煤矿工作面支护与液压支架技术的发展.pdf

2 煤矿支护 2 0 1 4年第 4期 石 家 庄中 煤 杯参 评论 文 煤矿 工作面支护与液压支架技 术的发展 王 国 法 ’ [ 1 ～渫炭科 学研 究总院 开采设计研 究分院}2 一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 针对煤矿长壁综采工作面支护和开采技术难题，笔者与其合作 团队持续进 行 了3 O年研 究和实践，建立 了工作面支护 与液压支架技术理论体系，摸清 了液压 支架与围岩耦合作用特 点和适应性，提出了液压支架与围岩耦合原理，把支架与围 岩耦合关系分为强度耦合、刚度耦合 、稳定性耦合 ，以此作为围岩控制和液压支架 设计 的基 础。研 究分 析 了支架 护帮装 置 的护 帮作用 及 与采高 的关 系 ，论 述 了液压 支 架架型发展 、技术特点和适应性，液压支架架型结构型式特点和适应性，液压支架 与围岩耦合三维动态优化设计方法，介绍了综采工作面液压支架支护质量智能监测 系统研发成果，最后，概括出结论并提出发展方向。 关键词 长壁综采工作面 液压支架 围岩耦合 动态优化设计 煤 矿长 壁综合 机械 化开 采是 安全 高效矿 井主要开采方法 ，工作面支护是开采的首要 条件，液压支架要支得住，走得动，是综采 系统的核心 。上世纪七十年代 ，我国开始从 国外引进液压支架等综采设备 ，试验综采 ， 因对液压支架与围岩关系和综采工作面矿压 规 律认识 不 清 ，支 护技 术理 论缺 乏 ，引进 的 液 压支 架多 次 出现 因不 适应 煤层 赋存 条件 而 发生严重事故 ，导致综 采失败 。自上世纪 8 O年代 中期以来，笔者与其合作 团队持续 3 O年致力于长壁综采工作面支护 与液压支 架技术理论的研究和实践，建立了我国独具 特色的综采工作面支护与液压支架技术理论 体系体系，开发了适应我国煤炭开采条件的 各种液压支架及成套技术和装备 ，推动了煤 炭 安 全 高 效 和 绿 色 开 采 技 术 的 发 展 进 步 捌。 2 液压 支架 与 围岩 耦合 适应 性 2 ． 1 液 压 支架 与 围岩耦 合作 用特 点 综采工作面液压支架依托煤层底板 、支 护煤层顶板、防护煤壁及隔绝采空区冒落矸 石 ，通过 充分 利用 围岩 结构 的 自承能 力及 发 挥支 架 的力学 结构 特性 ，以维护 工作 面安 全 作业空间为 目的，与围岩结构耦合为一个动 态的平衡系统。在支架与围岩动态平衡系统 中 ，煤层 开挖 导致顶 板垮 落运 动 失稳对 系 统 的稳定性起决定作用 ，支架为响应 围岩运动 失稳需要与围岩系统保持一定的强度 、刚度 及稳定性 ，因此，支架与围岩耦合关系可分 为强度耦合、刚度耦合、稳定性耦合 ] 。 井下 采掘 活动 破坏 了 围岩 的应力平 衡 状 态 ，引起应力的重新分布。重新分布后 的应 力如果超过煤岩的强度极 限，则必然引起地 下工程结构不同程度的破坏 ，并引起一系列 的矿压显现 现象，对 矿山生产带来 严重 影 响 ，如煤 壁 片帮 、底 鼓 、直 接 顶 破 坏 加 剧 、 巷道 变形 、冲击地 压 、瓦斯 突 出等 。认 识 并 2 0 1 4年第 4 期 煤 矿 支护 3 掌握矿 山压力分 布规律 ，在生产 实践 中利 用 、改变矿 山压力的分布状态 ，是矿山围岩 控制的重要 内容之一[ 4 ] 。 工 作面 液压 支架 是 控制采 场 矿 山压力 的 一 个基 本手 段 。液压 支架 的基 本 功能 是平 衡 工 作面 顶板 压力 。由于 回采工 作 面支架 必 须 与开采后形成的上覆岩层大结构相适应 ，回 采工作面支架必须具备以下几个特征 ① 必须 具有 良好 的支撑性 能 ； ②必须具备一定 的可伸缩性 让压性 ； ③ 必须 具有 良好 的防护性 能 。 支架 的支护 性能 ，一 般是 指 支架 的支 撑 力与支架可伸缩量的关系特征 。支架处于对 上覆岩层形成的支撑体系 “ 煤壁一支架一采 空 区 已冒落矸 石 ”之 中。煤壁 相对 有较 大 刚 性 ，采空区已冒落的矸石则具有较大的可伸 缩性 ，支 架处 于 两者 之 间 ，其 性 能将直 接影 响支架受力的大小和工作面围岩运动。