邢東礦超高水分體式液壓充填支架設計與應用

閆慶國

摘 要：該文介紹了超高水分體式液壓充填支架的研制思路、結構設計、主要參數設定及工業性試驗情況。該型支架首次實現5m一次采高全高超高水材料充填開采，并且首次采用分體設計，實現了開采和充填的同步進行，充分利用了充填凝結時間，提高采煤效率。同時地面下沉保持在26mm左右，建筑物變形在“三下”規程Ⅰ級破壞之內，達到設計要求。

關鍵詞：充填支架 支架結構 超高水充填

中圖分類號：TD355 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（b）-0082-02

1 超高水充填液壓支架研制

1.1 設計思路

對于長期使用的整體式支架而言，前、后部掩護支撐梁只能實現兩個步距的開采和充填，而且需要足夠的高水凝固時間，一臺支架同時實現充填和采煤就很困難，一天只能完成一個作業循環，為了提高采煤充填工作面日產水平，實現超高水充填采煤作業模式下的高產、高效，本課題研究重點解決采煤與充填分離作業，實現采煤與充填互不干預、平行作業，從而充分利用高水凝固時間，加快作業循環，縮短循環周期，提高生產效率。

基于上述設計理念和指導思想，初步考慮將該型充填支架的基本結構分為前、后兩部分，前端支架主要實現前半部分頂板支護與煤壁支護，使后端支架實現充填及完成后面采空區的頂板支護，支架前部以滿足正常的綜合機械化采煤，后部支架實現采空區超高水充填作業，在前、后分體式支架的中間采用液壓缸和導向桿連接，實現前支架每走三個步距，后面進行一次充填，通過前后架協調配合作業，達到采煤充填同時進行，減少了等候時間，提高了人員、裝備等工作效率。

1.2 超高水充填液壓支架結構設計

1.2.1 邢東礦超高水充填液壓支架結構設計

以邢東礦1126超高水充填工作面液壓支架為研究對象，依托鄭州四維機電設備制造有限公司進行結構設計、試驗和加工制作，通過礦方與生產廠家多次商討、溝通和方案修改，研制人員借助于理論計算、數據模擬等實驗手段，綜合研究分體式液壓支架的基本結構、動作原理、受力分析及穩定性，并結合邢東礦井下地質條件，煤層走向、頂底板破碎程度等因素，通過中國礦業大學超高水材料研制人員提供的的超高水材料制備、輸送、流動性、混合凝固等特性，研究該型分體式液壓支架在回采與充填作業中的基本工藝和關鍵技術。

1.2.2 在超高水充填液壓支架在設計過程中考慮的幾個主要因素有：

該支架支護強度與邢東礦采煤充填試驗工作面礦壓相適應；支架結構與煤層賦存條件相適應；支護斷面與采煤充填試驗工作面通風要求相適應；推移連接裝置與采煤機、刮板輸送機、后面充填設備相匹配。在滿足以上幾個條件的基礎上，該型超高水充填液壓支架還應具備以下功能：

（1）該型分體式超高水充填液壓支架必須具備合理的調高范圍，以適應工作面在推進過程中不同階段采高；

（2）該型分體式超高水充填液壓支架為采煤機司機等作業人員通過時提供足夠的空間；

（3）該型分體式超高水充填液壓支架針對邢東礦采區煤層賦存條件，滿足其現在和今后一段時期煤層變化的要求；

（4）該型分體式超高水充填液壓支架應滿足煤礦作業規程和邢東礦支架工對液壓支架操作習慣要求，并解決好支架充填作業、對頂底板的適應性和穩定性的支護管理；

（5）該型分體式超高水充填液壓支架運用計算機設計手段對四連桿機構進行參數優化、受力分析和結構強度有限元分析，保證動作靈活可靠；在保證安全性、可靠性條件下，改善支架受力狀況，提高支架支護能力，盡量減輕支架重量和外形尺寸，以滿足該型支架地面解體、地面裝運、井口提升、井下運輸、井下組裝、工作面就位等現場環境和運輸設備條件。

