祖海軍

（大同煤礦集團(tuán)同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，山西 大同037003）

引言

煤礦綜合機(jī)械化開采極大地提升了工作面生產(chǎn)效率，繼而大力推動(dòng)我國(guó)煤炭行業(yè)的發(fā)展，其也是未來提升煤炭行業(yè)現(xiàn)代化的重要戰(zhàn)略舉措。煤礦綜合機(jī)械化開采的實(shí)現(xiàn)離不開采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)以及液壓支架等綜采設(shè)備的配合。液壓支架作為支護(hù)工作面頂板和側(cè)幫的關(guān)鍵設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)綜采工藝必不可少的設(shè)備[1]。液壓支架不僅需與采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)相配套，還需對(duì)連桿及頂梁進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)以提升其支護(hù)強(qiáng)度、控頂能力。本文著重針對(duì)綜采工作面放頂煤液壓支架進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體闡述如下。

1 放頂煤液壓支架的選型設(shè)計(jì)

近年來，綜采放頂采煤工藝被廣泛應(yīng)用于我國(guó)煤礦生產(chǎn)中，對(duì)應(yīng)的低位放頂液壓支架被廣泛應(yīng)用。低位放頂煤液壓支架一般屬于四柱支撐掩護(hù)式液壓支架，根據(jù)其穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形式的不同可分為單擺桿液壓輕型放頂煤液壓支架、正四連桿機(jī)構(gòu)放頂煤液壓支架和反四連桿機(jī)構(gòu)放頂煤液壓支架。

為確保所設(shè)計(jì)液壓支架可適應(yīng)多種圍巖類型的需求，且其支護(hù)能力滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，由于單擺桿液壓支架支護(hù)能力不足，一般選用四連桿結(jié)構(gòu)低位放頂煤支架[2]。綜合對(duì)比正四連桿機(jī)構(gòu)放頂煤液壓支架與反四連桿機(jī)構(gòu)放頂煤液壓支架在行人方便以及操作方式方面，最終確定正四連桿機(jī)構(gòu)放頂煤液壓支架為綜采工作面放頂煤液壓支架的主要結(jié)構(gòu)性。

2 放頂煤液壓支架尺寸的確定

2.1 四連桿尺寸的確定

液壓支架架型為其設(shè)計(jì)的首要步驟，綜合考慮各種架型液壓支架的開采效率、支護(hù)成本以及適應(yīng)煤層、巖層特性，初步確定正四連桿機(jī)構(gòu)放頂煤液壓支架的架型為支撐掩護(hù)式。正四連桿機(jī)構(gòu)放頂煤液壓支架的核心為四連桿機(jī)構(gòu)，本節(jié)將著重對(duì)四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行確定。

四連桿機(jī)構(gòu)作為放頂液壓支架的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，其主要作用為可適當(dāng)減小液壓支架前端距離煤壁的距離，從而提高整機(jī)對(duì)頂板的控制性能；其次，四連桿機(jī)構(gòu)可承受外部載荷，從而保證了整機(jī)剛度，進(jìn)而保障了液壓支架在水平方向和垂直方向的穩(wěn)定性[3]。正四連桿液壓支架的整體簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 正四連桿放頂煤液壓支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

正四連桿放頂煤液壓支架最終結(jié)構(gòu)及尺寸的確定，需對(duì)圖1中各個(gè)尺寸進(jìn)行確定。

1）根據(jù)液壓支架在最高位置和最低位置對(duì)應(yīng)頂端梁的位置，要求頂端梁運(yùn)動(dòng)軌跡不超過70 mm；

2）α為液壓支架頂梁與掩護(hù)梁之間的夾角，β為液壓支架后連桿與底平面之間的夾角。當(dāng)液壓支架處于最低位置時(shí)，綜合考慮到頂板矸石可順利通過掩護(hù)梁下滑至液壓支架后方，要求tanα≥f（f為矸石與掩護(hù)梁之間的摩擦系數(shù)，一般取0.3），則對(duì)應(yīng)α=17°，一般取α為12°～18°；為防止下落的煤矸石卡住后連桿，導(dǎo)致液壓支架不能正常下降，一般取β≥25°-30°。當(dāng)液壓支架處于最高位置時(shí)，一般要求α≤52°-62°，β≤75°-85°。

3）如圖1中掩護(hù)梁與頂梁鉸接點(diǎn)E與中心點(diǎn)O連接線與水平線之間的夾角為θ，一般要求tanθ≤0.16；

4）圖1中L10的尺寸需根據(jù)液壓支架的工作阻力并結(jié)合整機(jī)結(jié)構(gòu)的合理性最終確定。一般的液壓支架L10的取值范圍為150～200 mm，對(duì)于重型液壓支架L10的取值范圍為210～260 mm。針對(duì)綜采工作面放頂煤液壓支架的支護(hù)特點(diǎn)，取L10=250 mm。

5）圖1中L9的尺寸需結(jié)合液壓支架在最低位置時(shí)的高度進(jìn)行確定，而且該數(shù)值與所應(yīng)用煤層厚度相關(guān)。一般的，當(dāng)支護(hù)薄煤層時(shí)L9的取值范圍為150～250 mm，當(dāng)支護(hù)中厚煤層時(shí)L9的取值范圍為250～450 mm，當(dāng)對(duì)于采高較大的工作面L9的取值范圍為450～600 mm。針對(duì)綜采工作面放頂煤液壓支架的支護(hù)特性和工作面條件，取L9=450 mm。

