膏體充填液壓支架設計與應用

山東天晟機械裝備股份有限公司 山東淄博 255129

淄 博礦業集團岱莊煤礦位于濟寧市區北郊城鄉結合部，井田內地面村莊等建 (構) 筑物密集，村莊下壓煤量高達 80%，約 7 900 余萬 t，其中 3上煤層村莊下壓煤量為 5 000 多萬 t，占全部村莊壓煤量的 63%。隨著礦井多年的條帶開采，產生大量遺留煤柱，造成呆滯儲量 1 000 余萬 t，加之城區發展加速壓覆資源的影響，礦井可采儲量銳減，同時地面形成矸石山，既占用了大量土地，又對周圍環境造成了不同程度的污染。

針對岱莊煤礦村莊壓煤嚴重，大量條帶煤柱丟失的實際情況，淄博礦業集團岱莊煤礦開發了膏體充填回收條帶煤柱和長壁工作面膏體充填無煤柱開采技術。膏體充填就是把煤礦附近的煤矸石、粉煤灰、爐渣、劣質土、河砂或城市固體垃圾等固體廢物在地面加工成無臨界流速、不需脫水的膏狀漿體，利用充填泵和重力作用通過管道輸送到井下，適時充填采空區的綠色采礦方法與技術。

充填液壓支架是充填開采技術的關鍵設備，既承擔前部綜合機械化采煤支護作用，又要滿足后部充填要求。充填液壓支架由山東天晟機械裝備股份有限公司負責研制，以實現岱莊煤礦能夠在不遷村、少賠償的前提下，安全、高效、高采出率地回收傳統條帶開采不能解決的條帶煤柱，保證礦井可持續發展。

1 充填液壓支架方案設計

1.1 充填液壓支架架型結構確定

充填液壓支架不同于一般支架，除要滿足一般采煤工作面支架對采煤區頂板支護進行采煤要求之外，還需要對待充填區適當支護和隔離，實現“采煤—充填—凝固/檢修”循環作業。根據煤層賦存條件、膏體充填開采工藝對綜采支護設備要求，分析支撐式支架和掩護式支架特點[1]，將膏體充填液壓支架架型確定為前置正四連桿四柱支撐式支架。

針對充填隔離機構，提出了 3 種膏體充填液壓支架結構方案：尾梁/隔離板結合式、支架/伸縮尾梁式、支架/錨網結合式。3 種支架方案的技術特點與優缺點對比分析如表 1 所列。

3 種方案技術上均可行。通過比較，確定采用尾梁/隔離板結合式方案，充填液壓支架架型結構如圖1 所示。

圖1 充填液壓支架結構示意Fig.1 Structural sketch of filling hydraulic support

充填液壓支架為前置正四連桿四柱支撐式，由頂梁、尾梁、護幫板、斜梁、前連桿、后連桿、底座、推移機構、立柱及液壓噴霧系統等組成。頂梁前面設有護幫板，后面設置旋轉尾梁，采取正四連桿前置結構。尾梁和下隔離板上下搭接，可向一側伸縮，配合輔助防漏措施，能夠起到隔離墻功能，達到快速構筑隔離墻的目的。

1.2 工作面設備配套及充填液壓支架主要技術參數確定

根據工作面實際長度和順槽尺寸進行綜采設備布置，充填液壓支架與 MG200/500-AWD 型采煤機、SGZ730/400 型刮板輸送機配套，采煤機截深為 600 mm，保證設備配套合理可靠，技術先進。

通過建立膏體側向壓力計算模型，結合傳統計算方法和標準規范要求，計算得出液壓支架工作阻力等主要技術參數。充填液壓支架型號為 ZC5600/17/32，主要技術參數如表 2 所列。

表2 主要技術參數Tab.2 Main technical parameters

2 優化設計及有限元分析

運用液壓支架計算機輔助設計軟件，進行液壓支架四連桿優化設計[2]、運動分析和靜力學分析，并采用 SolidWorks 軟件進行支架三維仿真設計，全部結構件都采用有限元分析手段實現完全的等強度設計，力求支架設計科學、合理、適用。

2.1 總體結構參數優化與運動仿真

由液壓支架計算機輔助設計軟件進行支架優化分析可知，隨支架工作高度變化，所設計的支架底座合力位置變化小，支架受力好、穩定性高。

表1 充填液壓支架方案比較Tab.1 Scheme comparison of filling hydraulic support

充填液壓支架在使用高度為 2 000～3 000 mm 范圍內，底座前端底板比壓小。支架底板比壓為 1.85～2.31 MPa，分布均勻，利于移架。通過優化四連桿，支架運動比較平穩，在使用高度范圍內，減小了四連桿機構的附加力。

在使用高度范圍內，支架頂梁合力為 5 545.7～5 661.8 kN，比較平穩，支架支護強度為 0.71～0.72 MPa。

梁端點水平運動軌跡如圖 2 所示。充填液壓支架在使用高度 2 000～3 000 mm 內變化時，梁端點水平運動軌跡的最大范圍小于 65 mm，支架頂梁前端點與煤壁間距離的變化小，提高了管理頂板的性能，而且支架能承受較大水平力。