為此，該型超高水充填液壓支架在幾個關鍵部位進行如下結構優化和設計：

a、支架采用前后置型式，前后支架穩定機構均采用四連桿機構。前架采用三柱支撐掩護式型式，后架采用兩柱掩護式型式，如圖1。

b、前后架連桿采用交錯偶合布置，保證支架設計結構緊湊，減小頂梁支護長度。

C、前部支架設計Φ180 mm倒裝推移千斤頂，保證前架移架推溜的正常作業。前后支架通過圓柱鉸接推移框架連接，后拉架千斤頂布置在后推移框架上方，前端與前推移框架連接，后架前移時以后推移框架為導向。

d、后架拉架千斤頂采用剛性保護套結構，以免活塞桿直接暴露在外，易被頂板落砟或雜物砸壞。

e、后架上連桿鉸接孔處擋板座與主筋設計為一體，既加大了上連桿寬度，又減少了擋板座突出與前架連桿干涉的問題。

f、后底座后端采用伸縮擋板機構，與后探梁形成一個封閉空間，防止充填高水流入支架前部。伸縮擋板結構側面設置伸縮密封裝置。

h、后底座前端大圓弧斜面過渡，以方便后部支架移動。

i、前后架均設置底調千斤頂，便于調整支架狀態，使前后架盡量保持平直。

j、前后架間伸縮梁特殊結構設計，伸縮梁與頂梁內主筋配合缺口采用倒喇叭口，保證伸縮梁缺口處不塞矸。

k、該型分體式高水充填支架的前置支架的后端和后置支架的前端都設計有伸縮梁結構，前后架伸縮梁均留有固定環，便于現場采用鏈條等軟連接，方便伸縮梁協同運動。當伸縮梁伸出后，可減少架間漏矸，保護架間作業人員人身安全。

1.3 超高水充填液壓支架主要參數設計依據

（1）支架高度

首先確定支架適用煤層的平均截高，然后確定支架高度。

支架最大結構高度：

（1）

支架最小結構高度：

（2）

Mmax、Mmin為煤層最大、最小截高，該工作面最大采高為4700 mm；最小采高為4000 mm。

S1考慮偽頂冒落的最大厚度。大采高支架取200～400 mm。endprint

S2考慮周期來壓時的下沉量、移架時支架的下降量和頂梁上、底板下的浮矸之和。大采高支架取500～900 mm，該型支架取750 mm。

（2）支護強度和工作阻力

頂板所需支護強度取決于頂板等級和煤層厚度。制訂不同頂板等級的支護強度標準，支護強度按經驗公式（3）估算：

（3）

K——作用于支架上的頂板巖石厚度系數，一般取5～8；

M——截高，取4500mm；ρ ——巖石密度，一般取2.5×103kg/m3

支架支撐頂板的有效工作阻力按（2.4）計算：

（4）

F——支架的支護面積，m2，按式（2.5）計算：

（5）

L——支架頂梁長度，m；

C——梁端距，m；

B——支架頂梁寬度，m；

K——架間距，150 mm

（3）中心距和寬度

支架中心距一般等于工作面一節溜槽長度。液壓支架中心距大部分采用1.5m。大采高支架為提高穩定性，中心距可采用1.75m。

（4）初撐力

初撐力大小對支架的支護性能和成本有很大影響。較大初撐力能使支架較快達到工作阻力，減慢頂板的早期下沉速度，增加頂板的穩定性。但對乳化液泵站和液壓元件的耐壓要求提高。一般取初撐力為（0.6～0.8）倍的工作阻力。

（5）移架力和推溜力

移架力與支架結構、質量、煤層厚度、頂板性質等有關。厚煤層支架為300～400 kN，推溜力一般為100～150 kN。

（6）梁端距和頂梁長度

梁端距是由于工作面頂板起伏不平造成輸送機和采煤機的傾斜，以及采煤機割煤時垂直分力使搖臂和滾筒向支架傾斜，為避免割頂梁而留的安全距離。支架高度越大，梁端距應越大。采用即時支護方式時，大采高支架梁端距取350～480 mm。

