李大慶

0 前言

大同煤礦集團(tuán)公司侏羅系煤層逐漸減少，但下部石炭系煤層賦存豐富開采能力，研究大同煤田石炭系煤層的開采支護(hù)成為同煤集團(tuán)能否持續(xù)均衡科學(xué)發(fā)展的重大課題。隨著老礦工作面的延深，煤層地質(zhì)條件發(fā)生了巨大的變化，從頂、底板堅(jiān)硬且煤層發(fā)育相對穩(wěn)定的侏羅系煤層延深到了頂?shù)装逵捕鹊颓颐簩影l(fā)育極不穩(wěn)定的石炭系煤層，制造這種條件下的采煤支護(hù)設(shè)備就成為煤機(jī)制造行業(yè)的1 項(xiàng)重要課題。

在總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)煤層液壓支架制造使用經(jīng)驗(yàn)后，重點(diǎn)研究大同煤礦集團(tuán)燕子山礦ZZ6000/18/38型液壓支架在石炭系煤層的應(yīng)用。

1 改造前ZZ6000/18/38 型支架在石炭系煤層的使用

1.1 支架的工作特征

（1）底板起伏不平，支架底座接底狀況很差，偏載狀況嚴(yán)重，使得四連桿機(jī)構(gòu)縱向受力時左時右，構(gòu)件受側(cè)向力沖擊較大；

（2）放頂前支架工作阻力普遍呈增阻狀態(tài)，增阻幅度前柱大于后柱；放頂后支架的工作阻力普遍下降，但下降幅度后柱大于前柱；

（3）底板橫向起伏，梁端距控制比較困難。

1.2 支架的承載狀況

放頂時后部出現(xiàn)空洞，前立柱受上部煤巖的壓力影響，阻力普遍大于后立柱，前后立柱阻力差值一般為3 MPa～18 MPa。而后立柱在放頂時，受垮落頂板煤巖的沖擊，前后立柱循環(huán)阻力變化較大，變化值一般在1 MPa～20 MPa 之間。放頂結(jié)束10 min～30 min，立柱阻力逐漸增大，一般升高值為10 MPa～18 MPa，后部受拉狀態(tài)占整個開采過程的20%左右。而且，由于底板起伏，支架側(cè)向交替受力較明顯，出現(xiàn)四連桿偏向交替受力，甚至將底座主筋拉斷或切斷前后連桿與底座的鉸接銷軸，側(cè)向受力交替值一般在-11 MPa～+23 MPa 之間（-號為壓力，+號為拉力）。

石炭系采區(qū)頂板一般為砂質(zhì)頁巖、泥巖、粉砂巖等，頂板比較松軟，較易垮落，且厚度極度不均勻，放頂?shù)膭偠龋ê穸龋┳兓瘜χЪ芮昂罅⒅某休d產(chǎn)生影響。隨著放頂厚度的增大，剛度減小；隨著放頂強(qiáng)度的增大，剛度增大。這種變化無疑對支架的承載產(chǎn)生影響，尤其是支架前后柱阻力的影響。

1.3 支架穩(wěn)定性

由于支架支撐高度較大，各部件用銷軸連接，銷軸與孔之間存在軸向間隙，即使在水平的工作條件下，也會產(chǎn)生支架歪斜、扭轉(zhuǎn)。而石炭系煤層底板起伏較大，造成支架橫向不穩(wěn)定現(xiàn)象。[1]

1.4 生產(chǎn)工作中的問題

在采煤過程中，梁端距變化比較大。大同地區(qū)中厚煤層支架的梁端距一般在400 mm～500 mm 之 間，割煤后、移架前，水平開采條件下，支架梁端距增加到1 000 mm～1 300 mm，這部分頂板得不到支護(hù)，容易產(chǎn)生冒頂，威脅工作面設(shè)備和人員的安全。因此，采煤過程中應(yīng)該盡可能地支護(hù)這一部分裸露的頂板，采取及時支護(hù)措施。采煤機(jī)發(fā)生仰采時，采煤機(jī)的滾筒就有可能割支架的頂梁；俯采時，采煤機(jī)滾筒呈現(xiàn)前赴狀態(tài)，梁端距可能會增大，有時甚至達(dá)到1 800 mm 左右，給支護(hù)帶來更大的困難，甚至使支架出現(xiàn)失穩(wěn)，呈現(xiàn)前栽頭趨勢。

