六柱支撐式固體充填采煤液壓支架結構及工作原理研究

徐俊明，譚輔清，巨 峰，安百富

（1．中國礦業大學礦業工程學院，江蘇 徐州221116；2．西山煤電 （集團）有限責任公司，山西 太原030053；3．煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州221008）

綜合機械化固體充填采煤技術，是隨著近些年 “三下”采煤而發展起來的［1－3］，即利用充填綜采設備把固體廢棄物 （矸石、粉煤灰、黃土、風積沙及建筑垃圾等）密實充入采煤工作面采空區的一種技術［4］。其工作面關鍵設備，包括充填綜采液壓支架和固體充填物料輸送機。在這二者中，充填綜采液壓支架起著頂板管理、隔離圍巖維護作業空間的作用，其適應性與可靠性是決定充填開采工作面能否安全高效生產的關鍵因素之一［5］。實踐表明，采煤技術的進步與發展，是與采煤機械化裝備密切聯系在一起的，每一次液壓支架的重大改革與進步，都會帶來機械化采煤技術的重大進步［6－7］。六柱支撐式固體充填采煤液壓支架的發展，也是固體充填采煤技術進步的顯著標志。

1 固體充填采煤支架結構原理

1.1 支架功能與結構組成

充填采煤液壓支架是綜合機械化充填采煤工作面主要裝備之一，與采煤機、刮板輸送機、充填開采輸送機、夯實機配套使用，起著管理頂板、隔離圍巖維護作業空間的作用；與刮板輸送機配套能自行前移，推進采煤工作面連續作業。同時，又具有對充入采空區的固體充填物料的壓實作用，使充填物料在推壓接頂的基礎上達到一定的密實度。

六柱支撐式固體充填采煤液壓支架前端，掩護綜合機械化采煤作業，后部掩護充填作業。充填開采輸送機懸掛于支架后頂梁下，用于運輸充填料。壓實機安裝在支架底座上，對充填開采輸送機卸下的充填料進行夯實。主要由前、后頂梁、立柱、四連桿機構、支架底座、壓實機等構成，如圖1所示。

圖1 六柱式固體充填采煤液壓支架

1.2 支架結構特點

充填開采工作面，支架、煤壁與矸石充填體（及破碎的直接頂）共同承載上覆巖層載荷，所需的支護強度減小［8］。然而，充填綜采要求工作面揭露頂板至充填，頂板下沉量最小，以預留最大的空間對采空區進行充填。根據使用礦井實測，充填工作面采用與常規支架相同的支護阻力，監測頂板初始最大下沉量達340mm，由于其不可恢復性，造成充填空間減小，大大影響了充填效果。

據此，六柱支撐式固體充填采煤液壓支架，在吸取了以往固體充填支架優點的同時［9］，并根據實際運用效果對其進行了改進，其主要特點敘述如下：

①增設后立柱，提高后頂梁支護阻力。考慮到上述在實踐中遇到的問題，小的支護阻力無法很好地控制頂板初始下沉量，造成充填空間的減小，不利于達到理想的充填效果。六柱支撐式充填支架增設了后頂梁立柱，提高了后頂梁的支護強度，保證了充填空間的最大化。②增加下部壓實機構，并提高壓實力。研究表明，提高充填體自身的密實度及充填率、接頂率等，可以極大地控制上覆巖層的下沉變形。六柱式支架增設下部壓實機構，實現了對充入采空區的充填體的全斷面壓實，使之能充分接頂，并且在較高壓實力作用下，提高充填體的密實度，增大其自身抗壓性能。③整體提高支架的支護阻力。一方面實施充填工藝加大了支架的空范圍；另一方面為保證支架整體受力均衡，支架前后立柱支護阻力應在一相當的范圍；再者，支架阻力加大，有利于限制上覆巖層整體下沉量，增大充填空間。

1.3 壓實機構原理及特點

固體充填采煤技術直接采用固體物料充填采空區，由于固體物料自身成松散狀，通過充填輸送機卸落成自由堆放狀態，具有較大的壓縮量，且無法充分接頂，不能對頂板起到很好的支撐作用。因此，需研制與固體充填采煤技術相適應的設備來保證充填效果。