結(jié)合液壓支架的相關(guān)理論計(jì)算，得出液壓支架機(jī)構(gòu)四連桿機(jī)構(gòu)的尺寸如表1所示。

表1 四連桿機(jī)構(gòu)尺寸

2.2 放頂煤液壓支架頂梁尺寸的確定

液壓支架頂梁尺寸的確定需綜合考慮支架類型、支架工作方式、配套長(zhǎng)度等。

其中，當(dāng)液壓支架為支撐掩護(hù)式時(shí)一般要求頂梁長(zhǎng)度較長(zhǎng)；當(dāng)液壓支架為掩護(hù)式時(shí)應(yīng)盡可能限制頂梁長(zhǎng)度。本文所研究液壓支架為支撐掩護(hù)式，因此其頂梁長(zhǎng)度較長(zhǎng)[4]。

液壓支架的工作方式可以分為及時(shí)支護(hù)方式和滯后支護(hù)方式。一般的，及時(shí)支護(hù)方式液壓支架對(duì)應(yīng)頂梁長(zhǎng)度較長(zhǎng)，滯后支護(hù)方式對(duì)應(yīng)頂梁方式較短。本文所設(shè)計(jì)液壓支架的工作方式為及時(shí)支護(hù)方式，對(duì)應(yīng)頂梁長(zhǎng)度較長(zhǎng)。

此外，頂梁尺寸還需結(jié)合液壓支架頂端與煤壁之間的距離。綜合考慮，放頂煤液壓支架對(duì)應(yīng)頂梁長(zhǎng)度的計(jì)算公式如式（1）所示：

式中：Lp為液壓支架的配套尺寸，該尺寸需結(jié)合與所設(shè)計(jì)液壓支架相配套采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)予以最終確定，本文中Lp=2 037 mm；Ld為液壓支架底座長(zhǎng)度，取Ld=2 900 mm；e為液壓支架在最高位和最低位時(shí)頂梁位置的距離，取e=59 mm；A為液壓支架后連桿的距離，取A=1 350 mm；β1為液壓支架處于高位時(shí)后連桿與底平面之間的夾角，取β1=77.6°；α1為液壓支架處于高位時(shí)頂梁與掩護(hù)梁之間的夾角，取α1=56.5°；Lk為液壓支架頂端梁與煤壁之間的距離，取Lk=400 mm；Lh為液壓支架掩護(hù)梁與頂梁鉸接位置與頂梁后端點(diǎn)之間的距離，Lh=100 mm。

經(jīng)計(jì)算可得，液壓支架頂梁長(zhǎng)度為3 626 mm。

2.3 其他關(guān)鍵參數(shù)的確定

1）液壓支架高度的確定。液壓支架的最大高度需根據(jù)采煤機(jī)的最大采高確定，其最小結(jié)構(gòu)高度與工作面頂板的下沉量和伸縮比相關(guān)。結(jié)合上述兩項(xiàng)因素最終確定液壓支架的最大結(jié)構(gòu)高度為3 m，最小結(jié)構(gòu)高度為2.1 m。

2）液壓支架寬度的確定。液壓支架寬度參數(shù)與其配套的采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)的相關(guān)尺寸有關(guān)。目前，我國(guó)普遍應(yīng)用液壓支架的中心距包括有2.05 m、1.75 m、1.5 m和1.25 m。結(jié)合工作面的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，最終選用中心距為1.5 m的液壓支架，其對(duì)應(yīng)的最小寬度為1.44 m，最大寬度為1.6 m。

鑒于篇幅有限，此處不對(duì)液壓支架各個(gè)部件尺寸確定進(jìn)行詳細(xì)說明，所涉及液壓支架的關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。

表2 液壓支架關(guān)鍵參數(shù)

3 液壓支架的應(yīng)用效果

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)液壓支架的支護(hù)效果，將其應(yīng)用于正在開采的工作面中，并為其配置型號(hào)為MG200/500-AWD采煤機(jī)和SGZ730/400的刮板輸送機(jī)。對(duì)當(dāng)前支護(hù)條件下液壓支架的實(shí)際初撐力和工作阻力進(jìn)行測(cè)量，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)液壓支架的相關(guān)參數(shù)是否滿足要求，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 液壓支架實(shí)際支護(hù)參數(shù)

如表3所示，液壓支架的實(shí)際初撐力和工作阻力均略低于其相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，即所設(shè)計(jì)液壓支架可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

4 結(jié)語

液壓支架為煤礦工作面實(shí)現(xiàn)綜合機(jī)械化開采的基礎(chǔ)，是保證工作面安全生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，是保證采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)適用性運(yùn)行的核心[5]。尤其是如今煤礦工作面采用放頂采煤工藝的案例眾多，為其配置高支護(hù)強(qiáng)度、高穩(wěn)定的性放頂煤液壓支架對(duì)提升煤礦生產(chǎn)效率和安全性具有重要意義。針對(duì)放頂煤采煤工藝，本文選用正四連桿機(jī)構(gòu)放頂煤液壓支架為其核心支護(hù)設(shè)備，并根據(jù)該采煤工藝特點(diǎn)和工作面條件完成對(duì)四連桿機(jī)構(gòu)和頂梁機(jī)構(gòu)尺寸的確定。經(jīng)實(shí)踐表明，所設(shè)計(jì)液壓支架的初撐力和工作阻力均可滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。