頂梁長度受支架型式、配套采煤機截深（該工作面選用MG500/1140-WD采煤機，落煤時截深為700 mm）、刮板輸送機尺寸（該工作面選用SGZ800/500型刮板輸送機）、配套關系及立柱缸徑、通道要求、底座長度、支護方式、煤層傾角等因素制約。

2 ZC12400/30/50分體式充填液壓支架工業性試驗

邢東礦1126工作面為ZC12400/30/50型液壓支架試驗工作面：長度60 m，工作面煤層平均采高為4.5 m，最大采高4.7 m，最小采高4 m，走向長501 m，傾斜長70 m，煤層平均傾角10.3°，可采儲量19.4萬t。工作面按傾斜長壁采煤法開采，使用機組（采煤機型號MG500/1140-WD）落煤，刮板輸送機（型號SGZ800/500）運輸，工作面使用ZC12400/30/50型液壓支架支護頂板，采用追機及時移架支護，煤壁片幫時超前支護；不完全垮落法和包式充填法管理頂板。

采空區充填工藝：根據超高水材料充填基本方法的適用條件，確定采用“采空區混合式充填方法”，一是將超高水充填材料輸送至采空區后，讓其自然流淌與漫溢；二是通過管路將其導引至預先安設于采空區的封閉空間或袋包內，使其按要求成形固結。利用充填支架進行頂板管理，保障正常采煤與掛包作業安全空間。勞動班次為“四六”制，平均月生產原煤4.6萬t。

3 結語

“邢東礦超高水充填工作面分體式液壓支架技術研究”項目結合現場實際狀況和具體的地質條件，通過理論計算、數值模擬及現場測試等手段進行了1126充填工作面充填工藝的研究，研發的超高水填充液壓支架突出特點是：

（1）研發采煤—充填分體式液壓支架，采用創新型的分體式構造，不僅可以起到采煤時對頂板的及時支護，還可同時實現采空區的填充，有效利用超高水凝固等待時間，提高工作效率，真正意義上實現了支護填充一體化。

（2）優化支架結構，實現在長支架結構下有效支護工作面，減少巷道變形，提高充填效率。并在支架設計細節上充分考慮超高水充填工藝中的實際問題，使之操作更加便捷。從而在根本上減少井下開采對地面的影響，并保證回采作業效率。

參考文獻

[1] 馮光明，王成真，李鳳凱，等.超高水材料開放式充填開采研究[J].采礦與安全工程學報，2010，27（4）：453-457.

[2] 王成真，馮光明.陶一礦超高水充填材料采空區減沉效果分析[J].能源技術與管理，2011（1）：73-75.

[3] 閆少宏，張華興.我國目前煤礦充填開采技術現狀[J].煤礦開采，2008，13（3）：1-3.endprint

S2考慮周期來壓時的下沉量、移架時支架的下降量和頂梁上、底板下的浮矸之和。大采高支架取500～900 mm，該型支架取750 mm。

（2）支護強度和工作阻力

頂板所需支護強度取決于頂板等級和煤層厚度。制訂不同頂板等級的支護強度標準，支護強度按經驗公式（3）估算：

（3）

K——作用于支架上的頂板巖石厚度系數，一般取5～8；

M——截高，取4500mm；ρ ——巖石密度，一般取2.5×103kg/m3

支架支撐頂板的有效工作阻力按（2.4）計算：

（4）

F——支架的支護面積，m2，按式（2.5）計算：

（5）

L——支架頂梁長度，m；

C——梁端距，m；

B——支架頂梁寬度，m；

K——架間距，150 mm

（3）中心距和寬度

支架中心距一般等于工作面一節溜槽長度。液壓支架中心距大部分采用1.5m。大采高支架為提高穩定性，中心距可采用1.75m。

（4）初撐力

初撐力大小對支架的支護性能和成本有很大影響。較大初撐力能使支架較快達到工作阻力，減慢頂板的早期下沉速度，增加頂板的穩定性。但對乳化液泵站和液壓元件的耐壓要求提高。一般取初撐力為（0.6～0.8）倍的工作阻力。

