座的宽度 ，增加底座和底板 的接触面积 ，加 大立柱的横向中心距 ，加宽连杆宽度 ，这是因为随 着工作面的倾角变化 ，大采高支架 由于高度加大原 因，重心很 容易偏 至底 座边沿 ，甚至超 出底座 边 沿 ，增加 了支架横 向不稳定因素。 4 减小轴孔 间隙和径 向间隙 支架各部件 之问通过销轴铰接 ，轴孔之间存在着一定的配合间 隙 ，在底 座和连杆 、连杆 和掩护梁 、掩 护梁 和顶 梁、立柱和顶梁及底座之间都存在着间隙。这些间 隙过大 ，即使在工作面水平状态下 ，顶梁和底座也 会发生错位 ，若工作面稍有倾角 ，这些 间隙就会累 加起来 ，使支架重心和合力作用点发生偏移 ，导致 支架产生倾斜 、扭转 ，严重时倒架 ，随着工作高度 的增加 ，这些情况更加严重 ，所以在支架的设计过 程中，只要制造工艺条件允许 ，就要尽量减小各部 件之间的轴孔间隙和径 向问隙。例如结构件配合理 论 间隙由传统的 8～1 0 m m减小到 6～8 mm，轴孔理 论间隙由传统的 1～ 2 m m减小到 0 ． 7 5～1 m m。 5 增大前 梁千斤顶缸径 ，设置二 级护 帮装 置随着采高的增加 ，煤壁压力增大 ，特别容易发 生片帮和冒顶 ，一旦出现这种情况 ，支架不能正常 接顶 ，更容易发生倒架事故 ，为此应加强顶梁前端 的护顶能力 ，由于 5 ． 2 m大采 高综放液压支架采用 顶梁加旋转前梁 的结 构 ，特采用 2个 西2 0 0 ra m 大 缸径前 梁千 斤顶 ，以增 大 前梁 前端 支 护能 力 。 为此 ，应增加护帮板 的长度 ，选用二级护帮装置 ， 采用护帮板并使其靠紧煤壁可以增加煤壁的侧 向约 束力 ，煤壁片帮程度则会大大减小 。 4 ． 4 新型双前后连杆 中通 式大空间放煤稳定机构 在 5 ． 2 m大采高综放液压支架 的设计 中，创新 性提 出了新型双四连杆中通式大空间放顶煤支架稳 定机构 已申请专利 。前、后连杆的结构对支架 的抗扭起到至关重要 的作用 ，采用 “ 前双 、后双” 的连 杆结 构 ，较传 统 的 “ 前 双 、后 单” 的结 构 ， 前后连杆的刚性大大加强 ，前后连杆受力变形量随 之减小 ，进而减小了顶梁 、掩护梁相对底座的偏移 量 ，增加了大采 高综放液压支架 的稳定性。同时 ， 在前后连杆间形成了较大的行人通道 ，维修人员可 到达支架后部进行维修作业 ；操作人员可随时观察 放煤情况 、控制放煤过程 ，可提高放煤的精度和采 出率。 4 ． 5 前梁一 伸缩梁运动结构选用 V型槽导向结构 支架前端的护顶性能是 5 ． 2 m大采高综放液压 支架需研究解决的关键技术之一 ，为使支架具有 良 好 的护顶性能 ，支架前梁设计了带大行程的内伸缩 式伸缩梁 ，通常通过控制伸缩梁两边梁外侧与顶梁 边主筋 内侧 问的距离来导向的 ，往往 由于加工的原 因造成误差 ，致使伸缩粱在伸缩过程 中经常遇到蹩 卡现象 ，影响支架的护顶性能。为此 ，在 5 ． 2 m大 采高综放液压支架前梁一 伸缩梁运动结构 的设计 中 摈弃了常规的导向结构 ，采用了 V型槽导 向结构 ， 实践表 明，采用 V型槽导 向结构 的伸缩梁运 动灵 活 自如 。 4 ． 6 采用抗冲击立柱 实践和理论证明大采高放顶煤液压支架常常受 到冲击载荷 ，为了保证工作面的高效安全 ，大采高 放顶煤支架所用的立柱必须具有抗冲击性 ，为了提 高立柱的抗 冲击能力 ，主要常用 以下方法 1 增加旁路安全 阀 ，增大安全 阀流量 ，在 支架受到冲击载荷时迅速泄液。 2 尽可 能增大 立柱 内部 缓 冲液体 介 质 的体积 ，以提高立柱缓冲性能。 3 合理设计 立柱结构 ，减小 立柱受 冲击 时 的压缩刚度 ，延长立柱冲击振动周期 。 4 选择合 理 的立柱 型式 ，优 先采用双 伸缩 立柱 ，其次采用单伸缩立柱 ，尽量避免采用单伸缩 加机械加长杆立柱。 5 结束语 5 ． 2 m大采高综放液压支架将 目前综放工 作面 割煤最大高度 由 3 ． 5 m提高到 5 m，为 l 42 0 m的 特厚煤层实现安全 、高产 、高效、高采 出率开创 了 新的技术途径。 5 ． 2 m大采高综放液压支架 为特厚煤层矿区建 设千万吨级以上矿井 ，提供 了良好的技术和装备保 证 。我国类似条件 的特厚煤层储量较丰富 ，推广应 用前景广阔。 [ 参考文献] [ 1 ] 闫少宏 ，尹希文．大采高综放开采几个理论 问题的研究 [ J ] ． 煤炭学报 ，2 0 0 8 5 4 8 1 - 4 8 4 ． [ 2 ] 陶驰东⋯第一讲综采设 备选型 配套 的原 则和方 法 [ J ] ．煤 矿机 电，1 9 9 6 1 3 9 4 2 ． [ 3 ]孟二存．塔 山煤矿综放工作 面设备配套及巷 道尺寸确定 [ J ] ． 煤矿开采 ，2 0 0 8 3 6 7 - 6 8 ． [ 4 ]华心祝 ，谢广祥．大 采高综采 工作 面煤壁 片帮 机理及 控制技 术 [ J ] ．煤炭科学技术 ，2 0 0 8 9 1 - 3 ． [ 5 ] 阎海琴 ，龚宇．浅析大采 高支架 的稳定 性 [ J ] ．煤矿机 械 ， 2 0 0 5 1 2 5 6 5 8 ． [ 责任编辑 邹正立 ] 7 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m