炮采薄煤层液压支架研制

高振伟

（兖矿集团有限公司北宿煤矿，山东邹城 273500）

炮采薄煤层液压支架研制

高振伟

（兖矿集团有限公司北宿煤矿，山东邹城 273500）

根据兖矿集团北宿煤矿16煤具体地质条件，参照在17煤应用较好的薄煤层液压支架，研制开发了适用16煤的炮采机装的顶梁与掩护梁左右对称的分体式薄煤层液压支架，最大可适应顶板起伏变化300mm，对类似煤层开采具有一定的参考价值。

薄煤层;液压支架;含硬夹矸

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北宿煤矿主采煤层16煤、17煤为薄煤层，平均厚度0.9m，含有炭质砂岩夹矸和黄铁矿结核。其中，炭质细砂岩夹矸 （坚固性系数f=7）位于煤层的中下部，呈条带状，沿煤层走向分布，厚度在180mm左右 （最大厚度达到210mm），赋存相对稳定;黄铁矿结核特点是分布广泛、位置随机、体积较大 （最大可达300mm×210mm）。由于硬度极高，给正常破煤带来很大难度。

为了实现上述煤层的安全高效开采，北宿煤矿探索出了炮采机装开采工艺，并率先在17煤进行使用，效益较好。16煤由于顶板不平，起伏变化较大 （俗称“蘑菇顶”），最大落差达300mm，现有的17煤层支架由于接顶性较差，无法在16煤使用。为此，研制开发了适应性更强的分体式炮采薄煤层液压支架，在16煤进行了开采试验，获得成功。本文介绍该支架的结构及特点，希望对类似煤层赋存条件的支架设计有一定指导作用。

1 支架型式确定

按架型结构划分，支架主要有掩护式液压支架、支撑式液压支架、支撑掩护式液压支架;按稳定机构可分为四连杆液压支架、单摆杆液压支架、单铰点液压支架和直线式组合型液压支架等几种型式。下面对上述各种架型分别进行分析比较。

1.1 两柱掩护式

一般来说，两柱掩护式具有以下几个特点:伸缩比大，一般可达2.4，适应煤层厚度变化能力强;平衡千斤顶可调节合力作用点的位置，支架对顶板的适应性强;支架对顶板向煤壁方向水平推力较大，有利于维护顶板的完整;液压控制系统简单，管路少，有利于提高移架速度;对围岩适应性强，对煤层变化较大的工作面适应性较强。

具体到本工作面，该支架其主要存在以下缺陷:最小采高时，行人空间过小;低位时支护效率低;底座前端比压较大;低位时掩护梁背角较小，矸石不能自由下滑，“背矸”现象严重，支架附加力较大。

1.2 单摆杆液压支架

该支架的特点是稳定机构采用摆杆机构。行人空间较大，有效地解决了两柱掩护式支架行人空间过小的缺陷，由于掩护梁与顶梁焊接在一起，因而掩护梁背角较大，不存在掩护梁“背矸”现象。

主要缺点是端面距变化值较大且抗扭能差。由于稳定机构采用单摆杆机构，该机构在支架升降过程中作圆周运动，因而端面距变化十分明显。单摆杆机构在平面力学体系中可简化为二力杆机构，抗扭性较差。而16煤的最大特点是顶板凹凸不平，因而支架顶梁上表面与顶板间的接触以多点接触为主，支架偏载现象严重，要求支架必须具有较强的抗扭性，而单摆杆机构的最大缺点是抗扭性能力差，因而不能适应本工作面要求。

1.3 四柱支撑掩护式

四柱支撑掩护式支架的特点是:稳定性好，抗水平力强，比压均匀，主要适应2，3类直接顶，Ⅱ、Ⅲ级基本顶。对本工作面来说，最大优点是可以将行人通道设置在前后立柱中间，较为安全。

综合考虑认为，本工作面支架以选择四柱支撑掩护式支架较为合理。因为现有的17煤支架使用经验表明，四柱支撑掩护式支架对稳定顶板适应性较好，通过了井下实际生产实践的考验。现将原有的单摆杆机构更换为四连杆机构，增加支架抗扭性能，进一步完善了支架性能，改进后的支架应该能适应16煤赋存特点。