2 ZZ6000/18/38 型支架改造設(shè)計(jì)

（1）為了解決四連桿側(cè)向、交替受力，易損壞構(gòu)件的現(xiàn)象，采取以下措施：

①支架一般采用雙前連桿，后連桿采用整體式雙鉸接結(jié)構(gòu)，以便使四連桿受力均衡，提高四連桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；②支架頂梁、掩護(hù)梁增設(shè)強(qiáng)力活動側(cè)護(hù)板，調(diào)整與鄰架間正常距離；③盡量增加底座寬度及底座結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；④增加支架結(jié)構(gòu)件及連接耳板的厚度及強(qiáng)度，保證橫向歪斜時的抗扭性能；⑤四連桿機(jī)構(gòu)之間的孔軸配合間隙不超過0.75 mm[1]；⑥增加底座長度，降低對底板比壓，同時提高底座主筋的抗拉斷面，增強(qiáng)其抗拉強(qiáng)度；⑦調(diào)整掩護(hù)梁背板與水平面的夾角，一般當(dāng)支架最大高度時為52°～62°，[2]提高掩護(hù)梁的抗扭性能；⑧調(diào)整支架最大高度時后連桿與水平面夾角，一般為75°～85°，從力學(xué)的角度提高后連桿的抗扭能力。

（2）為了解決前后立柱阻力不均勻，甚至出現(xiàn)拔后柱現(xiàn)象，采取以下措施：

①支架頂梁設(shè)計(jì)為帶鉸接前梁的結(jié)構(gòu)，可以適當(dāng)提高支架頂梁部位的讓壓能力；②四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時，優(yōu)化其參數(shù)，將支架降低時頂梁垂直方向行程的運(yùn)動雙紐線呈前突狀態(tài)，使頂梁對頂板煤巖的作用分力指向煤壁，防止梁端部位頂板下沉或者冒落；③增大支架四連桿運(yùn)動瞬心點(diǎn)O 與支架的水平距離，提高支架前后部受力的均衡度，減小拔后柱力矩；④合理布置、適當(dāng)增大頂前后柱帽中心距，前立柱柱帽位置應(yīng)盡量前移，增大支架頂梁受外載時的平衡區(qū)域，提高支架前后部受力的均衡度；⑤支架選型設(shè)計(jì)時，適當(dāng)將支架的支護(hù)阻力提高一些，使支架外載合力作用點(diǎn)。

（3）提高支架抗沖擊能力，應(yīng)采取以下措施：

①選用1 000 L/min 的大流量安全閥，保證泄壓速度，提高立柱抗沖擊能力[3]；②對受沖擊載荷較多的放頂煤支架后立柱增加缸筒壁厚，提高抗沖擊能力；③后立柱改實(shí)心活柱為空心活柱，使缸筒與活柱空心腔相通，增加沖擊時液體緩沖能力；④增大管路回液能力，回液出口一般比進(jìn)液口小一個流量等級（按照每分鐘流量），甚至要與進(jìn)液口相同，減少液體流動阻力，盡量增大緩沖能力。

（4）為了提高支護(hù)效率，防止梁端部位頂板冒落，控制好梁端距，應(yīng)采取以下措施：

①采用有伸縮功能的頂梁結(jié)構(gòu)，使頂梁割煤后及時伸出，支護(hù)頂板，防止冒落[4]；②盡量改善護(hù)幫板的護(hù)幫和臨時支護(hù)功能，護(hù)幫板完全伸開時能夠伸平甚至上翹5°，及時支護(hù)頂板[5]。（優(yōu)化后見圖1）

圖1 ZZ6000/18/38 型支架（結(jié)構(gòu)優(yōu)化后）

3 結(jié)語

經(jīng)過幾年的研究分析與總結(jié)，老結(jié)構(gòu)的液壓支架已經(jīng)不能適應(yīng)同煤集團(tuán)石炭系煤層的開采支護(hù)，因此新結(jié)構(gòu)液壓支架的開發(fā)迫在眉睫。ZZ6000/18/38 型液壓支架的研制在同煤集團(tuán)燕子山礦投產(chǎn)運(yùn)行，可以很好地適應(yīng)石炭系煤層的開采，而且穩(wěn)定性好。不僅適應(yīng)了該礦石炭系煤層的開采，也為在全新的地質(zhì)條件下液壓支架的選型提供了可靠的依據(jù)，保證了現(xiàn)代煤礦綜采高產(chǎn)高效、快速推進(jìn)的要求。

[1]王國法.大采高技術(shù)和大采高液壓支架的開發(fā)研究[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2010：104.

[2]魯忠良.煤礦液壓支架的實(shí)用安全理論及技術(shù)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2009：49.

[3]劉大同.特厚煤層大采高綜放設(shè)備的研發(fā)[J].煤礦機(jī)電，2011（1）：31-35.

[4]王國法.液壓支架技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2002：38.

[5]趙宏珠.采煤工作面液壓支架設(shè)計(jì)[M].北京：世界圖書出版社，1987：97.