支架 结构及其性能的设计必须符合 回采工作面围 岩运动规律 ，只有这样才能使支护结构设计 既经济又合理 。同时 ，也只有支架的支撑力 分布合理 ，护顶装置可靠 ，才有可能维护好 顶 板 ，保 证 工 作 面 安 全 和 生 产 的 正 常 进行 。 工作 面 支 架 与 围岩 耦 合 关 系 有 如 下 特点 ①支架与围岩是相互作用的一对力 。在 小范围内，支架可以视为一个反力 ，围岩形 成 的顶板 压力 则是 一个 作用 力 ，两 者应 相互 适应 ，使其大小相等 ，而且尽可能使合力作 用点 重合 。 ②支架受力的大小及其在 回采工作面分 布的规律与支架性能有关。 ③支架结构及尺寸对顶板压力的影响。 支架 结构 设计 必须 适应 围岩 条件 ，对 围 岩来说 ，主要是 考 虑在 各种 支架 反力 作用 下 的顶板状态。所有国内外对 “ 支架工作阻力 一 顶板 下 沉 量 ” 即 “ P 一 △ L ” 的 研 究 表 明 ， 支架在一定 的工作阻力以上 ，支架工作阻力 增加对顶板下沉量影响较小 ，但低于此值则 影 响极 大 。 同时 ，采场 支架 的工 作 阻力并 不 能改变上覆岩层 的总体运动规律 。 支 架对 顶板 下 沉量 的控 制是有 一定 限度 的 ，超 过此 限度 ，支架也 是无 能 为力 的 。因 而 ，只有在 工作 阻力 偏低 的情 况下 ，提高 支 架工作阻力才能对顶板下沉有显著 的影 响。 另一方面，各类岩层的允许下沉量是不一样 的。对于坚硬岩层 ，虽然顶板下沉可能导致 顶板整体破断 ，但局部仍然很完整 ；对于强 度低而脆性大的岩层 ，下沉量很小就可能导 致 顶板 破碎 不堪 。掩 护式 支架 的发 展 ，更证 明在一定条件下采用护顶的方法改善顶板状 况 是可行 的 。 在周 期 来压 比较 剧烈 ，而且经 常发 生 台 阶下沉的工作面 ，合理的工作阻力只能是指 防止顶 板 不 发 生 上 述 现 象 时 所 需 的 工 作 阻 力 。也就是平衡基本顶初次来压或周期来压 时 ，不能 自身取得平衡 的直接顶和基本顶岩 块 的重量 。前 提是 支 架必须 具 有与基 本 顶岩 层 活动过 程 中形成 的顶板下 沉 量相适 应 的活 柱下 缩量 。 由于开采引起的 围岩离层和下沉运动、 支撑 压力 引起 的剪 切破 坏 、 以及 底板 在通 过 高、低应力区时发生的松动 ，导致顶 、底板 岩层 发生 弱化 趋势 ；另 一方 面 ，由于直接 顶 和直 接底 的岩 层初 始力 学特 性不 同 ，在采 场 表现 了不 同的稳定 性 和压力 显现 特征 。为 了 保持 回采工作面可靠的工作空间，支架的基 本任务是对控 顶 区暴 露的顶 、底板给 予支 护 ，主要 包括 以下 几个 方面 ①对 直接 顶 的纵 向和横 向卸 压运 动给 予 控制 ，对 于 已经被 裂 隙分割 的暴 露 的顶板 岩 块给 予 承 托 或 遮 盖 ，避 免 在 控 顶 区 内 出 现 冒落 ； ②对基本顶 的破断失稳运动引起的周期 性高载荷给予足够的平衡阻力，以避免控顶 区过 大的 下沉 和离层 ； ③限制支架对底板岩层的比压 或称载 荷 强度 以避免 出现支架 底 座压入 底板 而 引 起 对顶 板控 制恶 化 的可能 。 采场支护是顶板控制的主要手段 ，合理 支 架支 护强 度 的确定 是采 场支 护与 控制 的首 4 煤矿支护 2 0 1 4年第 4期 要 任务 。支架 支护 强度 的确 定既要 保证 对工 作 面顶板 实 现有效 控制 ，又 要满 足 回采工艺 的各种要 求 ，需要 在液 压支 架与 围岩 力学相 互作用研究基础上 ，综合分析不同地质、技 术条件下支护强度确定方法 ，并分析不 同支 架 的结构 力学 特征 ，为 支架选 型提 供依 据 。 2 ． 2液 压 支架 的护 帮作 用 液压支架一般在 顶梁上设置护 帮装置 ， 护 帮装 置或铰 接在 顶梁 前端 或铰 接在 伸缩量 前 端 ，通 过 四连杆 机构 或直 接与 护帮 千斤顶 连接，根据支架高度 ，护帮板采用单级、两 级 或三 级结 构 ，两 级或 三级 护帮 板有 伸缩 式 和 铰接 式不 同结构 ，采 用多 级协 动控 制 。 