高河能源ZC8500/22/40型充填液壓支架設計

劉少兵

(山西潞安煤炭技術裝備有限責任公司，山西 長治 046204)

高河能源為了解決嚴重的“三下”壓煤問題，實現(xiàn)綠色開采，延長礦井服務年限，決定進行充填開采項目試驗。充填液壓支架既要起工作面承載支撐頂板的作用，又要為割煤、充填工序提供作業(yè)空間，同時抵抗充填液壓支架后方充填漿料側(cè)向壓力、密封煤層頂?shù)装迮c支架間的間隙，保障人員安全，是影響充填開采效率和安全保障的關鍵設備，設計合理高效的充填支架尤為重要。

1 采高及工作阻力確定

1.1 支架高度及寬度

選定的3 號充填開采煤層厚度6.2～7.5 m，采用分層平均開采，先采上層再采下層，分層開采厚度 3.1～3.75 m，最大分層開采厚度 3.75 m。參考 MT/T556-1996《液壓支架設計規(guī)范》規(guī)定：液壓支架最大高度：Hmax=Mmax+(200-600)；最小高度：Hmin=Mmin-(500-800)。結(jié)合液壓支架高度參數(shù)優(yōu)選系列，考慮下分層開采和運輸?shù)男枰x取液壓支架最大高度4.0 m，最小高度2.2 m。匹配刮板輸送機溜槽長度選定支架中心距為 1.5 m，支架結(jié)構(gòu)寬度為 1.43～1.6 m。

1.2 支架工作阻力確定

充填開采工作面液壓支架一方面對頂板采空區(qū)和待充填區(qū)進行有效支護，控制充填漿料形成有效支撐前的頂板下沉量；另一方面在充填時，有效抵抗充填漿料的側(cè)壓力，保證隔離安全。支架工作阻力根據(jù)二者較大值確定：

1) 利用充填漿液側(cè)向力確定工作阻力[1]。充填液壓支架與頂板、底板之間的摩擦阻力應大于充填漿料的側(cè)向壓力，公式如下：

式中：P為支架工作阻力，kN；ρf為充填漿料密度，取19 kN/m2；L為充填漿料未凝固斜長；L=(Q×h)/(M×B)；f為頂梁頂板摩擦系數(shù)，取 0.2；α為工作面傾角，取8°；Lp支架中心距，取1.5 m；M為煤層采高，取最大值3.75 m；Ks為系數(shù)，一般為0.6～0.85，本文取0.75；Q為充填泵輸送流量，取500 m3/h；h為漿料初凝時間，取2 h；B為充填步距，1.6 m。

將各參數(shù)代入上式計算得：P=8 336 kN。

2) 采用倍數(shù)巖重法計算。倍數(shù)巖重法計算公式[2]：

q=n×M×γ

式中：q為支護強度，kN/m2；M為工作面采高，取3.75 m；γ為巖石容重，取27 kN/m3；n為不同條件下的巖重倍數(shù)，取n=7。

經(jīng)計算：q=708 kN/m2，考慮支護強度1.2倍富裕系數(shù)，支護強度確定為850 kN/m2。

支架工作阻力值主要取決于支護強度和支護頂板的控頂面積S。選取S=l×Lp=5.9 m×1.5 m=8.85 m2(l為支架支護頂板長度)，則支架工作阻力P=q×S=7 523 kN。

根據(jù)計算結(jié)果，同時類比高河能源綜放工作面液壓支架工作阻力，綜合選定支架架型為ZC8500/22/40型充填液壓支架。

2 充填液壓支架基本結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，充填液壓支架為四柱支撐式，由頂梁、鉸接前梁部分、穩(wěn)定四連桿機構(gòu)、尾梁、底座部分、推移機構(gòu)和隔離板部分等主要結(jié)構(gòu)件組成。頂梁受力通過四連桿傳遞至底座，是支架的主體結(jié)構(gòu)件；頂梁后部鉸接尾梁，可掩護待充填區(qū)工人密封隔離輔助作業(yè)和支護待充填區(qū)頂板；隔離板與頂梁通過連接桿鉸接，通過隔離抬升千斤頂動作，可作整體抬升運動，密封頂梁與頂板間隙；下隔離板通過下隔離千斤頂動作密封底座與底板間隙，實現(xiàn)充填區(qū)域的整體密封。

