王 強(qiáng)

（汾西礦業(yè)集團(tuán)生活服務(wù)公司靈石管理中心， 山西 晉中 031300）

引言

通過對(duì)要進(jìn)行礦井生產(chǎn)能力提升的煤礦實(shí)地考察，結(jié)合礦井巷道開拓實(shí)際情況和煤層傾角及頂?shù)匕宓臓顩r，在保證液壓支架支護(hù)強(qiáng)度的安全可靠性要求的同時(shí)，可以在原有放頂煤液壓支架的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行適當(dāng)改型，使支架輕型化，以符合該煤礦的實(shí)際使用性能[1-5]。

1 放頂煤液壓支架的改造方案確定

改造支架結(jié)構(gòu)的方案擬定有兩種方法：第一套，將放頂煤尾梁和掩護(hù)梁設(shè)計(jì)為一個(gè)整體構(gòu)件（如圖1-1）。第二套，將頂梁和掩護(hù)梁設(shè)計(jì)為一個(gè)整體構(gòu)件（如圖 1-2）。

第一套方案中放煤尾梁和掩護(hù)梁為整體構(gòu)件與頂梁鉸接時(shí)，擺動(dòng)機(jī)構(gòu)所使用的尾梁千斤頂一端若與普通底板鉸接時(shí)，尾梁千斤頂?shù)脑O(shè)計(jì)不在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)系列以內(nèi)，必須專門設(shè)計(jì)使用。或者要改變底座的結(jié)構(gòu)以適應(yīng)尾梁千斤頂?shù)倪x擇在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)系列之內(nèi)。改造難度大，工期相對(duì)較長(zhǎng)，費(fèi)用高[3]。而采用第二套方案可以使用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)系列以內(nèi)的千斤頂，制造程序簡(jiǎn)化，成本投入較低，因此決定采用第2套方案對(duì)支架進(jìn)行改造。

根據(jù)改造方案和實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況將改造的具體內(nèi)容確定如下：

1）頂梁設(shè)計(jì)成分體組合式，分體運(yùn)輸以適應(yīng)巷道斷面和運(yùn)輸能力的大??；

圖1 液壓支架結(jié)構(gòu)示意圖

2）將原有的頂梁和掩護(hù)梁做成整體頂梁，取消掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化支架結(jié)構(gòu)；

3）在水平和緩傾斜煤層中，以直線型伸縮箱結(jié)構(gòu)代替反四桿機(jī)構(gòu)，維持支架的穩(wěn)定性的同時(shí)降低了金屬耗材，減輕了設(shè)備整體重量；

4）設(shè)置尾梁擺動(dòng)式放煤機(jī)構(gòu)，可以自由調(diào)節(jié)放煤量，有利于頂煤的冒落，放煤效率高。

2 改型后放頂煤液壓支架結(jié)構(gòu)

根據(jù)改造方案的具體內(nèi)容對(duì)液壓支架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)，改型后的液壓支架設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 液壓支架設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

該設(shè)計(jì)放頂煤液壓支架主要由金屬結(jié)構(gòu)件、液壓元件兩大部分組成。

2.1 頂梁

該設(shè)計(jì)液壓支架頂梁采用鋼板拼焊箱形變斷面結(jié)構(gòu)。頂梁一側(cè)設(shè)置有6對(duì)耳子與連接箱鉸接，兩側(cè)都設(shè)置有四側(cè)護(hù)板。

2.2 尾梁

尾梁前部與頂梁鉸接，中部與尾梁連桿相連，尾梁連桿與底座連接，這樣就構(gòu)成一個(gè)整體，尾梁是支架的主要連接和掩護(hù)部件。

2.3 底座

底座的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)為分體式。本支架底座為組合式結(jié)構(gòu)，四條主筋形成左右四根立柱安裝空間，底座前端通過前連桿連接、中部通過后連桿連接，這種組合式結(jié)構(gòu)使底座對(duì)不平整底板具有很好的適應(yīng)性。