随着工作面采高的增大 ，煤壁片帮的概 率 增大 ，煤 壁 片帮 的次 数 和 深度 也 将 加 大 ， 而 煤壁 片帮 又使得 支架 端 面距增 大 ，往往 引 起端面顶板 冒落 ，造成事故 。因此，研究和 控制煤壁片帮，搞好煤壁管理是大采高综采 工 作面 生产 技术 管理 的重要 内容 之一 ，也 是 厚 煤层 整 层 开 采 取 得 良好 经 济 效 益 的 根 本 保 证 。 煤体 内存 在不 同程 度 的微裂 隙 ，未开 采 的煤体在原始应 力条件下处 于相对平衡 状 态 。因煤层开采的影响，尤其是上覆岩层的 移动，导致 了原岩应力 的重新分布 ，前方支 承 压力 的作 用下距 开 采边界 一定 宽度 的煤 体 内微裂 隙会 逐渐 发育 ，直 到 出现不 同程度 的 损坏 ，承载能力降低 ，使得集中应力 向煤体 深 部转 移 ，直到 煤体 的承 载能 力与上 覆 岩层 的压力 达到 平衡 时 ，出现稳 定状 态 。 煤岩材料的破坏常常是材料变形模式从 缓 慢平 稳 的状态 突然 进入 强烈 变形 的局 部窄 条 带 为 主 导 变 形 的 阶 段 ，即 局 部 化 破 坏 现 象 。对于材 料 的细微 观稳 定性 ，细微 观 断裂 和损伤力学认为孔洞和裂纹是材料在细微观 层次 上发 生突 变和失 稳 的两种 主要 机制 。 大采 高综采 发生 片帮 是必 然 的 ，而且 随 着采高的加大 ，将愈加严重。改善端面片帮 冒顶 的途径 主要 有 以下三个 方 面 ①应设 法 提 高无 立 柱 空 间 顶 煤 的 稳 定 性 ，尽 可 能 缩 小 端 面 距 ，提 高 支 架 工 作 阻 力 ，维持支架合 力作用 点距煤壁距 离基本 不变 ； ②要 设计 合理 的支架 结 构 ； ③工 艺上 要采 煤机 过后 即时移 架 ，使无 立柱 空 间及 时全 封 闭 。 不 同 采 高 与 所 需 护 帮 高 度 关 系 如 图 1 所 示 。 ／ ／ ／ ／ 3 4 5 6 7 采高／ m 煤壁所需护 帮高度与 采高的关 系 3液压 支 架架型 发展 经 过半个 世纪 的综 采发 展 ， 目前 ，液 压 支架 主 要有两 种基 本架 型 ，即两 柱掩 护式 液 压 支架 和 四柱 支撑 掩护 式液 压支架 ] 。其 他 架型可 以看 成是 这 两 种 基 本 架 型 的 衍 生 产 品 。 3 ． 1 四柱 支撑掩 护 式液压 支架 四柱支撑掩护式液压支架 如图 2所示 ， 是 上世 纪综 采主 导架 型 ，在普通 一 次采全 高 综采四柱支撑掩护式液压支架的基础上发展 起 四柱式铺网液压支架 、四柱式放顶煤液压 支架和 充填 开采 液压 支架 等架 型 。 图 2四柱支撑掩护式液压支架 2 0 1 4年第 4期 煤矿支护 5 四柱 支撑 掩护 式支 架 的主要 特点 是 ①顶 梁和 底座 间有 前后 两 排立柱 ，顶梁 和底座都较长 ，整架尺寸和通风断面一般较 大，采煤工作面的开切眼宽度要求较大 ； ②前 、后 排柱 载荷 往往 差别 较 大 ，工作 面支架 压 力实 测表 明 ，通常 只有 三根 立 柱有 载荷 ，有一根立柱载荷较小 ，或者前后两排 立柱受力严重不均衡 ，在不稳定顶板或综放 工作 面多 显 现 为前 柱 受 力 大 ，后 柱 受 力 小 ， 甚至不 受 力 或 者受 拉 力 ，当 工作 面 仰 采 时 ， 若 上覆 岩 层顶板 松 软破 碎时 ，当顶板 岩层 极 易冒落 ，外载在顶梁上的合力作用 点前移， 支架后立柱受力小或不受力 ，当顶板岩层充 分 冒后 ，支架后 立 柱不但 不 能承 载 ，反 而受 拉 ，进而出现拔后柱现象。液压支架 四根立 柱工作阻力很难共同发挥出来 ，立柱的实际 支护效率较低 ； ③受四柱式架型结构的限制 ，立柱一般 垂直布置倾斜角度较小 ，支架的调高范围较 小 ，适 应煤 层 厚 度 的 变 化 能 力 较 小 ，同 时 ， 支 架顶 梁水 平支 撑 力较小 ，不利 于直 接顶 的 稳 定 ； ④ 支架 的支 撑 合 力 作 用 点 距 切 顶线 近 、 切 顶能 力 强 ，适 用 于 较 稳 定 的顶 板 ，但 是 ， 支架顶梁前端支撑力较小 ，不利于破碎顶板 的支护 ； ⑤前、后排立柱升降架动作明显 ，便于 人工手动操作和习惯 。