圖2 充填液壓支架梁端點水平運動軌跡Fig.2 Horizontal motion trajectory of end point at beam of filling hydraulic support

2.2 有限元分析

在液壓支架設計過程中，應用有限元分析技術進行支架強度計算校核可以減少設計成本，縮短設計和分析的周期，增加支架的可靠性，降低材料的消耗和成本，在產品制造或工程施工前預先發現潛在的問題，進行模擬試驗分析和機械事故分析，使設計更可靠合理。在充填液壓支架的設計中，使用有限元分析軟件對支架進行整架強度分析和局部的強度校核。利用 SolidWorks 軟件對頂梁、斜梁、上連桿、下連桿進行集中載荷、偏載和扭轉載荷的應力分析，對關鍵零部件結構強度進行優化。

充填液壓支架整體應力云圖如圖 3 所示，最大應力為 679.4 MPa，頂梁上部的應力比較大。

3 結構設計關鍵技術

該充填液壓支架在充分研究分析結構參數基礎上，針對煤層地質條件，除滿足支架對采煤區頂板支護進行采煤的要求外，還需要對待充填區適當支護和隔離。

圖3 充填液壓支架有限元分析Fig.3 Finite element analysis of filling hydraulic support

3.1 前置正四連桿機構

充填液壓支架前連桿和后連桿分別與斜梁和底座鉸接，共同構成前置正四連桿機構，前后排立柱間距合理，為充填管道布置、整體前移和人員行走提供了足夠的空間。支架在調高范圍內梁端距變化小，可更好地支護頂板，承受頂板的水平分力和側向力，使立柱不受側向力。支架前部和后部均有作業空間，可以實現兼顧作業。

3.2 采煤支護功能

頂梁前部帶護幫板，頂梁后部設有鉸接尾梁 (上隔離板)，在采煤機割煤后，支架未能前移時，護幫板可以翻轉 180°，實現臨時護頂；支架前移后，護幫板可用于防片幫。充填支架在最大高度時，頂梁能下俯 15°；在最小使用高度時，頂梁能上仰 ≥10°。在尾梁千斤頂的作用下，尾梁 (上隔離板) 最大上仰角可達 7°，能夠保證對充填區頂板進行有效的主動支護，具有很強的適應性。

底座設置抬底機構和底調機構。底座為剛性中部開擋，支架移架時，可抬起底座前端，力求少清浮煤，加快推進速度。推移裝置為短推桿機構，結構可靠，拆裝方便，利于實現快速移架。

3.3 隔離防漏充填功能[3]

膏體充填要求密封性高，頂梁與頂板接觸縫、頂梁后端與上隔離板之間搭接縫、上下隔離板之間搭接縫、支架之間的接觸縫，均可通過液壓缸的拉緊和單側活動側護板擠壓封閉，配合填塞措施，實現充填隔離墻的快速隔離防漏。

4 應用效果

充填液壓支架在淄博礦業集團岱莊煤礦膏體充填回收條帶煤柱試驗采區工作面和后續膏體充填無煤柱長壁工作面成功應用，證明該支架技術參數選擇科學，結構設計合理，可靠性高，實現了充填工作面綜合機械化連續生產和充填，取得了良好的經濟效益。

前置正四連桿四柱支撐式結構為充填管道布置、整體前移和人員行走提供了足夠的安全空間，支架前部和后部均有作業空間，方便安排采煤與充填工作，使充填對采煤工作的影響較小。

利用支架頂梁實現工作面采煤作業空間頂板支護，通過頂梁后鉸接尾梁向上擺動實現工作面待充填空間頂板的有效支護，尾梁向下擺動與底座下隔離板連同伸縮活動側護板共同構成充填隔離墻，實現機械化構筑隔離墻，解決了充填支架隔離防漏問題，提高了充填效率。

根據工作面礦壓觀測和地表沉陷數據分析，該充填液壓支架初撐力和工作阻力選用合適，頂板控制及隔離防漏措施有效，膏體充填開采對地表建筑物損害輕微，能夠將損害控制在保護等級范圍內。

實施膏體充填開采，可成功解放呆滯的遺留煤柱及壓覆煤炭資源，延長礦井服務年限，既解決了制約礦井持續發展的瓶頸問題，實現了固體廢棄物的最大化利用，又有效保護了生態環境，實現了“黑色煤炭、綠色開采“的目標，經濟效益和社會效益顯著。

5 結語

膏體充填液壓支架的設計與應用，很好地處理了采煤與充填之間的關系，解決了膏體隔離防漏問題。目前該技術已在淄博礦業集團許廠和葛亭等煤礦推廣應用，使濟北礦區各礦村莊建筑物壓煤問題得以解決，同時也可推廣應用于其他礦區“三下”壓煤開采，對加快煤礦膏體充填開采關鍵技術攻關和成套裝備的研發與制造，提高充填開采的機械化、自動化和智能化水平，促進我國煤炭行業技術進步和綠色礦山建設都有重大意義。