壓實機構在固體物料充填入采空區后，對物料進行壓實，使其達到一定的密實度，具有較小的壓縮量，控制頂板下沉量，從而將地面變形控制在要求范圍內。為實現全斷面壓實，壓實機設計分為上、下兩部壓實機。上部壓實機對上部充填物料進行壓實，下部壓實機對下部充填物料進行壓實，同時阻止充填物料進入支架工作空間。壓實機構如圖1所示。

上部壓實機由兩個水平壓實油缸、一個調高油缸、一塊壓實板、兩個立柱組成。下部壓實機由水平油缸、內箱體及外箱體三部分組成。

2 固體充填采煤支架與圍巖相互作用及力學分析

2.1 支架與圍巖作用關系

固體充填綜采在充填支架的掩護下，前端割煤、運煤，后端進行采空區充填，使得整個工作面一直以開切眼的形式往前推進。實測表明，充填開采后，老頂基本處于彎曲下沉狀態，周期破斷步距增大，后部充填體在上覆巖層載荷作用下，逐漸被壓實，支撐頂板及上覆巖層的下沉移動，如圖2所示。

圖2 支架與圍巖作用模型

在此種開采方式下，整個采面上覆巖層中形成的結構，是 “煤壁－支架－充填體”支撐體系，充填體占據了上覆巖層下沉空間，有效控制了老頂的破斷及回轉，極大地減弱了老頂破斷回轉對支架造成的沖擊載荷。與傳統垮落法開采不同，充填支架除需要平衡上覆巖層壓力外，還要最大可能地控制直接頂的下沉變形，以保證充填空間的最大化，有利于向采空區盡可能多的充入充填物料，達到控制上覆巖層的下沉變形。

2.2 支架與直接頂力學模型分析

充填開采形成了煤壁－支架－充填體，共同支撐上覆巖層載荷。支架的作用是支撐直接頂不發生離層，給頂板一個主動支撐作用。充填體在直接頂下沉過程中逐漸被壓實，其對頂板的支撐力是一個逐漸增加的過程。根據支撐式液壓支架的支撐力特點［10］，及六柱式支架結構特征，建立如圖3所示直接頂受力力學模型。

圖3 支架及充填體與直接頂作用力學模型

圖3中a、b分別為支架中間立柱到前、后頂梁端的距離；q為支架作用直接頂最大集度；q0’為支架后方直接頂作用給充填體的載荷；q’為充填體作用直接頂最大集度。

支架后方直接頂上覆載荷等效作用，在C點一個集中力F和彎矩M0，以C點分別建立各分力的彎矩方程，并根據邊界條件，即按最理想充填效果，C點繞度yc為零，利用莫爾積分計算其繞度：

計算支架對直接頂分布載荷最大集度：

在支架與直接頂相互作用的體系中，支架與直接頂相互是作用力與反作用力的關系。建立的支架頂梁力學模型，如圖4所示。

圖4 六柱式支架頂梁力學模型

圖4中A、B、D分別為立柱對頂梁的約束，立柱支撐力的垂直分力，即為以上三處的支座反力FA、FB、FD；l1、l2、l3、l4、l5為頂梁與立柱以及各立柱之間的間距。該模型為多跨靜定梁，從C點起計算：

再以B點分析計算：

根據上式，可以分別計算支架各立柱的垂直分力以及支架整體支護阻力。

3 固體充填采煤支架移架過程及特征分析

3.1 支架在回采中的移動形態

工作面支架對頂板的支護，分為升架護頂、降架、移架過程。六柱支撐式充填液壓支架由六根立柱支撐，升架過程如圖5所示，分為前頂梁端部與頂板接觸 （位態Ⅰ）、前頂梁與頂板接觸 （位態Ⅱ）、后頂梁與頂板接觸的過程 （位態Ⅲ）。升架過程中，前立柱和后立柱分別由兩組液壓閥控制，前頂梁的梁端先與頂板接觸，隨著繼續送液，前頂梁逐漸與頂板接觸，直至達到其初撐力；后立柱是隨著前立柱的升起而升起，必須與前立柱配合送液，最后達到整架初撐力。

圖5 升架過程示意圖

在降立柱移架的過程中，由于與常規的雙立柱或四立柱相比，支架控頂范圍大，不僅增加了立柱的數量，而且在結構方面增設了后頂梁，因此，移架操作方式具有多樣性。研究表明，不卸載或部分卸載移架時有利于控制頂板，六柱式支架移架時盡量采用此方法。①前頂梁帶壓移架。在移架的過程中，后頂梁立柱完全卸載，前頂梁降低其工作阻力，擦頂前移。②后頂梁帶壓移架。支架前移時，前頂梁四立柱卸載降架，后頂梁立柱降低工作阻力，保持與頂板接觸，帶壓前移。③完全卸壓移架。支架立柱完全卸載，在遷移千斤頂的拉力作用下，前后頂梁不接觸頂板整體前移。

