6.3 m 高可靠性大采高液壓支架的優化設計

朱鵬程

（晉能控股煤業集團機電管理部，山西 大同 037000）

1 項目概況

6.3 m高可靠性大采高電液控制支架是晉能控股煤業集團提出和需要研發的重型大采高液壓支架，支架型號為ZY10800/28/63。該液壓支架要求最大高度6.3 m，能夠對6 m厚煤層一次性采全高，支架的工作阻力達到10 800 kN，同時要求支架的性能達到國際標準，采用自動化電液控制，實現采煤工作面安全、高效、無人化管理，支架主要結構件壽命達到和超過歐洲CE壓架標準，即鋼結構件循環次數40 000次，推移框架循環次數25 000次，側護板和護幫板循環次數20 000次，實現工作面年產1 000萬t以上的目標。

對于高度6.3 m支架，目前國內外對該要求的產品的研發和使用還比較少，設計這樣的大采高液壓支架，支架中心距1 750 m，對支架的自身穩定性、結構的合理性有極高的要求。同時，這樣高工作阻力的支架，支架的重量需要得到控制，保證支架在井下快速推進。

2 支架架型的選擇及參數優化

2.1 支架架型的選擇

大采高支架的設計，支架選型是關鍵，選型的依據是支架工作面的地質情況，ZY10800/28/63型支架研制后主要是供給晉能控股煤業集團同忻礦，當前同忻礦主要開采3號煤層，井下主要開采設備有電牽引采煤機、電液控制液壓支架、刮板運輸機、順槽膠帶等。

3號煤層厚度為4~6 m，煤層中含1~2層夾矸，煤層結構簡單，傾角1°~5°，水文情況簡單，采用全機械化長壁采煤法開采，一次采全高，頂板管理采用全部垮落法，工作面設計生產原煤能力不小于3 000 t/h。

2.2 同忻礦當前使用的架型分析

目前，同忻礦在用主要架型為兩柱掩護式架型，支架高度從3.5~5.5 m，支架工作阻力從7 600 kN到9 000 kN，單一工作面年產量達1 000萬t以上，產量達到國內先進水平，同忻礦在兩柱支架的應用上具有豐富的經驗。當前對于6.3 m高可靠性大采高支架架型選型優選兩柱掩護式支架[1-2]。

2.3 支架參數的選擇

2.3.1 支架支護強度的選擇

6.3 m支架所應用的8309工作面的工況同同忻礦其他掩護式支架所應用的工況相類同，對于6.3 m支架的支護強度的選擇應等于或大于類同支架的支護強度，通過對同忻礦幾種在用支架支護強度的對比分析，確定6.3 m支架支護強度應不低于1.0 MPa。

2.3.2 支架結構參數的選擇

6.3 m支架配備進口重型采煤機和刮板輸送機，輸送機槽幫寬達1 342 mm，在這樣的超大設備配套和超大采高的工況下，支架要解決以下幾個問題：

2.3.2 .1支架自身穩定及重心問題

超大采高支架的穩定是首要前提，要保證穩定，在支架參數選擇時就已開始考慮，首先是支架的底座，支架底座結構參數的合理，整個支架就有了穩定的基礎，支架底座的高度L1和L2（見圖1）隨著支架高度的提高應相應提高，以保證支架底座、連桿及掩護梁有合理的長度比值，如表1所示。

圖1 支架底座高度示意圖

表1 幾種不同支架底座的對比情況表

從表1數據可知，支架高度越高L2的高度相應越高，L1和L2的合理提高從結構上提高了支架的絞接穩定。同時掩護梁在最大高度和最低高度時的背角（掩護梁上平面與水平線的夾角）也是影響支架穩定的重要因素，背角過大，支架四連桿機構的縱向水平穩定性差；背角過小，掩護梁承載的面積加大，老頂來壓時，掩護粱承載時產生的水平分力增大，影響支架的穩定，大采高支架受此因素影響更明顯。下面是幾種支架的掩護梁背角對照情況，如表2所示。

表2 幾種支架的掩護梁背角對照情況表

大采高支架重心同樣是設計的重點，是支架穩定性的要素，通過支架參數的調整使重心的位置處于支架底座的中心，保證支架升降的穩定。

2.3.2 .2支架的雙扭線選擇

第一，保證支架在升降過程中支架的端面距盡可能保持一個常數，難度較大，通常設計人員是根據經驗和計算機的輔助設計調整曲線變化。從6.3 m支架在不同高度的參數及雙扭線變化數據可知，雙扭線變化從4~6 m變化范圍為40 mm，近似直線，雙扭線理想。

