大同煤田侏羅系使用支架在石炭系應用的分析研究

摘 要：文章通過對ZZ6000/18/38型新型液壓支架的結構分析，闡述了同煤集團山西組煤田石炭系開采工作面液壓支架的選型、設計方向的相關結構問題，為同煤集團所屬煤田開采的延伸工作提供了可靠的實踐依據，也為我們在石炭系煤層選型液壓支架方面提供了一套合理的理論依據。

關鍵詞：石炭系；液壓支架；結構選型；研發設計

前言

現今大同煤礦集團已初步構建成跨地區、跨行業、跨所有制的億噸級煤炭集團，而且侏羅系煤層儲存的逐漸減少，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了同煤集團能否持續均衡地科學發展的重大課題。隨著老礦工作面的延伸，煤層地質條件發生了巨大的變化，從頂、底板堅硬且煤層發育相對穩定的侏羅系煤層延伸到了頂底板硬度低且煤層發育極不穩定的石炭系煤層，制造這種條件下的采煤支護設備就成為煤機制造行業的一項重要課題。

為此，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研發制造和實踐應用。

1 石炭系液壓支架的使用特點

燕子山礦ZZ6000/17/37型支架的實踐證明：

（1）支架的工作特征。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；放頂前支架工作阻力普遍呈增阻狀態，而且增阻幅度主要是前柱大于后柱；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；底板橫向起伏，造成梁端距控制比較困難。（2）支架的承載狀況。采煤放頂過程時，后部出現空洞，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3～18MPa。而后立柱在放頂時，受垮落頂板煤巖的沖擊，造成前后立柱循環阻力變化較大，變化值一般在1～20MPa之間，待放頂結束10-30min之后立柱阻力逐漸增大，一般升高值10-18MPa，后部受拉狀態占整個開采過程的20%左右。而且，底板起伏原因，支架側向交替受力較明顯，出現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-11MPa～+23MPa之間（-號為壓力，+號為拉力）。（3）石炭系采區的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，放頂的剛度（厚度）變化對支架前后立柱的承載產生影響。隨著放頂厚度的增大，其剛度減小；隨著放頂強度的增大，其剛度增大，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。（4）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，造成支架橫向不穩定現象。[1]（5）通常在采煤過程中，梁端距變化比較大，大同地區中厚煤層支架的梁端距一般在400～500mm之間，割煤后，移架前，水平開采條件下，支架梁端距增加到1000～1300mm之間，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，采煤機滾筒呈現前赴狀態，梁端距可能會增大，有時甚至達到1800mm左右，給支護帶來更大的困難，甚至使支架出現失穩，呈現前栽頭趨勢。

2 支架設計采取的措施

（1）為了解決四連桿側向、交替受力，易損壞構件的現象，a.支架一般采用雙前連桿，后連桿采用整體式雙鉸接結構，以便增加四連桿受力均衡，提高四連桿結構強度；b.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；c.盡量增加底座寬度及底座結構的穩定性；d.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；e.四連桿機構之間的孔軸配合間隙不超過0.75mm[1]；f.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；g.調整掩護梁背板與水平面的夾角，一般在支架最大支護高度時夾角52°～62°為宜。[4]提高掩護梁的抗扭性能；h.調整支架最大高度時后連桿與水平夾角，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，甚至出現拔后柱現象，a.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功能。b.四連桿機構設計時，優化其參數，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，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。c.增大支架四連桿運動瞬心點O與支架水平距離，提高支架前后部受力的均衡度，減小拔后柱力矩。d.合理布置頂梁前后柱帽中心距，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域，提高支架前后部受力的均衡度。e.支架選型設計時，適當將支架的支護阻力提高，增強支架對頂板來壓特性的適應能力，減少頂梁合力前移的現象，預防前部受力，后立柱受拉。（3）提高支架抗沖擊能力，應采取以下措施：a.選用1000L/min的大流量安全閥，保證泄壓速度，提高立柱抗沖擊能力[3]；b.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；c.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；d.增大管路回液能力，設計回液出口時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：a.采用伸縮功能的頂梁結構，割煤后及時伸出，支護頂板，防止冒落[2]；b.盡量改善護幫板的護幫和臨時支護功能，要求護幫板完全伸開時，能夠伸平甚至上翹5°，及時支護頂板[5]。

3 結束語

經過幾年的研究分析與總結，老結構的液壓支架已經不能夠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迫在眉睫。新研制的ZZ6000/18/38型液壓支架在同煤集團燕子山礦投產運行后，很好地適應了石炭系煤層的開采工作，且穩定性好。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，保證了現代煤礦綜采高產高效，快速推進的要求。

參考文獻

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

[2]王國法.液壓支架技術[M].北京：煤炭工業出版社，2002：38.

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

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

[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.

作者簡介：李大慶（1977，7-），男，山西五臺，工程師，本科，研究方向：煤礦機械設計及制造方面。