ZZ6000/18/38 型支架在石炭系煤層的改造

李大慶

0 前言

大同煤礦集團公司侏羅系煤層逐漸減少，但下部石炭系煤層賦存豐富開采能力，研究大同煤田石炭系煤層的開采支護成為同煤集團能否持續(xù)均衡科學發(fā)展的重大課題。隨著老礦工作面的延深，煤層地質條件發(fā)生了巨大的變化，從頂、底板堅硬且煤層發(fā)育相對穩(wěn)定的侏羅系煤層延深到了頂?shù)装逵捕鹊颓颐簩影l(fā)育極不穩(wěn)定的石炭系煤層，制造這種條件下的采煤支護設備就成為煤機制造行業(yè)的1 項重要課題。

在總結國內外相關煤層液壓支架制造使用經驗后，重點研究大同煤礦集團燕子山礦ZZ6000/18/38型液壓支架在石炭系煤層的應用。

1 改造前ZZ6000/18/38 型支架在石炭系煤層的使用

1.1 支架的工作特征

（1）底板起伏不平，支架底座接底狀況很差，偏載狀況嚴重，使得四連桿機構縱向受力時左時右，構件受側向力沖擊較大；

（2）放頂前支架工作阻力普遍呈增阻狀態(tài)，增阻幅度前柱大于后柱；放頂后支架的工作阻力普遍下降，但下降幅度后柱大于前柱；

（3）底板橫向起伏，梁端距控制比較困難。

1.2 支架的承載狀況

放頂時后部出現(xiàn)空洞，前立柱受上部煤巖的壓力影響，阻力普遍大于后立柱，前后立柱阻力差值一般為3 MPa～18 MPa。而后立柱在放頂時，受垮落頂板煤巖的沖擊，前后立柱循環(huán)阻力變化較大，變化值一般在1 MPa～20 MPa 之間。放頂結束10 min～30 min，立柱阻力逐漸增大，一般升高值為10 MPa～18 MPa，后部受拉狀態(tài)占整個開采過程的20%左右。而且，由于底板起伏，支架側向交替受力較明顯，出現(xiàn)四連桿偏向交替受力，甚至將底座主筋拉斷或切斷前后連桿與底座的鉸接銷軸，側向受力交替值一般在-11 MPa～+23 MPa 之間（-號為壓力，+號為拉力）。

石炭系采區(qū)頂板一般為砂質頁巖、泥巖、粉砂巖等，頂板比較松軟，較易垮落，且厚度極度不均勻，放頂?shù)膭偠龋ê穸龋┳兓瘜χЪ芮昂罅⒅某休d產生影響。隨著放頂厚度的增大，剛度減小；隨著放頂強度的增大，剛度增大。這種變化無疑對支架的承載產生影響，尤其是支架前后柱阻力的影響。

1.3 支架穩(wěn)定性

由于支架支撐高度較大，各部件用銷軸連接，銷軸與孔之間存在軸向間隙，即使在水平的工作條件下，也會產生支架歪斜、扭轉。而石炭系煤層底板起伏較大，造成支架橫向不穩(wěn)定現(xiàn)象。[1]

1.4 生產工作中的問題

在采煤過程中，梁端距變化比較大。大同地區(qū)中厚煤層支架的梁端距一般在400 mm～500 mm 之 間，割煤后、移架前，水平開采條件下，支架梁端距增加到1 000 mm～1 300 mm，這部分頂板得不到支護，容易產生冒頂，威脅工作面設備和人員的安全。因此，采煤過程中應該盡可能地支護這一部分裸露的頂板，采取及時支護措施。采煤機發(fā)生仰采時，采煤機的滾筒就有可能割支架的頂梁；俯采時，采煤機滾筒呈現(xiàn)前赴狀態(tài)，梁端距可能會增大，有時甚至達到1 800 mm 左右，給支護帶來更大的困難，甚至使支架出現(xiàn)失穩(wěn)，呈現(xiàn)前栽頭趨勢。

