大同煤田侏羅系使用支架在石炭系應(yīng)用的分析研究

摘 要：文章通過(guò)對(duì)ZZ6000/18/38型新型液壓支架的結(jié)構(gòu)分析，闡述了同煤集團(tuán)山西組煤田石炭系開(kāi)采工作面液壓支架的選型、設(shè)計(jì)方向的相關(guān)結(jié)構(gòu)問(wèn)題，為同煤集團(tuán)所屬煤田開(kāi)采的延伸工作提供了可靠的實(shí)踐依據(jù)，也為我們?cè)谑肯得簩舆x型液壓支架方面提供了一套合理的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：石炭系；液壓支架；結(jié)構(gòu)選型；研發(fā)設(shè)計(jì)

前言

現(xiàn)今大同煤礦集團(tuán)已初步構(gòu)建成跨地區(qū)、跨行業(yè)、跨所有制的億噸級(jí)煤炭集團(tuán)，而且侏羅系煤層儲(chǔ)存的逐漸減少，下部石炭系煤層賦存豐富開(kāi)采能力，研究大同煤田石炭系煤層的開(kāi)采支護(hù)成為了同煤集團(tuán)能否持續(xù)均衡地科學(xué)發(fā)展的重大課題。隨著老礦工作面的延伸，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(duì)穩(wěn)定的侏羅系煤層延伸到了頂?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)的一項(xiàng)重要課題。

為此，在總結(jié)國(guó)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研發(fā)制造和實(shí)踐應(yīng)用。

1 石炭系液壓支架的使用特點(diǎn)

燕子山礦ZZ6000/17/37型支架的實(shí)踐證明：

（1）支架的工作特征。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(shí)左時(shí)右，構(gòu)件受側(cè)向力沖擊較大；放頂前支架工作阻力普遍呈增阻狀態(tài)，而且增阻幅度主要是前柱大于后柱；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；底板橫向起伏，造成梁端距控制比較困難。（2）支架的承載狀況。采煤放頂過(guò)程時(shí)，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3～18MPa。而后立柱在放頂時(shí)，受垮落頂板煤巖的沖擊，造成前后立柱循環(huán)阻力變化較大，變化值一般在1～20MPa之間，待放頂結(jié)束10-30min之后立柱阻力逐漸增大，一般升高值10-18MPa，后部受拉狀態(tài)占整個(gè)開(kāi)采過(guò)程的20%左右。而且，底板起伏原因，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(xiāo)軸，側(cè)向受力交替值一般在-11MPa～+23MPa之間（-號(hào)為壓力，+號(hào)為拉力）。（3）石炭系采區(qū)的頂板一般為砂質(zhì)頁(yè)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?duì)支架前后立柱的承載產(chǎn)生影響。隨著放頂厚度的增大，其剛度減小；隨著放頂強(qiáng)度的增大，其剛度增大，這種變化無(wú)疑對(duì)支架的承載產(chǎn)生影響，尤其是支架前后柱阻力的影響。（4）由于支架支撐高度較大，各部件用銷(xiāo)軸連接，銷(xiāo)軸與孔之間存在軸向間隙，即使在水平的工作條件下，也會(huì)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]（5）通常在采煤過(guò)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400～500mm之間，割煤后，移架前，水平開(kāi)采條件下，支架梁端距增加到1000～1300mm之間，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(guò)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(shí)支護(hù)措施。采煤機(jī)發(fā)生仰采時(shí)，采煤機(jī)的滾筒就有可能割支架的頂梁；俯采時(shí)，采煤機(jī)滾筒呈現(xiàn)前赴狀態(tài)，梁端距可能會(huì)增大，有時(shí)甚至達(dá)到1800mm左右，給支護(hù)帶來(lái)更大的困難，甚至使支架出現(xiàn)失穩(wěn)，呈現(xiàn)前栽頭趨勢(shì)。

2 支架設(shè)計(jì)采取的措施

（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，a.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)，以便增加四連桿受力均衡，提高四連桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；b.支架頂梁、掩護(hù)梁增設(shè)強(qiáng)力活動(dòng)側(cè)護(hù)板，調(diào)整與鄰架間正常距離；c.盡量增加底座寬度及底座結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；d.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(shí)的抗扭性能；e.四連桿機(jī)構(gòu)之間的孔軸配合間隙不超過(guò)0.75mm[1]；f.增加底座長(zhǎng)度，降低對(duì)底板比壓，同時(shí)，提高底座主筋的抗拉斷面，增強(qiáng)其抗拉強(qiáng)度；g.調(diào)整掩護(hù)梁背板與水平面的夾角，一般在支架最大支護(hù)高度時(shí)夾角52°～62°為宜。[4]提高掩護(hù)梁的抗扭性能；h.調(diào)整支架最大高度時(shí)后連桿與水平夾角，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，a.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功能。b.四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)化其參數(shù)，將支架降低時(shí)頂梁垂直方向行程的運(yùn)動(dòng)雙紐線呈前突狀態(tài)，使頂梁對(duì)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。c.增大支架四連桿運(yùn)動(dòng)瞬心點(diǎn)O與支架水平距離，提高支架前后部受力的均衡度，減小拔后柱力矩。d.合理布置頂梁前后柱帽中心距，前立柱柱帽位置應(yīng)盡量前移，增大支架頂梁受外載時(shí)的平衡區(qū)域，提高支架前后部受力的均衡度。e.支架選型設(shè)計(jì)時(shí)，適當(dāng)將支架的支護(hù)阻力提高，增強(qiáng)支架對(duì)頂板來(lái)壓特性的適應(yīng)能力，減少頂梁合力前移的現(xiàn)象，預(yù)防前部受力，后立柱受拉。（3）提高支架抗沖擊能力，應(yīng)采取以下措施：a.選用1000L/min的大流量安全閥，保證泄壓速度，提高立柱抗沖擊能力[3]；b.對(duì)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；c.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(shí)液體緩沖能力；d.增大管路回液能力，設(shè)計(jì)回液出口時(shí)一般比進(jìn)液口小一個(gè)流量等級(jí)（按照每分鐘流量），甚至要與進(jìn)液口相同，減少液體流動(dòng)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：a.采用伸縮功能的頂梁結(jié)構(gòu)，割煤后及時(shí)伸出，支護(hù)頂板，防止冒落[2]；b.盡量改善護(hù)幫板的護(hù)幫和臨時(shí)支護(hù)功能，要求護(hù)幫板完全伸開(kāi)時(shí)，能夠伸平甚至上翹5°，及時(shí)支護(hù)頂板[5]。

3 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)幾年的研究分析與總結(jié)，老結(jié)構(gòu)的液壓支架已經(jīng)不能夠適應(yīng)同煤集團(tuán)石炭系煤層的開(kāi)采支護(hù)。因此，新結(jié)構(gòu)液壓支架的開(kāi)發(fā)迫在眉睫。新研制的ZZ6000/18/38型液壓支架在同煤集團(tuán)燕子山礦投產(chǎn)運(yùn)行后，很好地適應(yīng)了石炭系煤層的開(kāi)采工作，且穩(wěn)定性好。不僅適應(yīng)了該礦石炭系煤層的開(kāi)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。

參考文獻(xiàn)

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

作者簡(jiǎn)介：李大慶（1977，7-），男，山西五臺(tái)，工程師，本科，研究方向：煤礦機(jī)械設(shè)計(jì)及制造方面。