但 由于两排立柱，控 制较复杂，支架升、降速度慢，不利于电液 控 制 ，快速 移架 。 2 0 0 0年以来 ，随著 电液控 制技术 的应 用 ，四柱支 撑掩 护式 支架 逐 步被 两柱 掩护式 支架取代 。美国和澳大利亚等国家已全部采 用两柱掩护式支架，我国大部分矿 区采用了 两柱掩护式支架 ，四柱支撑掩护式支架在放 煤煤 支架 中还应 用 较 多 。在 1 ． 5 m 以上 的 坚 硬顶板工作面 ，四柱支撑掩护式支架还表现 出较大优势 。淮南等矿区对四柱支撑掩护式 支架 还情 有 独钟 ，认 为 四柱支 撑掩 护 式支架 较 两柱掩 护 式支 架对 深部 复 杂煤层 开 采具有 更好 的适 应 性 。 四柱式架型在放顶煤液压支架中仍广泛 应用 ，四柱式 放顶 煤液 压支 架具 有支 护能 力 大 ，适 应 顶煤 变化 能力 较强 、操 作直 观等 特 点 。但 是 ，四柱式 放顶 煤液 压支 架使 用 中普 遍存在前后排立柱受力不均衡现象，通过前 后排立 柱 受 力 的 变 化 ，改 变 支 架 合 力 作 用 点 ，适 应 顶煤 的 冒放状 态 ，这种前 后 排立 柱 受力的变化以损失支架支撑合力为代价，实 现支架与顶煤传递顶板压力间的耦合平衡 ， 降低了支架的支护效率。 3 ． 2 两柱掩护 式 液压 支 架 两 柱掩 护式 支 架如 图 3所示 。两 柱掩 护 式 支架 是 目前 国 内外综采 主 导架 型 ，在两柱 式 一次 采全 高普 通 液压支 架 的基础 上 ，发展 了两柱式放顶煤液压支架等架型。 图 3 两枉 掩 护 式 j 硬压 支 架 二 柱掩 护式 液压 支架 的 主要特 点是 ① 顶梁 和底 座 间单排 立柱 支撑 。支 撑合 力 距离 煤壁 较近 ，可 较为 有效 防止 端 面顶板 的早期 离层 和破 坏 ； ② 平衡 千 斤 顶 可 调 节 合 力 作 用 点 的位 置 ，增 强 了支架 对难 控顶 板 的适应 性 ； ③ 立柱 向煤 壁方 向倾 斜 ，支架 能经 常 给 顶 板 向煤壁 方 向水平 支护 力 ，有利 于维 护顶 板 的完 整 ，支架 调高 范 围较 大 ，适 应工 作范 围大 ； ④ 顶梁 相对 较短 ，对 顶板 的反 复支 撑次 数 少 ，减少 了对 直接 顶板 的破 坏 ； ⑤底座前端对底板的比压一般大于四柱 支 架 ，但是 通过 优化设 计 也可 改善 底座对 底 板 比压 分布 ，并 设置 抬底 座装 置 ，更好地 适 应较 软底 板 ，实 现快 速移 架 ； 6 煤 矿支 护 2 0 1 4年第 4期 ⑥支架 单排 立柱 动作 简短 ，有 利于 电液 系统 配套 ，实 现快速 移架 。 两柱掩护式支架对破碎顶板及 中等稳定 顶板适应性好 ，对煤层变化较大的工作面适 应性 较强 。近 2 O年 来 两 柱柱 掩 护 式 支 架 向 大工 作 阻力高 可靠性 发展 ，其 适应 范 围也逐 步加 大 ，能较 好地适 应 坚硬顶 板支 护 。 2 0 0 3年 以来 ，我 们 先 后 发 明 研 制 了两 柱式 放顶 煤液 压支架 、超大伸 缩 比薄煤 层液 压支架和超大采高两柱掩护式液压支架等新 架 型 ，并 成 功推广 应用 ，取得 很好 效果 。两 柱 式放顶 煤 液 压 支 架 在兖 矿 、平 朔 、神 东 、 阳泉 、榆 林 、额尔 多斯 等矿 区替 代 四柱 式放 顶 煤支架 ，成 套技 术 出 口到 澳大 利亚 。 复杂薄煤层赋存 不稳定 ，厚 度变化较 大 ，要求液压支架调高幅度尽量大，常规立 柱 的伸缩 比不能满 足要 求 ，这是 薄煤层 支 架 结 构设计 的重大难 题 ；为提 高支 护效 果 和可 靠 性 ，薄煤层 支架 要有 足够 工作 阻力 ，而 液 压支架工作阻力的提高又使支架结构的最小 高度要加大 ，这是一个突出矛盾 。现有薄煤 层 支架 普遍 工 作 阻 力较 小 ，最 小 高度 较 大 ， 伸 缩 比小 ，手动操 纵 困难 ，难 以满 足薄煤 层 高效综采要求。为解决此难题 ，发明如下关 键 技术 ① 创新 研发单 进 液 口大伸 缩 比双伸缩 立 柱 。