液壓支架支護與抽架一體化回撤裝備創新設計及應用研究

摘" 要：以往煤礦綜采工作面液壓支架回撤過程中存在頂板支護效果差、支架抽架困難等問題，導致液壓支架回撤作業安全事故頻發、回撤效率低下。針對以上情況，創新設計一種新型液壓支架支護與抽架一體化回撤裝備，該裝備包括回撤支架、輔助支撐裝置、抽架裝置等部分，每個部分針對回撤過程中存在的問題優化設計，提高回撤作業整體效率和安全性。該一體化回撤裝備在兗礦能源鮑店煤礦8304工作面液壓支架回撤中進行應用，12 d時間內順利完成120架液壓支架回撤，對比以往回撤效率提高85%，工作效率高，用人少、安全系數高，而且有效降低職工的勞動強度，實現綜采工作面液壓支架回撤全機械化作業。

關鍵詞：液壓支架；支護抽架一體化；回撤裝備；創新設計；實際應用

中圖分類號：TD421" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）17-0006-04

Abstract： In the past， there were some problems in the process of hydraulic support retraction in fully mechanized coal face， such as poor roof support effect， difficult support extraction and so on， resulting in frequent safety accidents and low retraction efficiency. In view of the above situation， a new type of integrated retraction equipment of hydraulic support support and retraction is innovatively designed， which includes retraction support， auxiliary support device， retraction device and so on. Each part is optimized according to the problems existing in the retraction process， which improves the overall efficiency and safety of the retraction operation. The integrated retraction equipment was applied in the retraction of hydraulic support in 8304 working face of Baodian Coal Mine of Yanzhou Coal Mine. The retraction of hydraulic support was successfully completed within 12 days. Compared with the previous retraction efficiency， the retraction efficiency was increased by 85%， the work efficiency was high， and the labor intensity of workers was effectively reduced， and the fully mechanized operation of hydraulic support retraction in fully mechanized mining face was realized.

Keywords： hydraulic support; integration of support and retraction; retraction equipment; innovative design; practical application

綜采工作面開采設備回撤是煤炭開采過程中的關鍵環節，其直接關系到整個礦井的生產效率以及工人的安全。液壓支架是煤礦綜采工作面開采中的關鍵設備，主要是對工作面起到支撐和穩定作用，液壓支架質量占據工作面設備總質量的82%左右，液壓支架回撤是工作面回撤的關鍵。液壓支架傳統單通道單翼回撤工藝存在回撤作業區頂板維護困難、待拆除支架抽架難、絞車鋼絲繩易崩斷等現象，導致工作人員勞動強度大、自動化程度低、安全事故頻發等問題，影響工作面回撤效率。針對以上情況，創新設計一種新型支護與抽架一體化回撤裝備，可實現一次性快速移架到位、加強頂板支護、快速準確抽架到位，可自動前移，實踐應用效果理想。

1" 傳統液壓支架回撤工藝及存在的問題分析

1.1" 傳統液壓支架回撤工藝

以往傳統液壓支架采用單通道單翼回撤工藝，如圖1所示，該工藝主要分為撤除作業區頂板支護工藝和等待撤除支架的抽架、轉向、拉移工藝。撤除作業區頂板支護通常依賴于原始方法，使用木垛、單體液壓支柱+工字鋼梁或者直接利用工作面液壓支架進行頂板支護。待撤除支架的抽架方式主要使用“礦用絞車+牽引鋼絲繩+回轉輪或液壓之間抽架機”進行，待撤除支架的轉向和拉移方式主要采用“礦用絞車+牽引鋼絲繩”實施。

1.2" 傳統液壓支架回撤工藝存在的問題分析

第一，傳統液壓支架回撤工藝中的支護方式存在不足，撤除作業區頂板不穩。木垛、單體液壓支柱+工字鋼梁等支護方式雖然在過去的工作環境中能夠提供必要的頂板支持，但工作面回撤導致作業環境復雜化，對安全要求更高，這些傳統支護方式開始顯現出多方面的不足。例如木垛的使用不僅勞動強度大，而且在頂板承受較大壓力時容易變形或破碎，不能保證長期的穩定性和安全性。

