放頂煤液壓支架的創新與發展

李 魏

（霍州煤電呂臨能化公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200）

引言

綜采開采技術是針對厚煤層傳統開采方式進行變革的。自20 世紀80 年代初以來，液壓支架的發展歷經高、中、正、四樞軸小插板，兩立柱式掩護式到大采高低位放頂煤液壓支架，框架類型的每一次重要轉變都推動了放頂煤開采技術的進步。并且，放頂煤技術的持續進步也推進了放頂煤液壓支架的發展。圖1 所示為各種液壓支架。

圖1 各種放頂煤液壓支架

1 放頂煤液壓支架的最新發展

為了解決10 m 以內厚煤層開采的問題，提出了綜放開采并配備液壓支架和成套設備。由于采用大采高全機械化開采技術，工作面厚度能夠提高到12m，工作面的生產能力超出了1 000 萬t/年。

1.1 大采高綜放液壓支架的關鍵技術

1）相關研究結果顯示，在增加了全機械化液壓支護的開采高度之后，工作面水平和垂直方向上圍巖活動的面積顯著擴大，巖壓的發生明顯增加。頂梁的不穩定性和旋轉不穩定性對梁的前端和后端的支撐要求比較高。

2）在大采高綜采工作區，控制煤壁側大面積片幫的主要措施包括：加大支架的初始支護工作阻力，提高主動支護頂板的能力。帶有壓力的可移動框架及時地對頂板（煤）進行支撐，通過這樣的方式讓頂梁和頂板（煤）之間有較為理想的接觸，這能夠降低煤壁前方產生的支撐壓力。綜采的液壓支架配備有護幫板，在煤壁附近使用護幫板會增加煤壁的側向約束力和煤壁片幫的程度。如果在工作面中存在碎裂或頂板局部冒落等異常區域，則應采取適當的方法來降低采高，減小剪切深度或加固煤壁，并提升剪切及其在牽引上的速度，通過這樣的方式降低破碎的程度[1-2]。

1.2 大采高綜放液壓支架的應用

在大同塔山煤礦以及華亭煤礦等18 m 厚的煤層的開采中也顯示出了同樣的規則。運用較為堅固的支架提升支架的支護強度，保障安全高效生產。大同塔山礦先后使用了四柱強力支架ZF10000/25/38和ZF13000/25/38。生產實踐證明，增加支架的工作阻力大大提高了支架的適應性和效率。塔山礦的日產量創紀錄地達到6.9 萬t，每月達到165 萬t，達到了每年1 000 萬t的新目標。

2 新型分體組合式直線型放頂煤液壓支架的發展

伴隨著煤炭開采技術的持續深化，很多礦區其儲量相對較小，大型綜采機械對這些角煤的適應性較差，很難采用完全機械化的采礦技術布置規則的工作面。無法發揮其合理的效率。同時，一些中小型煤礦的巷道狹窄，同樣也限制了大型機械化采礦設備的使用。為了滿足中小型煤礦和小拐角處的綜放工作頂煤生產需求，自2006 年以來已開發出一系列組合式線性放頂煤液壓千斤頂，并已在國內外開始使用，在新疆金城等一些礦區的使用效果非常理想。

2.1 分體組合式直線型放頂煤液壓支架的特點

組合式直線型液壓支架的頂梁和底座、尾梁以及護幫板等都屬于分體式,這樣可以有效防止因為頂板不平衡而出現的偏載,分體式頂梁和底座主要是使用鉸接形式分別使用連接箱以及前后拉桿將其聯系為一體,如圖2 所示。

圖2 分體組合式直線型放頂煤液壓支架

1）組合式線性液壓支柱的頂梁、底梁、后梁和擋煤板均被分開。分開的上橫梁和分開的底座通過樞轉連接盒和前后拉桿連接，從而避免了因頂板不平整造成的應力和扭曲。

2）組合式線性液壓支柱的分割結構，適用于巷道狹窄的礦井，它可以通過拆卸解體后運輸到工作面后組裝安裝使用，解決了因支架大整體無法進入井下的問題。

3）伸縮盒支架采用雙重穩定機制。分離式基座的中部和后部均設有未覆蓋的盒體。伸縮盒與之配合使用并在其中滑動，伸縮盒的孔端鉸接到上梁的腹耳上，以確保支架的穩定性。穩定機構具有結構緊湊、質量輕的優點。

2.2 分體組合式直線型放頂煤液壓支架適應性和穩定性分析

2.2.1 適應性分析

分割之后組合梁的上梁產生的運動以及伸縮盒自身的穩定機構保持的運動相同，同時其自身的軌跡是垂直的，并且支撐柱的力始終接近理想狀態。但是，井下實際的工作條件非常復雜。其頂部尺寸以及位置都會產生變化，并且頂部光束部也都會產生變化。另外，對于不同尺寸以及方向支架還能夠對其水平負載給予支撐。對于分離式頂梁，一體式頂梁具有較大的縱橫比。

2.2.2 穩定性分析

如果使用整體支架，工作面的煤層傾斜將重心和底板的垂直線的交點推到基座的外邊緣，這樣會導致支架傾斜或者倒架。如果煤層傾角大于15°，必須防止支架倒架。與整體式支架相比，分體式支架側向的穩定性比較理想，在前后支柱中間分體式支架有伸縮穩定機構，伸縮機構與上橫梁的鉸接點靠近上橫梁合力的位置，大大提高了穩定性。

3 放頂煤液壓支架發展方向

綜采成套設備的研發為高產高效的煤炭生產創造了條件，在使用上更加安全，因此綜合機械化開采方式在全國煤炭開采中得到廣泛應用。除此之外開發適應性較好的智能化新型放頂煤液壓支架將是以后的發展方向，具體從以下兩個方面說明：

1）研發智能化放頂煤煤巖識別系統。智能化綜采工作面現在基本能實現遠程或者地面控制，但是現在影響智能化綜放工作面建設的是放頂煤工序不能實現煤巖識別智能化放頂煤，還需要在此項工序中進行人工干預。研發此系統的意義在于從時間、回收率、安全方面實現安全、高產、高效，這對于提升礦井的安全水平將起到關鍵作用。

2）為放頂煤進行輕型液壓支架的開發。隨著老礦井的資源枯竭和采煤工藝的落后，有些礦井有很多邊角煤、煤柱不能成功回收或者回收率比較低，分體組合式放頂煤支架如果能結合輕型放頂煤支架相結合進行研發，可以為小型礦井及一些資源枯竭的礦井回收邊角煤和煤柱提供一些思路和辦法[3-4]。