立 柱伸 缩 比直接 决定着 薄煤 层液 压 支架 支撑高度的变化范围，受结构强度和稳定性 制 约 ，常规 双伸 缩立 柱结 构无 法满 足薄煤 层 液压支架调高幅度要求。单进回液 口双伸缩 大伸缩 比立 柱 ，改 变 立 柱 结 构 和 进 回 液 原 理，采用非半球体的大弧度缸底结构和活柱 无 上 腔外进 液 口的结 构形 式 ，通过 中缸 壁上 的通 液孔连 通外 缸上 腔 和 中缸 上腔 实现 双作 用 ，将外缸上腔 外缸与 中缸之间的空腔 和设 在活柱 上 的 中缸 上腔 中缸与 活柱 之 间 的空 腔 进 液 口合并 为一 个进 液 口，增 大 了 立柱 的伸缩 比 ，大 大提 高 了薄 煤层 液压 支架 的支 撑范 围 ；突破液 压 支架工 作 阻力决 定最 小高度的极限，满足了薄煤层工作面开采支 护需 求 。 ②创新研发了板式顶梁及叠位布置等新 型液压支架结构型式 ，创新研制了板式整体 顶梁 、双连杆双平衡千斤顶叠位布置等新结 构 ，将 两 根平衡 千斤 顶分 别布 置在 双前 、后 连杆外侧 ，克服 了平衡千斤顶布置在中档低 位时 与推 移千斤 顶 干涉 的缺 陷 ，解 决 了薄煤 层液压支架在低位状态下安全通道小和支架 结构 件无 法布 置的难 题 。成功 研制 最小 高度 0 ． 4 5 ～1 ． O m 的 系列薄 煤层 液压 支架 。 针对 蒙陕晋 7 m 稳 定厚 煤 层 ，发 明研 制 了超大采高两柱式液压支架 ，创新研制大侧 护板过渡液压支架和大采高工作面端头过渡 段 大梯度 过 渡 配套 技 术 如 图 4所示 ，成 套技术和装备在神东不连塔矿、陕煤红柳林 矿 、神华 三道 沟矿 等成 功应 用 ，实现 大采综 采技 术 的新 突破 。 图 4大梯度过 渡配套方式 4支 架架型 结构 适应 性 4 ． 1 支 架整体 项梁 与铰接 顶 梁的 比较 顶 梁直 接与顶 板 接触 ，是 支架 的主要 承 载部件 之一 ，选 择合 理 的顶 梁结 构对 支架 使 用效果 有重 要作 用 。 目前顶 梁结 构形 式 主要 有整体刚性顶梁 、铰接分体顶梁两种 ，如图 5 、图 6所 示 。 铰接分体顶梁前端可以上下摆动，与顶 板接触效果较好 ，对不平顶板及过断层等地 质构造时适应性强 ，支架整体运输尺寸小。 但铰接分体顶梁支架前端支撑力小 ，不利于 维护 顶板 以及抑 制煤 壁 片帮 。 同时铰接 分体 顶梁 由于前 端 架 间 铰 接前 梁无 活 动 侧 护 板 ， 对顶 板密 封性较 差 。铰接 分体 顶梁 用 于 四柱 式放 顶煤 液压 支架 有利 于改 善前后 排立 柱受 2 0 1 4年第 4 期 煤矿支护 7 力 不均 衡 现象 。 b 豢 摊柱 ④ D 睁 矧 量 一 I 五 ∞ 一i r _ l j 『 『 ⋯⋯ 日 f - 譬 L 磷二 一 址 趣 图 5整体刚性顶梁 图 6铰 搔 分 体 顶 梁 整体顶梁结构简单、可靠 ，支架前端支 撑 力大 ，对 顶板 载荷 的平 衡能 力 强 ，有 利 于 维护顶板以及抑制煤壁片帮 ；同时整体顶梁 全 长设 置活 动侧 护 板 ，对 顶 板 密 封 性 较好 。 但 支架 整体 纵 向运输 尺 寸较 长 。 4 ． 2 支架伸 缩 梁的型 式选择 伸 缩梁 是设 置在 整 体顶 梁或 铰接 顶梁 内 滑 动 ，从前 端 伸缩 的梁 体 ，分 为 内伸 式 和外 伸式两种型式 。伸缩梁 的作用是在移架前能 及时伸出，补偿梁端距 ，及时或超前支护顶 板 ，增强护帮效果 。内伸式伸缩梁结构强度 好 ，伸出顺 畅，是 目前重型支架普遍采用的 伸缩 梁 型式 。 4 ． 3 支架底 座 型式 的确 定 支架 的底座 是支 架承 受顶 板压 力传 至底 板并 稳 固支 架 的承载 部件 。因此 ，底座 除满 足一定的刚度和强大要求外 ，还要求其对底 板起伏不平的适应性要强 ，对底板 的接触 比 压 要小 ；要 有 足够 的空 间为立 柱 、推 移装 置 和其他辅助装置提供必要 的安装条件 ；要便 于人员的操作和行走 ；能起一定的档杆作用 及具有一定 的排矸能力 ；要有一定 的重量， 以保证支架 的稳定性等 。目前，常用的底座 结构形式有整体式底座 、底分式底座 。 