3.2 支架移動中結構受力特征

不同圍巖條件，選擇合理的移架方式，一方面保證了作業空間安全，再者減小了移架阻力，加快了移架速度。上述三種移架方式，第一種方式，由于承受頂板載荷大，使得支架與巖層間摩擦力增大，且在頂板不平時，可能發生支架插頂現象，造成移架緩慢。支架受力分析如圖6所示：F＝（G＋2qL1）λ，其中：F千斤頂拉力；q為頂板載荷；P為支架支撐力；f1、f2為摩擦力；λ為摩擦系數；G為支架重量；L1支架頂梁長度。

圖6 前頂梁帶壓移架受力

第二種方式，前頂梁完全卸載后，頂板巖層載荷發生轉移，老頂回轉角加大，加劇了充填體和支架后頂梁的受力。在移架過程中，支架將會形成繞中立柱A點轉動的扭矩，從而造成前立柱受拉拔力，因而在實踐中盡量減少此種移架方式。其受力分析如圖7所示：N＝q L1λ（m＋L2tanα）／L3，其中：m為采高；α為支架前頂梁與頂板夾角；L2、L3支架立柱間距；N前立柱所受拉拔力；其余與上相同。

第三種移架方式，是在頂板條件很穩定的情況下采用，其前后頂梁完全卸載，基本不承受上覆頂板巖層載荷，移架速度快。

4 結論

（1）六柱式充填支架設置的壓實機構，可以對充填物料施加側向壓實力，保證了充填體的密實度和接頂效果；加設的后頂梁立柱，有效地控制了直接頂的初始下沉量，盡可能大地增加了充填空間；支架整體工作阻力的增大，減緩了上覆巖層的下沉，有利于控制地表沉陷變形。

圖7 后頂梁帶壓移架受力

（2）固體充填采煤形成了 “煤壁－支架－充填體”共同支護上覆巖層的支撐體系，并根據支撐式液壓支架支撐力特征，初步建立了支架與圍巖相互作用力學模型，簡要分析了達到理想充填效果時支架最大集度載荷和各立柱受力情況。

（3）六柱式充填支架升架采用從前至后的順序升立柱至頂梁接頂，移架方式分為前頂梁帶壓移架、后頂梁帶壓移架和完全卸載移架三種方式。其中，后頂梁帶壓移架方式會使前立柱產生拉拔力，可能造成立柱的損壞；完全卸載移架方式不利于頂板管理，只適合在頂板條件較好的情況下采用。

［1］ 張吉雄，繆協興，郭廣禮．矸石 （固體廢物）直接充填采煤技術發展現狀 ［J］．采礦與安全工程學報，2009，26（4）：395－401．

［2］ 惠功領．我國煤礦充填開采技術現狀與發展 ［J］．煤炭工程，2010 （2）：21－23．

［3］ 張文海，張吉雄，趙計生，等．矸石充填采煤工藝及配套設備研究 ［J］．采礦與安全工程學報，2007，24 （1）：79－83．

［4］ 繆協興，張吉雄，郭廣禮．綜合機械化固體充填采煤方法與技術研究 ［J］．煤炭學報，2010，35 （1）：1－6．

［5］ 繆協興．綜合機械化固體充填采煤礦壓控制原理與支架受力分析 ［J］．中國礦業大學學報，2010，39 （6）：795－801．

［6］ 王國法．液壓支架技術體系研究與實踐 ［J］．煤炭學報，2010，35 （11）：1903－1908．

［7］ 王國法．煤礦高效開采工作面成套裝備技術創新與發展［J］．煤炭科學技術，2010，38 （1）：63－68．

［8］ 王家臣，楊勝利．固體充填開采支架與圍巖關系研究 ［J］．煤炭學報，2010，35 （11）：1821－1826．

［9］ 畢錦明．物料充填開采液壓支架的研究 ［J］．煤炭科學技術．2010，38 （11）：85－89．

［10］ 錢鳴高，石平五．礦山壓力與巖層控制 ［M］．徐州：中國礦業大學出版社，2003．