第二，回撤支架直接使用工作面液壓支架存在明顯不足。工作面液壓支架移架步距一般在0.8 m左右，支架中心距一般在1.75 m左右，每撤走1臺液壓支架回撤支架需移架2次以上，多次移架及反復支撐頂板不僅會延長支護作業時間，還不利于待撤除作業區頂板的維護；工作面液壓支架直接用于頂板支撐，可能無法適應復雜的地質條件。在承受不均勻壓力或遭遇不穩定的頂板時，這些支架可能會失效，導致頂板坍塌和其他安全事故；在多變的工作面環境中，工作面液壓支架可能無法滿足特定條件下的支撐需求，如撤除通道寬度變化、頂板材料不同等。

第三，采用絞車+牽引鋼絲繩進行抽架的傳統方法確實存在若干安全和可靠性問題。在具體操作中，鋼絲繩在受力時容易發生斷裂，這種斷裂不僅可能導致作業中斷，而且斷裂的鋼絲繩可能會突然彈飛，造成嚴重的安全隱患，甚至可能導致人員傷亡和設備損壞。

第四，采用液壓支架抽架機進行抽架操作存在一些局限性，特別是在速度和空間利用方面。速度慢：液壓支架抽架機在操作過程中，液壓系統的反應時間和動作執行速度可能相對較慢，這會延長整個撤架過程的時間，影響生產效率。占用空間大：液壓支架抽架機通常體積較大，需要占用更多的作業空間，這在空間有限的礦井中尤為不利。靈活性不足：液壓支架抽架機的重量和體積限制了其在狹窄或復雜工作面的靈活性和機動性。設備復雜性：液壓系統的復雜性可能導致維護困難和成本高昂。

2" 液壓支架支護與抽架一體化回撤裝備的總體設計

面對傳統液壓支架回撤工藝中存在問題，從頂板支護、抽架2個方向著手，對液壓支架回撤現場工況的調研分析基礎上，創新設計液壓支架支護與抽架一體化回撤裝備，在實現頂板支護和抽架操作的高效整合，顯著優化傳統回撤工藝。該裝備如圖2所示，主要包括3架回撤支架、推移衡梁、加長衡梁、輔助支撐裝置、抽架裝置、待撤除支架等部件。

回撤支架：3架結構設計，提供堅固的頂板支護，大大提升頂板穩定性和作業安全性；設計考慮了各種頂板條件，確保在不同工況下均能提供可靠支撐。輔助支撐裝置：與單體液壓支柱相配合，用于加強撤除作業區采空側頂板的輔助支撐，特別是在頂板條件不佳的區域，提供額外的安全保障。抽架裝置：緊密與回撤支架相連，設計用于高效地執行抽架操作，并能夠隨回撤支架的移動自動前移，從而減少了對額外空間的需求，并提高了抽架速度。護頂鋼釬輸送裝置：這一裝置能夠在必要時提供頂板的臨時支護，保護作業人員免受可能的頂板垮塌影響。推移橫梁：用于支撐結構的前移，保障了撤除過程中的連續性和效率。加長橫梁：提供了設備在不同寬度的撤除巷道中使用的靈活性，從而適應各種礦井結構。

這些部件的集成化設計，不僅提升了回撤作業的效率，還通過減少設備占用的空間和操作的復雜度，降低了工人的勞動強度。整個裝備布置經過精心規劃，每個部件在整個系統中都發揮著不可或缺的作用，共同構成了一個高效、安全且可靠的回撤系統。

3" 液壓支架支護與抽架一體化回撤裝備各部件設計分析

3.1" 回撤支架的創新設計

3.1.1" 針對回撤支架存在的問題設計思路分析

以往采用工作面液壓支架做為回撤支架使用，移架步距較小，一般在0.8 m左右，以往每撤走1臺支架回撤支架需2次以上移架，無法一次性移架到位。針對該問題，考慮設計一種專用的移架步距大的回撤支架，可實現一次性移架到位置。能及時地對撤除作用區頂板進行支護，為支架的調向提供回轉空間。