1 整体 式底 座 整体 式 刚 性 底 座 中 挡 前 部 一 般 有 高 度 5 0 ～l O O mm 小箱形结构 ，中挡后部上方为 箱形结 构，推移 千斤顶一 般安装 在箱形体 下 。整 体 刚性底 座 立柱柱 窝前 一般 要设 计一 过桥 ，以提高 底 座 的 整体 刚性 和抗 扭 能 力 。 整体刚性底座的整体刚度和强度好 ，底座接 底面积大 ，有利于减小对底板的比压 ，但中 挡推移机构处 易积存 浮煤碎矸 ，清理较 困 难 ，一般用于软底板条件下 的工作面支架 。 2 底分 式 刚性底 座 底分 式 刚性 底 座 的底 座 底 板 式 中分 式 的，中挡推移机构直接落在煤层底板上 ，前 立柱柱窝前有过桥 ，中挡后部上方为箱形结 构。由于底分式刚性底座在推移装置处的浮 煤 、碎矸 可 随支 架 移 架 从 后 端 排 到 采 空 区 ， 不需要人工清理 ，适应高产高效要求 ，但减 少 了底 座接 底 面 积 ，增 大 了对 底 板 的 比压 。 目前，高产高效工作面液压支架一般均采用 分体式刚性底座 。 4 ． 4支 架推移 装置 的 选择 液压支架推移装置是保证支架正常推溜 和拉架 ，实现 工 作 面 正 常循 环 的重 要 装 置 。 在设计支架时 ，应根据支架结构和配套要求 合理选择推移装置的型式，并充分保证支架 推移装置对工作面条件和配套的适应性。支 架推输送 机 的力应 不大于输送 机 的设计 推 力 ，拉架 力一 般应 为 支架重 量 的 2 ． 5 ～3 倍 。 移架 装置 在 回收位 置 ，其输 送 机相对 水平 位 置 向上 抬起 量 不 得 小 于 2 0 0 mm 薄 煤 层 支 架 不小 于 l O O mm ，下 落 不得 小 于 l O O mm、 支 架推移 速 度应 与采 煤机 牵引 速度 相适 应 。 短 推移 杆式 推移 装置 一般 采用 浮动 活塞 式 千斤 顶或 采用 双作 用千 斤顶 差动 连接 。这 种推移装置结构 比较简单 、紧凑 ，但千斤顶 只能小 腔拉 架 ，提高 拉架 力 困难 。长推 移杆 框架倒拉式推移装置具有千斤顶大腔拉 架 、小腔推溜及拉架力大的特点 ，且拉架时 推移千斤顶作用力对底座前端产生垂直向上 的分力 ，可将底 座前 端 向上 抬 ，有助 于顺 利 移 架 。 4 ． 5支架抬底 装 置 抬底 千斤 顶一 般设 置在底 座 前过桥 前 或 一 8 煤矿支 护 2 0 1 4年 第 4期 后。近年来国外一些产煤大国 如美国、德 国、澳大利亚等的综采工作面液压支架普 遍采用抬底千斤顶 ，作为实现高产高效的重 要 措施之 一 。 当工 作 面 底 板 条 件 较 差 例 如 底 板 松 软 ，泥 岩遇 水膨胀 等 时 ，支架 底座 前端 易 扎 底 ，造成 支架行 走 困难 。 设置抬底千斤顶 ，拉支架时 ，稍 降架 ， 操纵抬底千斤顶伸出，以推拉杆上表面为支 点 ，使底座前端上翘而脱离底板 ；底座通过 抬 底 千斤顶 下端 沿推 拉杆 滑行 ，从 而实 现支 架 的顺 利前 移 。 当工作面底板条件较好时 ，支架正常使 用 过 程 中 ，架 前 浮煤 是 不 可 避 免 的 。拉 架 时，如底 座不抬起 ，会 造成 浮煤在架 前堆 积 ，严重 时会 影响移 架 ，需人 工清 理 。采用 抬底 装置 ，可使 支架 跨在 浮煤 上前 移 ，不需 人工 清理 ，有 利于快 速 移架 。 高产 高效 矿井建 设 实践证 明 ，液压 支架 抬底装置是提高工作面移架速度 ，减少工艺 环 节 的重 要措 施 。 5 液压支架与围岩耦合三维动态优化设计 方 法 基 于 围岩应力 场 与液压 支架 支护 系统 间 的耦合作用规律 ，分析围岩载荷在支护系统 中的传 递特 性及 支架 动态 响应特 性 ，提 出液 压支架三维动态优化设计理论和方法 。该方 法采用 “白顶 向下”设计 思想 ，将 围岩下 沉 、断裂等 力 、力矩 以及边 界 条件 的变化 通 过 支架 骨架 模型传 递 和分解 到具 体 的支架 结 构上 ，并通过三维动态模拟仿真，全面了解 支架的力学性能及其对围岩的支护效果。液 压支架可靠性是其完成支护功能的基础 ，通 过有限元可靠性设计实现对支架详细结构的 优 化 。 