7m 液壓支架的設計與工業性試驗研究

落國祥

（山西王家嶺煤業有限公司，山西 忻州 036600）

1 項目概況

厚度7m 左右的煤層在我國有著豐富的儲量，分布十分廣泛。在神華神東礦區、趙莊礦、王家嶺煤礦、安太堡礦以及陜西一些礦區均有7～8m 厚的煤層。在我國已發展采高6m 左右煤層大采高綜采成功的基礎上，為了進一步加大采高，應盡量實現7m 左右厚煤層見頂見底開采，以真正實現一次采全高，安全可靠實現大采高綜采工作面高產高效，促進煤炭科學技術發展，提高礦區開采的經濟效益。王家嶺煤礦進行了7m 左右厚煤層大采高開采的調查研究，并提出針對22303 工作面煤層賦存條件開發7m 支架，進行以7m 支架為代表的綜采成套設備研究，工業性試驗結果理想。

2 7m 液壓支架的設計及技術參數確定

2.1 支架工作阻力及支架支護強度的確定

根據擬用7m 支架煤層賦存條件的分析，依據大采高液壓支架工作面礦壓特點和支架工作阻力及支架支護強度確定方法，結合配套斷面設計要求，對支架縱向穩定性的優化設計，確定支架工作阻力為17000kN，支架的平均支護強度為1.41～1.44MPa。

2.2 支架結構高度

（1）液壓支架：中部支架，ZY17000/32/70D型 掩 護 式 液 壓 支 架，139 架； 過 渡 支 架，ZYG17000/29/62D 型掩護式過渡支架，4 架（回風巷、運輸巷各2 架）；端頭支架，ZYT17000/27/55D 型掩護式端頭支架，8 架（回風巷、運輸巷各4 架）。

（2）采煤機：最大采高為6.8m，裝機功率為3000kW。

（3）刮板輸送機：槽內寬1350mm，裝機功率不小于3×1200kW。

（4）泵站：單臺支架所需流量不小于1500L/min，供液壓力不低于31.5MPa。

支架采高由順槽的4.4m 過渡到中部的6.8m（過渡段的相鄰支架間高差為240mm）。運輸巷布置4架端頭支架、2 架過渡架、1 架中部支架，回風巷、運輸巷的支架對稱布置。端頭支架的工作高度為4.4～4.64m，過渡支架的工作高度為4.88～5.12m，中部支架的工作高度為5. 36～6.8 m。

因此，端頭支架的結構高度為2.7～5.5m，過渡支架的結構高度為2.9～6.2m，中部支架的結構高度為3.2～7.0m，支架的高度比較合理，能滿足工作面的正常支護要求。

2.3 支架的主要技術參數、性能及結構特點

（1）支架型號：ZY17000/32/70D 型兩柱掩護式液壓支架（如圖1 所示）。

圖1 ZY17000/32/70D 型兩柱掩護式液壓支架

（2）支架高度：3200～7000mm。

（3）工作阻力：17000kN（43.3MPa）。

（4）初撐力（增壓后）：12370kN（14923kN，38MPa）。

（5）支護強度（f=0.2，H=5.0～7.0m）：1.41～1.44 MPa（如圖2 所示）。

圖2 7m 支架不同高度與支護強度的關系曲線

（6）支架中心距：2050mm。

（7）移架步距（有效行程）：865（960）mm。

（8）移架/推溜力：1546/745 kN。

（9） 對 底 板 平 均 比 壓（f=0.2，H=5.0～7.0m）：2.77～2.79MPa（如圖3 所示）。

圖3 7m 支架不同高度對底板比壓的關系曲線

（10） 前 端 對 底 板 最 大 比 壓（f=0.2，H =5.0～7.0m）：1.79～3.42MPa。

（11）控制方式：電液控制。

（12）單臺支架完成一個工作循環時間：理論計算9.21s。

（13）支架寬度：1950～2200mm。

（14）支架單重：不大于63t。

（15）支架 運輸 尺寸（長× 寬× 高）：9400mm×1950mm×3200mm。

（16） 立 柱 規 格： 大 缸 外 徑/ 內 徑，Φ580/500mm（材料27SiMn）（如圖4 所示）；中缸外徑/內徑，Φ465/360mm（材料27SiMnA）；活柱外徑，Φ320mm（實心）（材料27SiMn）。

圖4 7m 支架立柱結構

通過以四連桿機構受力最小、縱向尺寸最緊湊為目標函數進行充分優化設計。支架前連桿的最大受力為工作阻力的51.5%，后連桿的最大受力為工作阻力的45.5%。前、后連桿的受力曲線如圖5 所示。

圖5 7m 支架不同高度前、后連桿的受力曲線

2.4 支架主要結構特點

（1）支架采用整體頂梁帶1100mm 的伸縮梁結構形式，并設有增壓增力復合三級護幫機構，伸縮機構和護幫機構互相獨立。

（2）每個立柱下腔上設兩個安全閥，一個流量為500L/min，另一個流量不小于2000L/min，提高立柱的反應速度和抗沖擊能力。考慮目前國外該閥現狀，建議采用兩個流量為1350L/min 的安全閥。

（3）支架設3 個人行通道，即立柱前、立柱后部的上下通道。其中，立柱后部下通道寬大于600mm，高2000mm；立柱后部上通道寬大于600mm，帶護欄，每隔5 架和兩端設置上下過渡梯。

2.5 過渡支架和端頭支架的情況

過渡支架和端頭支架的結構形式和中部支架類似，只是根據配套使用情況將支架的結構高度、頂梁長度、頂梁形式等做相應調整。

3 7m 支架的工業性試驗研究

3.1 工作面概況

王家嶺煤礦22303 工作面埋深129～280m，基巖厚度為120～250m，順槽掘進時留有頂煤沿底板掘進。直接頂厚0.96～4.2m，以粉質泥巖為主；直接底厚0.85～15.25m，以泥巖、粉巖為主。以王家嶺煤礦22303 工作面為開采對象，設計7m 支架綜采成套設備進行初步工業性試驗。

3.2 工作面綜采成套設備選型

22303 工作面長301m，推進長度為4965m，共使用152 臺支架。其中機頭機尾端頭架使用ZY12000/28/55 型液壓支架7 臺，機頭機尾過渡架使用ZY12000/28/63 型液壓2 臺，中部使用ZY16800/32/70 型液壓支架143 臺。工作面采煤機為JOY 公司7LS7 型采煤機，工作面運輸設備為DBT3×1000型刮板輸送機，中部槽為西北奔牛1.2m槽寬、2.05m長中部槽，配套DBT公司522型破碎機，帶式輸送機選用SSJ160/400/3×500 型帶式輸送機。

3.3 工業性試驗及效果分析

王家嶺煤礦22303 工作面于2016 年12 月31日投入生產，采取一日三班工作制，白班檢修4h，生產4h，中班和晚班各生產8h。初步試驗累積推進400m，過煤量為110×104t。

該工作面試驗期間采高為6.2～7.0m，采煤機牽引速度為5m/min，每刀煤約2200t，最高日產2.2×l04t。經礦壓觀測得知：工作面推進距開切眼63m 時，頂板初次來壓，支架下縮量大，最大下縮量位于第102～131 架之間，其下縮量高達1.2～1.3m；周期來壓步距為13～17m，壓力相比采高6.2m 時無明顯變化。

ZY16800/32/70 型液壓支架基本滿足7m 工作面使用要求，但是該支架也存在以下問題：護幫、伸縮梁動作慢；護網不可靠；一級護幫油缸不易更換；部分油缸接頭座、閥座、主進回液管焊接質量差。這些都需要在以后的設計中進行改進。