3.1.2" 回撤支架的創新設計

根據兗礦能源集團回撤巷道頂板條件的特點和液壓支架的特點，設計了大移架步距的ZZ6800/20.5/40型回撤支架。該支架的突出特點如下。大移架步距：該回撤支架能夠以大步距一次性移動到位，極大地縮短了支架移動時間，提高了回撤作業的效率，這種設計減少了多次微調的需求，降低了作業的復雜性。對稱底座與抽架連接裝置：底座的對稱設計和集成的抽架連接裝置確保了支架在移動時的穩定性和對待撤除支架的快速連接能力；設計使得支架系統更加靈活，能迅速適應各種工作面的需求。護頂鋼釬輸送機構：頂梁上設有的護頂鋼釬輸送機構可以有效提供頂板的臨時支護，這對于保護作業人員和設備，防止破碎的巖石落下至關重要。固定大側護板：頂梁兩側的固定大側護板設計可以有效地對采空側進行擋矸操作，減少了落石對作業人員的潛在威脅，提高了作業面的整體安全性。

3.2" 抽架裝置的創新設計

3.2.1" 針對抽架裝置存在的問題設計思路分析

以往采用單通道單翼回撤工藝時，抽架方式主要使用“礦用絞車+牽引鋼絲繩+回轉輪或液壓之間抽架機”進行。該抽架作業存在抽架時間較長，抽架力量不夠，無法順利完成對質量近80 t的大采高重型支架的抽架。從抽架過程中的快速抽架及需要足夠大的抽架力2方面考慮，設計一種快速強力抽架裝置，有效提高支架回撤工藝中抽架工序的效率和安全性。

3.2.2" 回撤支架的創新設計

針對以往支架抽架難的問題，創新設計了一種快速強力抽架裝置，如圖3所示，主要由圓環鏈、轉向軸、滑輪、接鏈盒、抽架梁、連接耳軸和抽架千斤頂組成。

主要結構特點如下。抽架梁的設計：采用箱型結構梁設計，這種設計不僅結構簡單，而且強度高，能夠承受重型支架帶來的大負荷。抽架千斤頂的適應性：抽架裝置通過更換不同抽架千斤頂，能適用于不同的工作面和支架類型；不同抽架千斤頂的主要技術參數能夠滿足多樣化的作業需求。連接方式的靈活性：耳軸用于將抽架機構與回撤支架連接，使抽架梁能夠上下自由擺動，以適應回撤巷道底板的不同起伏，提供了額外的適應性和靈活性。自動前移功能：抽架梁能夠隨回撤支架的前移自動前移，這一特性極大地簡化了操作流程，提高了作業效率。一次性快速抽架：裝置的設計允許一次性快速、準確地完成抽架到位，顯著減少了整個撤架過程所需的時間。連接安全性：待撤除的支架與抽架千斤頂之間采用圓環鏈連接，連接方式既方便又安全，減少了因連接失敗可能導致的安全事故。

3.3" 輔助支撐裝置的創新設計

3.3.1" 支撐問題及設計思路

從兗礦能源集團井下工作面液壓支架回撤巷道的實踐可知，占比達到95%的回撤巷道頂板較破碎，采空側回撤支架降架過程中頂板會緊隨之間降架而下沉。主要原因有：頂板本身的不穩定性；支架撤除引發的應力釋放；撤出作業中的震動引發。頂板下沉會影響回撤支架的正常移架，增加作業的危險性。以往針對頂板下沉問題，一般在采空區側采用單體液壓支柱進行輔助支護，支護效果一般，同時單體液壓支柱的安裝和回撤勞動強度大，操作過程中存在安全隱患。傳統的單體液壓支柱需要人工進行移動和安裝，這不僅勞動強度大，而且在操作過程中存在安全隱患。