第二，好的雙扭線可以優化支架的受力，6.3 m支架雙扭線的變化從上到下的變化是一條從后到前的變化趨勢，支架受到老頂周期來壓時，支架頂梁存在一個向前運動的趨勢，頂板給支架頂梁一個向老塘方向的摩擦力，這個力在最大正壓力的工況下為2 100 kN，立柱傾斜布置產生的分力為1 500~2 680 kN，這個摩擦力可以抵消或減小由于立柱支撐頂梁產生分力而帶來的支架內力。

第三，雙扭線的向前變化所產生的頂板給支架頂梁一個向老塘方向的摩擦力，這力同時可以減小和改善支架底座前段的比壓，有利于支架的推進。

2.3.2 .3支架立柱位置確定

在大采高支架設計中，立柱位置的確定是重要考慮因素，立柱在頂梁的支撐點決定著支架整體的穩定及性能。6.3 m支架頂梁立柱支撐點的位置確定是根據大同礦區礦壓特點確定的，6.3 m支架頂梁的長度比為2.9，通常這個比值大小在2~2.7之間；6.3 m支架頂梁2.9的比值是一個大的比值，這樣支架的設計難度加大了，但支架的切頂力可達到7 476 kN，在老頂來壓時可有效支護頂板，實現工作面安全高效生產。

3 6.3 m高可靠性大采高液壓支架研發關鍵技術

3.1 支架結構的穩定性措施

1）底座加寬，長度加長，底板面積加大，從根部保證支架的穩定，同時也可減少底座扎底現象。

2）加大立柱中心距。

3）前、后連桿寬度加寬，增大四連桿的抗扭能力。

4）孔軸間隙減小，減少支架橫向和縱向偏移量。

5）加大側推千斤頂缸徑，增加支架的側向調整能力。

6）頂梁前端采用二級護邦機構，防止架前冒頂片幫而造成支架失穩。

7）支架合力作用點位向后調整，保證支架總體穩定。

3.2 400 mm缸徑立柱研發

支架的立柱是支架動力的核心，這次6.3 m支架需研發400 m缸徑大立柱，這對支架制造單位來說是一次巨大的挑戰和技術提升。第一，首先需要和國內鋼廠合作開發超大口徑的支架用管材；第二，需要和機床企業聯合開發出適合加工超大管徑的機床設備；第三，需要改造現有的電鍍設備，以適應大型電鍍件的要求；第四，需要采用國際上最好的密封元件。通過努力攻關目前這些技術難關得到一一解決，400 mm缸徑高品質立柱順利研發出來。

3.3 高強度鋼板及超高強度鋼板的應用

6.3 m支架從強度和結構需要，需采用大量的高強度板材及超高強度板材，高強度板的概念過去通常是60公斤級的Q460板材或是70公斤級的Q550板材，對于更高級別的板材在支架設計上從未應用。近兩年，國內煤炭企業迅速發展，對于強力支架的需求帶動國內支架制造企業產品的研發，目前80公斤級板材、90公斤級板材、100公斤級板材在高端支架產品得到廣泛的應用。鄭煤機集團公司研發的高度鋼板的應用和焊接工藝已經成熟配套，6.3 m大采高支架的結構件設計大量的應用了80公斤級、90公斤級、100公斤級的超高強度板材。這種超高強度板材應用從基礎和源泉保證了支架安全性和可靠性。

3.4 程序化電液自動控制

現代化的高端支架需配置先進的自動控制技術，支架的自動控制技術目前在國內處于初級階段，液壓支架的自動化電液控制在發達的采煤國家得到普遍應用，國內的高端液壓支架近兩年開始應用電液自動控制，6.3m大采高支架采用的是電液控技術，自動化控制程度達到國際先進水平。

自動化電液控的工作原理及主要功能：采用機電一體化，根據采煤工藝編程，實現液壓支架單架手動動作、單架自動動作、成組自動動作和跟機自動動作，實現地面通訊和遠程控制，實現人機對話，通過菜單顯示、修改控制參數并采集諸如壓力、位移數據，具有本架閉鎖及故障自動診斷顯示功能。通過支架控制器核心器件，控制電液先導閥并通過主換向閥實現立柱、千斤頂動作。系統在電磁閥和控制器上設有單個手動操作，可實現本架和鄰架的手動操作；工作面控制系統設有聲音報警、急停裝置。全工作面在順槽采用集中控制，并通過接口轉換實現井下、井上通訊[3-4]。

4 結語

6.3 m高可靠性大采高液壓支架是一個高品質的現代化支架，在ZY10800/28/63支架的研發過程中，采用先進的三維設計和有限元分析手段進行支架結構設計和分析，同時得力于新材料、新工藝、新手段應用。當前ZY10800/28/63支架已在同忻礦8309工作面得到了實踐應用，支架平均采高6.3 m左右，支架的穩定性和可靠性經受住了井下生產的考驗且性能良好，支架選型合理，各項技術指標達到設計要求。