液压支架的安全性和可靠性是其最为重 要 的指标 ，液 压支架 结构 优化 设计 中首 先要 精准地计算支架工作过程中每个零部件所承 受 的最 大 载荷 和应力 分布 ，进行 相 应 的强 度 校核 ，这 些 方 法 在 有 关 文 献 中 已有 详 细 论 述。通常情况下支架结构设计与强度计算是 分别进行 的，难 以实现结构最优化。为此 ， 采用有限元分析软件 ，建立结构优化模型与 C AD系统间的直接双 向参数互动关联 ，可 将 优 化 分 析 的 参 数 结 果 直 接 导 人 C AD 模 型 。这样 ，在结 构设 计 过程 中可 随时进 行结 构强度有限元分析计算 ，在结构有 限元分析 模型上 得 出 的优 化 结 果 也 可 实 时传 递 到 C AD 的几 何 模 型 上 ，即刻 利 用 到设 计 方 案 中，实现了液压支架高效优化设计。液压支 架 强 度 计算 及结 构 优 化 设 计 流 程 如 图 7 所示 。 图 7液 压 支 架 强 度计 算 及 结 构 优 化 瓣 程 基 于上述 技术 理论 和方 法 ，利 用 P r o ／ E 二 次开 发 ，将 已有 的液压支 架设 计知 识 和经 验 固 化 到 程 序 中 ，并 结 合 P r o ／ E 系 统 的 To p D o wn流程、有限元分析模块 和动态 模拟系统，开发液压支架三维动态优化设计 软件系统，集设计 、运动仿真 、力学分析和 工作面总体配套动态模拟为一体，大大提高 了支架 的设 计效 率 ，充分保 证 了支架 的设 计 质量 和适 应性 。 液压 支架 三维 动态优 化设 计软 件 系统 的 设计流程如图 8所示。实现这一过程的总体 2 0 1 4年第 4期 煤矿 支护 9 思 路 为 充 分 利 用 P r o ／ E 的 三 维 设 计 和 计 算功能 ，通过 P r o ／ T。 O 1 K i t 编程 ，将 自顶 向 下结构设计 、参数优化 、有限元分析和工作 面三维配套模拟集 中到一个平台之上 。通过 数据的双向传递将设计 、计算和动态仿真有 机联系起来 ，实现设计 、分析和动态仿真的 一 体化 。在设计系统中，P r o ／ E设计完成 的 三维模型通过接 口程序导人到有限元分析及 优化模块 中，优 化计算完 成后 ，结果 返 回 P r o ／ E生 成最 优方 案 ，再通 过工 作 面 总体 配 套仿真系统验证其是否符合使用要求 。 图 8支架有限元计 算及三维动态优化流 程 6工作 面支 护质 量 智能 监测 提高 工作 面 支护 质量 是实 现安 全 高效 生 产 的前提 条 件 ，液压 支架 的 姿态是 反 映其 支 护质量的有效参量之一 ，其姿态监测主要包 括 顶梁 、掩护梁和底座水平倾斜角度和仰 俯 角度 的实 时监 测 。通过 姿 态 的监 测 可 以得 出支架高度 、工作面采高 、工作面仰俯采角 度等监测信息。液压支架 的受力状态也是反 映其 支 护质 量 的又一 重要 参量 ，其 监 测范 围 主要包括平衡千斤顶受力状态和立柱受力 状 态 。通过 平衡 千 斤顶 和立 柱受 力状 态 的监 测与分析可 以得知支架 合力作用点 的位置 、 支架工作阻力 、立柱压力等情况 。 通 过液 压支 架 姿态监 测 和受力 状 态监测 可以得 出当前支架 的综 合支护 质量状态信 息 ，实 现对 支架 歪斜、倒 架 、挤架 、扭 曲 度 、不 规则 受 力 、压 力 超 限 、初 撑 力 不 足 、 顶板周期来压步距等现象与趋势进行 预警 ， 从而为提高支架支护质量的调整提供依据 。 通过对液压支架支护质量 的监测和处理，实 现对 液压 支架合 理 支护 状态 和不 合理 支护 状 态的在线显示和统计 ，给出液压支架提高支 护质量 的合理化操作建议 ，根据长时间的使 用情况对液压之间的检修和维护保障项 目进 行 及 时 的提醒 ，以提高 工作 面液 压支 架支 护 质量 延长液压支架的使用寿命。 