解決思路如下：①提前規劃和評估。降架作業前進行詳細的頂板穩定性評估，根據評估結果規劃支撐措施。②加強臨時支撐。在撤除作業進行之前和過程中，通過臨時支撐設施如工字鋼、木梁或專門設計的頂板支撐裝置加固頂板。③使用輔助支撐裝置。開發的輔助支撐裝置，如自動前移的單體液壓支柱，能夠隨著回撤支架的移動同步提供穩定的支撐，避免頂板下沉。④緩慢有序的撤架過程。控制撤架速度和順序，確保在任何時候頂板都有足夠的支撐。⑤監測與預警系統。安裝先進的監測設備，實時監控頂板的移動和裂縫的發展，一旦檢測到下沉跡象，立即采取措施。

3.3.2" 輔助支撐裝置的創新設計

經多次現場實驗，設計了一種實現單體液壓支柱自動前移的創新輔助支撐裝置，創新輔助支撐裝置實現了單體液壓支柱的自移，對采空區一側進行輔助支護，解決頂板不斷下沉問題。

創新輔助支撐裝置結構如圖4所示，主要有連接頭、圓環鏈、拉移千斤頂、單體液壓支柱安裝筒、支撐座等部件。連接頭和圓環鏈：構成裝置的連接系統，確保單體液壓支柱與裝置之間的緊密連接，同時允許一定程度的靈活性以適應不同的作業環境。拉移千斤頂：提供必要的動力，使得單體液壓支柱能夠根據撤架進度自動前移。單體液壓支柱安裝筒：用于固定單體液壓支柱，確保在頂板下沉時支柱的穩定性。支撐座：為單體液壓支柱提供穩定的支撐平臺，確保在移動過程中支柱的垂直性。

當撤架作業進行過程中需要對采空側頂板加強支護時，創新輔助支撐裝置為單體液壓支柱提供固定安裝座，并可以實現單體液壓支柱的自動回撤，工作勞動強度小，安全隱患較少。

4" 實踐應用及效果分析

液壓支架支護與抽架一體化創新回撤裝備設計及制造完成后，在鮑店煤礦8304工作面液壓支架回撤中進行實踐應用。8304工作面推進長度1 405 m，寬度205 m，使用的液壓支架型號為ZY6800/19.5/40，重量為22.8 t。為提高8304工作面液壓支架回撤效率，應用了液壓支架支護與抽架一體化創新回撤裝備。該創新回撤裝備應用后，回撤過程中撤架作業時因設計有創新輔助支撐裝置能及時地對采空側頂板采用單體液壓支柱進行加強支護，采用大移架步距設計回撤支架能夠在一次操作中快速移架到位，大幅度提高了撤除作用區頂板支護效果，快速強力抽架裝置的應用能實現待撤除支架時準確抽架到位，設備可自動前移。應用該創新回撤裝備，在12 d時間內順利完成了8304工作面120架液壓之間的回撤工作，無一起安全事故發生。對比以往采用傳統的單通道單翼撤除工藝，撤除效率提高了85%，工作效率高，用人少，安全系數高，而且有效降低了職工的勞動強度，實現了綜采工作面液壓支架回撤全機械化作業。

5" 總結

創新設計了一種新型液壓支架支護與抽架一體化回撤裝備，該創新回撤裝置關鍵成果如下。①頂板支護效果顯著提升。通過改進支撐技術，新開發的裝備提供了更為穩定和可靠的頂板支撐，有效減少了頂板崩塌風險，提高了作業的安全性。②抽架操作的效率和準確性增強。創新的抽架裝置使得對待撤除支架的抽取變得更加迅速和精確，大大降低了整個撤除過程的復雜性和時間消耗。③工人勞動強度的顯著降低。自動化和半自動化的設計特點減少了工人的物理勞動，從而降低了作業過程中的勞動強度。④撤除作業的整體安全性和效率提升。裝備的應用不僅提高了作業的安全性，也顯著提高了工作效率，確保了煤礦生產的連續性和穩定性。

該回撤裝備在鮑店煤礦8304工作面液壓支架回撤中進行應用，12 d時間內順利完成120架液壓支架回撤，回撤效率高，自動化程度高，用人少，安全系數高，具有較好的經濟安全社會效益。新型液壓支架支護與抽架一體化回撤裝備對于提升整個煤礦井下輔助運輸系統的安全標準具有重要意義，為避免礦井事故提供了更有效的技術手段。

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