（5）移架力和推溜力

移架力與支架結構、質量、煤層厚度、頂板性質等有關。厚煤層支架為300～400 kN，推溜力一般為100～150 kN。

（6）梁端距和頂梁長度

梁端距是由于工作面頂板起伏不平造成輸送機和采煤機的傾斜，以及采煤機割煤時垂直分力使搖臂和滾筒向支架傾斜，為避免割頂梁而留的安全距離。支架高度越大，梁端距應越大。采用即時支護方式時，大采高支架梁端距取350～480 mm。

頂梁長度受支架型式、配套采煤機截深（該工作面選用MG500/1140-WD采煤機，落煤時截深為700 mm）、刮板輸送機尺寸（該工作面選用SGZ800/500型刮板輸送機）、配套關系及立柱缸徑、通道要求、底座長度、支護方式、煤層傾角等因素制約。

2 ZC12400/30/50分體式充填液壓支架工業性試驗

邢東礦1126工作面為ZC12400/30/50型液壓支架試驗工作面：長度60 m，工作面煤層平均采高為4.5 m，最大采高4.7 m，最小采高4 m，走向長501 m，傾斜長70 m，煤層平均傾角10.3°，可采儲量19.4萬t。工作面按傾斜長壁采煤法開采，使用機組（采煤機型號MG500/1140-WD）落煤，刮板輸送機（型號SGZ800/500）運輸，工作面使用ZC12400/30/50型液壓支架支護頂板，采用追機及時移架支護，煤壁片幫時超前支護；不完全垮落法和包式充填法管理頂板。

采空區充填工藝：根據超高水材料充填基本方法的適用條件，確定采用“采空區混合式充填方法”，一是將超高水充填材料輸送至采空區后，讓其自然流淌與漫溢；二是通過管路將其導引至預先安設于采空區的封閉空間或袋包內，使其按要求成形固結。利用充填支架進行頂板管理，保障正常采煤與掛包作業安全空間。勞動班次為“四六”制，平均月生產原煤4.6萬t。

3 結語

“邢東礦超高水充填工作面分體式液壓支架技術研究”項目結合現場實際狀況和具體的地質條件，通過理論計算、數值模擬及現場測試等手段進行了1126充填工作面充填工藝的研究，研發的超高水填充液壓支架突出特點是：

（1）研發采煤—充填分體式液壓支架，采用創新型的分體式構造，不僅可以起到采煤時對頂板的及時支護，還可同時實現采空區的填充，有效利用超高水凝固等待時間，提高工作效率，真正意義上實現了支護填充一體化。

（2）優化支架結構，實現在長支架結構下有效支護工作面，減少巷道變形，提高充填效率。并在支架設計細節上充分考慮超高水充填工藝中的實際問題，使之操作更加便捷。從而在根本上減少井下開采對地面的影響，并保證回采作業效率。

參考文獻

[1] 馮光明，王成真，李鳳凱，等.超高水材料開放式充填開采研究[J].采礦與安全工程學報，2010，27（4）：453-457.

[2] 王成真，馮光明.陶一礦超高水充填材料采空區減沉效果分析[J].能源技術與管理，2011（1）：73-75.