2.4 防護(hù)裝置

本支架為了降低重量、并且力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以沒有設(shè)置可調(diào)活動(dòng)側(cè)護(hù)板，但是為了防止架間漏矸，也在頂梁與尾梁兩側(cè)設(shè)有固定側(cè)護(hù)板（俗稱死側(cè)護(hù)板）。為了順利移架，架間留有100 mm的間隙。如果頂板較破碎的話，難免會(huì)有矸石從架間漏下。所以此支架比較適合于中等穩(wěn)定頂板的工作面。

3 參數(shù)確定

以某礦工作面地質(zhì)條件為例：煤厚度、層位穩(wěn)定，屬全區(qū)可采。通過對(duì)煤礦進(jìn)行實(shí)地考察，研究方案可采煤層的可采厚度3.83～8.12 m，平均厚6.56 m，不含夾矸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，為一全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。

煤層頂板及底板以粉砂巖和細(xì)砂巖為主，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、較穩(wěn)定，撫壓強(qiáng)度較低，遇水變軟。其中細(xì)砂巖的抗壓強(qiáng)度 106～146 MPa，抗拉強(qiáng)度 5.6～18.0 MPa，抗剪強(qiáng)度17.8～54.5 MPa。粉砂巖的抗壓強(qiáng)度37～56 MPa，抗拉強(qiáng)度 1.4～2.5 MPa，抗剪強(qiáng)度 7.0～11.7 MPa。

本機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)參數(shù)為：適應(yīng)煤層傾角為0°～15°的采煤工作面，煤的普氏硬度（平均）f=2.2。采煤高度為1.7～2.2 m，放頂煤高度要符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，綜放工作面應(yīng)符合采放比不大于1∶3的要求。

3.1 支架的最大高度和最小高度的選擇

液壓支架的高度是指其在支撐方向上的垂直高度。

設(shè)計(jì)方案的煤層開采高度為1.7～2.2 m。

1）最小高度Hmin（立柱完全縮回后的垂直高度）：

式中：Mmin為煤層最小開采高度，取1 640 mm（煤層平均厚度6.56 m，采放比最大為1∶3）；s為液壓支架后排立柱處頂板的下沉量，取100 mm；g為浮煤、浮矸厚度，取50 mm；e為移架時(shí)液壓支架的最小回縮量，取0。將數(shù)值代入公式得Hmin=1 490 mm。

2）最大高度Hmax（立柱完全伸出后支架的垂直高度）：

式中：200～300為破碎頂煤破碎膨脹產(chǎn)生的尺寸，此處取200 mm；Mmax為煤層最大開采高度，取2 700 mm（煤層最大厚度8.12 m，采放比最為1∶2）。數(shù)值代入公式得Hmax=2 500 mm。

支架的最大和最小高度應(yīng)符合《液壓支架型式與參數(shù)》（MT/T 169—1996）規(guī)定，則選擇設(shè)計(jì)方案液壓支架最大高度為2 500 mm，支架的最小高度為1 500 mm。

3.2 支護(hù)強(qiáng)度q

支護(hù)強(qiáng)度是指液壓支架單位支護(hù)面積上的支撐力，根據(jù)巖重法理論確定：

式中：q為支護(hù)強(qiáng)度，MPa；N為作用于支架上的頂板巖石厚度系數(shù)，取5～8；h為煤層的截割高度，取2.2m；ρ為頂板巖石的密度，取2.5×103kg/m3。

將數(shù)值代入公式得q=0.27～0.43 MPa。

考慮液壓支架的安全使用性，取安全系數(shù)為1.2，則液壓支架支護(hù)強(qiáng)度 q=（0.27～0.43）×1.2=（0.325～0.516）MPa。

3.3 液壓支架工作阻力

選擇液壓支架時(shí)必須根據(jù)礦山地質(zhì)條件和礦山壓力大小來決定工作阻力值?？捎媒y(tǒng)計(jì)類比法確定液壓支架工作阻力。

1）支架最大載荷的確定

式中：依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，綜放工作面應(yīng)符合采放比為1∶3的要求。H為采煤機(jī)割煤高度，取2.2 m；f為煤層硬度系數(shù)，取2.2；Md為放頂煤厚度，取6.6 m。將數(shù)值代入公式得Fmax=2 012.64 kN。