2 ZZ6000/18/38 型支架改造設計

（1）為了解決四連桿側向、交替受力，易損壞構件的現(xiàn)象，采取以下措施：

①支架一般采用雙前連桿，后連桿采用整體式雙鉸接結構，以便使四連桿受力均衡，提高四連桿結構強度；②支架頂梁、掩護梁增設強力活動側護板，調整與鄰架間正常距離；③盡量增加底座寬度及底座結構的穩(wěn)定性；④增加支架結構件及連接耳板的厚度及強度，保證橫向歪斜時的抗扭性能；⑤四連桿機構之間的孔軸配合間隙不超過0.75 mm[1]；⑥增加底座長度，降低對底板比壓，同時提高底座主筋的抗拉斷面，增強其抗拉強度；⑦調整掩護梁背板與水平面的夾角，一般當支架最大高度時為52°～62°，[2]提高掩護梁的抗扭性能；⑧調整支架最大高度時后連桿與水平面夾角，一般為75°～85°，從力學的角度提高后連桿的抗扭能力。

（2）為了解決前后立柱阻力不均勻，甚至出現(xiàn)拔后柱現(xiàn)象，采取以下措施：

①支架頂梁設計為帶鉸接前梁的結構，可以適當提高支架頂梁部位的讓壓能力；②四連桿機構設計時，優(yōu)化其參數(shù)，將支架降低時頂梁垂直方向行程的運動雙紐線呈前突狀態(tài)，使頂梁對頂板煤巖的作用分力指向煤壁，防止梁端部位頂板下沉或者冒落；③增大支架四連桿運動瞬心點O 與支架的水平距離，提高支架前后部受力的均衡度，減小拔后柱力矩；④合理布置、適當增大頂前后柱帽中心距，前立柱柱帽位置應盡量前移，增大支架頂梁受外載時的平衡區(qū)域，提高支架前后部受力的均衡度；⑤支架選型設計時，適當將支架的支護阻力提高一些，使支架外載合力作用點。

（3）提高支架抗沖擊能力，應采取以下措施：

①選用1 000 L/min 的大流量安全閥，保證泄壓速度，提高立柱抗沖擊能力[3]；②對受沖擊載荷較多的放頂煤支架后立柱增加缸筒壁厚，提高抗沖擊能力；③后立柱改實心活柱為空心活柱，使缸筒與活柱空心腔相通，增加沖擊時液體緩沖能力；④增大管路回液能力，回液出口一般比進液口小一個流量等級（按照每分鐘流量），甚至要與進液口相同，減少液體流動阻力，盡量增大緩沖能力。

（4）為了提高支護效率，防止梁端部位頂板冒落，控制好梁端距，應采取以下措施：

①采用有伸縮功能的頂梁結構，使頂梁割煤后及時伸出，支護頂板，防止冒落[4]；②盡量改善護幫板的護幫和臨時支護功能，護幫板完全伸開時能夠伸平甚至上翹5°，及時支護頂板[5]。（優(yōu)化后見圖1）

圖1 ZZ6000/18/38 型支架（結構優(yōu)化后）

3 結語

經過幾年的研究分析與總結，老結構的液壓支架已經不能適應同煤集團石炭系煤層的開采支護，因此新結構液壓支架的開發(fā)迫在眉睫。ZZ6000/18/38 型液壓支架的研制在同煤集團燕子山礦投產運行，可以很好地適應石炭系煤層的開采，而且穩(wěn)定性好。不僅適應了該礦石炭系煤層的開采，也為在全新的地質條件下液壓支架的選型提供了可靠的依據(jù)，保證了現(xiàn)代煤礦綜采高產高效、快速推進的要求。

[1]王國法.大采高技術和大采高液壓支架的開發(fā)研究[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2010：104.

[2]魯忠良.煤礦液壓支架的實用安全理論及技術[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2009：49.

[3]劉大同.特厚煤層大采高綜放設備的研發(fā)[J].煤礦機電，2011（1）：31-35.

[4]王國法.液壓支架技術[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2002：38.

[5]趙宏珠.采煤工作面液壓支架設計[M].北京：世界圖書出版社，1987：97.