远程 ■ 中 心 I 赣 熊 A N 分站N 一 一r 顺稽监控中心 无线 总站 目 一 I笮 一 级 网 络 ； 溉 一 级网络路由 A ll l 1分9 产 网 络 主 站 ；一 - - r 图 9工 作 面 支 护 质 ■ 综 合 监 测保 障 系统 框 图 笔者创新 团队研发的工作面支护质量智 能监测监控系统如图 9所示，其特点是 系 统全部采用无线通信方式 ，但具有有线通信 的功能 ；传 感器 具有 多种 采集 方式 ，且 压力 传感器 自带显示屏；终端及传感器全部采用 不锈钢冲压和铸造设计 ；传感器两节电池使 用寿命 1 ． 5年以上 ；终端具有应急电源，在 系统断电情况下能保证系统工作 ；终端具有 高清液晶显示屏 ，实时显示系统情况 ；终端 具有 u 盘取数 、无线 、总线、以太 网、光 纤等多种通信方式 ；终端具有数字量 、模拟 量 多种 采集 方式 ；系统上 位 机具有 大容 量存 储 、处理和远程访问等功能。 布置方式为间隔性布置 ，每隔一定数量 线收中 阿 无接及继 l O 煤矿支护 2 0 1 4年第 4期 的液压支架布置一套矿用本安型多功能显示 终端 站点 ，完成对液压支架的信息采集、 处理 、存储 、显示和收发等功能，每套监控 系统内安装三台矿用本安型无线兼有线微功 耗 自供 电姿态传感器 ，完成对顶梁 、掩护梁 和底座前后和左右倾斜角度进行测量，安装 2台矿用本安型无线兼有线微功耗 自供 电压 力传感器 ，完成对支架压力数据的采集。 通 过 双轴角 度测 量模 块测 量 出当前设 备 的左右 和前 后倾 斜角 度 ，通过 AD采 集模 块 对双轴角度数 据进行模拟量 到数字量 的转 换 ，然后传送给 MUC核心处理单元 ，通过 高精度温度传感器对当前设备的姿态数据进 行复杂 的运算校准 ，通过 R S 4 8 5通信模 块 将数据 以总线的形式上传 ，也可通过无线射 频收发模块将数据以无线的方式上传 ，姿态 传 感器 既可 以采 用 内部 电池 供 电也 可 以采 用 外部电源供电，通过智能电源切换和管理模 块可以实现内部和外部供电的智能切换及对 电池 的充 电。 通过高精度压力传感器单元测量 出当前 连接设备的压力值，通过模拟量与数字量的 转化和滤波处理电路将模拟量进行数字量转 换 ，通 过 MUC 处 理 器 完 成 所 有 数 据 的 采 集 、处 理和 管理 功能 ，通过 液 晶显示 屏将 当 前压力值、电池电量等信息进行显示 ，通过 R S 4 8 5通信模块将数据 以总线的形 式上传 ， 也可通过无线射频收发模块将数据以无线的 方式 上传 ，压 力传 感器 既可 以采 用 内部 电池 供电也可以采用外部电源供电，通过智能电 源 切换 和管理 模块 可 以实现 内部 和外 部供 电 的智能切换及对电池的充电。 系统 具有 多功 能终 端显示 液压支 架 姿 态显 示 ；液压 支架 姿态 不合 理及 危 险状 况 预 警 ；液压支架初撑力、循环末阻力、周期来 压 等受力 状况 显示 ；液 压支 架受 力不合 理 和 危险状况预警 ；液压支架支护质量显示 ；具 有液压支架支护质量 不合理及危 险情况 预 警 ；液压支架保障信息显示 ；液压支架不合 理使用 和隐患 预警 ；具 有 数字 、列 表、曲 线 、直方 图 、二维 图 、三 维 图等多 种显 示方 式 ；具有工作面整体 、单架、历史等多种查 询 方式 ；．具 有 班 报 表 、 日报 表 、月 报 表 、 年报表等多种报表形式。 7 结 论 ①长壁综采工作面支护要求液压支架与 围岩实现有效的强度耦合 、刚度耦合和稳定 性耦合 ，强度耦合要求支架合理支护强度应 能承受顶板动载冲击 ，并充分利用围岩结构 的 自承能力 将顶 板来 压 的动载 荷 降低为 支架 支护强度能够平衡的静载荷；刚度耦合要求 保持直接顶板～支架一底板 的整体刚度 ，防 止直接顶与基本顶过早离层，降低基本顶板 载荷运动空间 ，减小形成的冲击动载荷 ；稳 定性耦合的关键是保持支架 自身稳定性及支 护 系统 对 围岩动 态失 稳 的适应 性 。 ② 工作 面煤 帮控 制是综 采 正常 生产 的重 要保证 ，应充分利用液压支架的支护和护帮 作 用 ，抑 制 片 帮 冒顶 ，特 别 是 随 着 采 高 增 大 ，片帮趋 势增 强 ，应合 理加 大护 帮力 和护 帮 高度 。 ③两 柱 掩护 式液 压支架 与 工作 面 围岩适 应 性 良好 ，是 国内外综 采 主导 架型 ，两 柱放 顶