2）支架工作阻力的確定

考慮一定的安全系數(shù)，得出工作面液壓支架所需設(shè)計(jì)工作阻力：

式中：K為安全系數(shù)，取1.2。將數(shù)值代入公式得Fz=2 415.268 kN。

在理論計(jì)算支架工作阻力基礎(chǔ)上，依據(jù)《液壓支架型式與參數(shù)》（MT/T 169—1996），立柱工作阻力總值應(yīng)符合規(guī)定。

設(shè)計(jì)方案選用立柱工作阻力總值為2 800 kN的液壓支架是合適的。

3.4 初撐力

初撐力的大小取決于泵站的額定壓力、立柱缸體內(nèi)徑以及立柱數(shù)目。

根據(jù)《液壓支架立柱、千斤頂內(nèi)徑及活塞桿外徑系列》（MT/T 94—1996），立柱內(nèi)徑選擇按照表1進(jìn)行。

表1 單伸縮立柱公稱承載力與內(nèi)徑匹配關(guān)系

該液壓支架為放頂煤液壓支架，一般采用四柱支撐，立柱選用單伸縮式，每一立柱的工作阻力為700 kN，與之相匹配的立柱內(nèi)徑為Φ160 mm，立柱活塞桿外徑為Φ150 mm。

1）每根立柱的初撐力

式中：D為每根立柱的缸體內(nèi)徑，取160 mm；Pb為泵站的額定壓力，取31.5 MPa。將數(shù)值代入公式得fc=633 024 N=633 kN。

2）每架支架的初撐力

式中：n為每架支架的立柱數(shù)量，取4；η為支架的支撐效率，取1。將數(shù)值代入公式得Fc=2 532 kN。

3.5 支架中心距、寬度、梁端距和頂梁的選擇

1）支架中心距a。支架中心距應(yīng)符合《液壓支架型式與參數(shù)》（MT/T 169—1996）規(guī)定：選取液壓支架中心距為1 500 m。

2）支架寬度B

式中：a支架中心距，取1 500 mm；b為支架間距，取100 mm。將數(shù)值代入公式得B=1 400 mm。

3）梁端距d。依據(jù)《液壓支架設(shè)計(jì)規(guī)范》（MT/T 556—1996）規(guī)定，薄煤層支架梁端距應(yīng)取200～350 mm。

4）頂梁。減少頂梁長(zhǎng)度，有利于減小控頂面積，增大支護(hù)強(qiáng)度，減少頂板反復(fù)支護(hù)次數(shù)，保持支架結(jié)構(gòu)緊湊，減輕重量。該設(shè)計(jì)方案支架頂梁長(zhǎng)度為3 970 mm。

4 液壓支架技術(shù)參數(shù)（見表2）

5 結(jié)論

表2 支架技術(shù)特征參數(shù)表

本機(jī)設(shè)計(jì)不但能解決中小型煤礦的采煤機(jī)械化和提高支護(hù)可靠性，而且改變了以往放頂煤液壓支架購(gòu)買價(jià)格高的特點(diǎn)，最大范圍內(nèi)推廣機(jī)械化采煤工藝，而且填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)組合式直線型放頂煤液壓支架研制的空白，本機(jī)主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾方面：

1）價(jià)格低廉，購(gòu)機(jī)成本大概在10萬元左右；以往放頂煤液壓支架大概在20萬元以上。設(shè)備重量減輕，大約6.5 t左右，而原有液壓支架大概12 t重。

2）本機(jī)各部件的安裝均采用銷軸便捷安裝，安裝技術(shù)掌握容易，可用于與采煤機(jī)配套使用的綜采、綜放工作面，也可用于炮采工作面。

3）不受煤礦巷道斷面的限制，可分體運(yùn)輸，下井入工作面進(jìn)行組裝，滿足了中小型煤礦的開采需要。