圖1 充填液壓支架基本結(jié)構(gòu)

3 充填液壓支架設計要點

1) 隔離密封機構(gòu)。相比較其它礦井的固體充填，高河能源采用混合漿料充填法，充填液壓支架本架與鄰架、頂梁與頂板、底座與底板之間都屬于硬面接觸密封，沒有其它輔助措施做不到有效隔離防漏，當混合漿體進入結(jié)構(gòu)件內(nèi)部凝固后結(jié)構(gòu)就不能正常動作，強制動作將導致支架結(jié)構(gòu)件損壞。因此，特提出了柔性擠壓隔離法，該方法原理如圖2所示。上、中、下隔離板搭接高度可自動調(diào)整，上隔離板上部、下隔離板下部布置柔性材料，進行擠壓密封，更好地適應頂?shù)装甯叩筒黄剑綦x板外掛塑料布實現(xiàn)充填漿料與充填支架的分隔，滿足充填工藝需求。

圖2 充填隔離原理

2) 柔性密封材料的應用。本次設計充填支架在頂板和底板密封時沒有使用調(diào)研時岱莊、許廠煤礦使用的一次性密封材料，而是采用可以多次重復利用的纖維材料，該材料強度高、柔性好，破損替換方便，有效防止隔離板與頂板和底板縫隙漿液泄露，隔離輔助工作量少，減輕勞動強度。

3) 特殊的尾梁結(jié)構(gòu)。頂梁后端鉸接懸臂尾梁，采用倒梯形結(jié)構(gòu)，移架摩擦阻力小，尾梁在隔離板后面懸長1.4 m，寬度0.7～0.75 m，是支架寬度的一半，設計充填步距1.6 m，實現(xiàn)支架對待充填區(qū)及時有效的支護功能。采煤、隔離和充填過程中，尾梁不回轉(zhuǎn)，一直保持對充填區(qū)有效支護作用，充填隔離時支架尾梁保持支護頂板狀態(tài)，沒有頂板安全隱患，待充填區(qū)也不需要臨時單體柱支護。

4) 三級隔離板機構(gòu)。隔離板由兩級向下的伸縮隔離板和底座下隔離板組成。上隔離板通過連接桿與頂梁連接，利用隔離抬升千斤頂升降上隔離板，內(nèi)帶伸縮式中隔離，為頂板隔離創(chuàng)造空間條件，不需要降架隔離；中隔離板伸縮縫口朝下，即使出現(xiàn)個別漏漿，漿液也進入不了隔離板伸縮腔，隔離機構(gòu)動作不受膏體影響；下隔離板固定在底座后部，沿底座導軌上下滑動，并能承受充填漿液較大的推力。

5) 換向閥操作機構(gòu)前后分開布置。充分考慮采煤和充填不同工序的需求，將手動換向閥進行前、后分開布置，主換向閥布置在前立柱上，主要負責割煤工序，實現(xiàn)護幫、立柱、推移、前梁、側(cè)護等千斤頂?shù)膭幼鳎桓睋Q向閥布置在底座后端，主要負責充填工序，實現(xiàn)尾梁、隔離、抬升千斤頂?shù)膭幼鳌Ｇ昂蠡ゲ桓缮妫苊馊藛T在支架前后來回走動，提高了安全性，降低了工人勞動強度小。

4 結(jié) 語

樣架組裝完成后相關部門和礦方對其進行了評審，認為支架設計總體技術先進，綜合考慮了開采條件、充填面巖移特殊性、地表沉陷控制對充填前頂板下沉量要求，比較好地解決了現(xiàn)有膏體充填支架和隔離方法的不足，能夠滿足高河煤礦膏體充填開采要求。