[3] 閆少宏，張華興.我國目前煤礦充填開采技術現狀[J].煤礦開采，2008，13（3）：1-3.endprint

S2考慮周期來壓時的下沉量、移架時支架的下降量和頂梁上、底板下的浮矸之和。大采高支架取500～900 mm，該型支架取750 mm。

（2）支護強度和工作阻力

頂板所需支護強度取決于頂板等級和煤層厚度。制訂不同頂板等級的支護強度標準，支護強度按經驗公式（3）估算：

（3）

K——作用于支架上的頂板巖石厚度系數，一般取5～8；

M——截高，取4500mm；ρ ——巖石密度，一般取2.5×103kg/m3

支架支撐頂板的有效工作阻力按（2.4）計算：

（4）

F——支架的支護面積，m2，按式（2.5）計算：

（5）

L——支架頂梁長度，m；

C——梁端距，m；

B——支架頂梁寬度，m；

K——架間距，150 mm

（3）中心距和寬度

支架中心距一般等于工作面一節溜槽長度。液壓支架中心距大部分采用1.5m。大采高支架為提高穩定性，中心距可采用1.75m。

（4）初撐力

初撐力大小對支架的支護性能和成本有很大影響。較大初撐力能使支架較快達到工作阻力，減慢頂板的早期下沉速度，增加頂板的穩定性。但對乳化液泵站和液壓元件的耐壓要求提高。一般取初撐力為（0.6～0.8）倍的工作阻力。

（5）移架力和推溜力

移架力與支架結構、質量、煤層厚度、頂板性質等有關。厚煤層支架為300～400 kN，推溜力一般為100～150 kN。

（6）梁端距和頂梁長度

梁端距是由于工作面頂板起伏不平造成輸送機和采煤機的傾斜，以及采煤機割煤時垂直分力使搖臂和滾筒向支架傾斜，為避免割頂梁而留的安全距離。支架高度越大，梁端距應越大。采用即時支護方式時，大采高支架梁端距取350～480 mm。

頂梁長度受支架型式、配套采煤機截深（該工作面選用MG500/1140-WD采煤機，落煤時截深為700 mm）、刮板輸送機尺寸（該工作面選用SGZ800/500型刮板輸送機）、配套關系及立柱缸徑、通道要求、底座長度、支護方式、煤層傾角等因素制約。

2 ZC12400/30/50分體式充填液壓支架工業性試驗

邢東礦1126工作面為ZC12400/30/50型液壓支架試驗工作面：長度60 m，工作面煤層平均采高為4.5 m，最大采高4.7 m，最小采高4 m，走向長501 m，傾斜長70 m，煤層平均傾角10.3°，可采儲量19.4萬t。工作面按傾斜長壁采煤法開采，使用機組（采煤機型號MG500/1140-WD）落煤，刮板輸送機（型號SGZ800/500）運輸，工作面使用ZC12400/30/50型液壓支架支護頂板，采用追機及時移架支護，煤壁片幫時超前支護；不完全垮落法和包式充填法管理頂板。

采空區充填工藝：根據超高水材料充填基本方法的適用條件，確定采用“采空區混合式充填方法”，一是將超高水充填材料輸送至采空區后，讓其自然流淌與漫溢；二是通過管路將其導引至預先安設于采空區的封閉空間或袋包內，使其按要求成形固結。利用充填支架進行頂板管理，保障正常采煤與掛包作業安全空間。勞動班次為“四六”制，平均月生產原煤4.6萬t。

3 結語

“邢東礦超高水充填工作面分體式液壓支架技術研究”項目結合現場實際狀況和具體的地質條件，通過理論計算、數值模擬及現場測試等手段進行了1126充填工作面充填工藝的研究，研發的超高水填充液壓支架突出特點是：

（1）研發采煤—充填分體式液壓支架，采用創新型的分體式構造，不僅可以起到采煤時對頂板的及時支護，還可同時實現采空區的填充，有效利用超高水凝固等待時間，提高工作效率，真正意義上實現了支護填充一體化。

（2）優化支架結構，實現在長支架結構下有效支護工作面，減少巷道變形，提高充填效率。并在支架設計細節上充分考慮超高水充填工藝中的實際問題，使之操作更加便捷。從而在根本上減少井下開采對地面的影響，并保證回采作業效率。

參考文獻

[1] 馮光明，王成真，李鳳凱，等.超高水材料開放式充填開采研究[J].采礦與安全工程學報，2010，27（4）：453-457.

[2] 王成真，馮光明.陶一礦超高水充填材料采空區減沉效果分析[J].能源技術與管理，2011（1）：73-75.

[3] 閆少宏，張華興.我國目前煤礦充填開采技術現狀[J].煤礦開采，2008，13（3）：1-3.endprint