2 支架主要结构型式确定

2.1 支架主体结构

为了适应工作面顶板起伏变化，将支架顶梁与掩护梁设计为左右对称的分体式结构形式，每侧支架都设置四连杆式稳定机构，以增加支架抗扭性能，底座采用一体式结构，增强支架整体稳定性。采用整顶梁结构，顶梁两侧不设活动侧护板，以简化支架结构、减轻支架重量。左右侧顶梁间隙为50mm，由于没有设置侧推千斤顶，将顶梁侧面设置2个大耳板，以增加支架抗扭性能。采用上述结构后，左右侧顶梁最大落差可达300mm，基本适应顶板起伏变化。

2.2 伸缩梁结构

伸缩梁的主要作用是超前支护。放炮后，没有移架前，伸缩梁伸出，护住顶板。为了使伸缩梁在伸出过程中能很好地接顶，并且在伸出后能有效地产生前端初撑力，伸缩梁采用弹簧钢板结构，伸缩梁未伸出时低于顶梁上平面，伸出过程中逐渐上抬，并生产初撑力。伸缩梁行程600mm，放炮伸出后，梁端距为350mm。

采用分体顶梁结构后，由于尺寸限制，只能采用缸径为φ63/45的千斤顶，并且只能将千斤顶布置在柱帽两侧。在顶梁中档设置箱形，同时将伸缩板设计为条状结构，以便对伸缩板进行导向。

2.3 推移机构

目前支架推移机构主要采用推移框架结构。其结构包括推移框架、连接头、推移千斤顶和销轴等，主要作用是推移输送机、拉架并对支架进行导向。由于本项目支架重量较轻，加上工作面为炮采落煤，没有采煤机等综采设备，因而推移机构在拉架、推溜时侧向力较小，为了保证必要的行人空间并减化结构，将推移千斤顶兼作推移导向机构，取消了推移框架。

推移步距根据炮采工艺定为1200mm，推移千斤顶的行程定为1300mm。当推移行程接近终点时，支架的导向由固定在溜槽上的推移耳座进行导向定位，此时推移千斤顶不受横向载荷。推移千斤顶前端上部有过桥限位，允许推移千斤顶上抬80mm;下部未封闭，不限位。

2.4 底座

底座是将顶板压力传递到底板和稳定支架的部件，除了满足一定的刚度和强度外，还要求对起伏不平的底板适应能力要强，对底板接触比压要小。其主要作用包括:为立柱、液压控制装置、推移装置及其他辅助装置形成安装空间;为工作人员创造良好的工作环境;具有一定的排矸、挡矸作用;保证支架的稳定性。

为了尽可能增加人行通道的高度，减轻支架重量，前、后立柱底座部分设计成弹簧钢板的柔性结构，底座后部为刚性整体结构。底座前部为独立的左右两部分，通过钢板与底部后部连接，只能上、下摆动，不能左右摆动。

2.5 挡煤装置

挡煤装置是挡住爆破落煤时冲向采空区方向的煤炭。由于挡煤装置瞬间承受的爆破冲击力相当大，所以要求挡煤装置既能挡住落煤，又不能产生较大的塑性变形;既要适应支架从最低到最高的变化，又要完成挡煤后不影响架前架后的通行和支架操作过程中对架前的观察;同时还要便于操作，易于更换。

为了适应煤层厚度变化，挡板设计为双层三级高度可调结构，第1级配套支架使用高度为610～1000mm，第 2级配套支架使用高度为 710～1100mm，第3级配套支架使用高度810～1200mm。放炮前，将上、下活动挡煤板全部横向抽出，封住前后通道，挡煤装置处于放炮挡煤状态。放炮后，将上、下活动挡煤板全部缩回，挡煤装置处于通道打开和可移架状态。

3 结束语

北宿煤矿研制了10架样机用于16煤工作面，进行了半年的井下工业性试验。井下试验结果表明，该支架整体结构比较合理，没有出现开焊、拉不动架等现象，基本适应了16煤层顶板起伏变化大的特点。在实际应用中发现该支架顶梁较厚、整体重量较重，有待今后进一步改进。

［1］蒲宝山.较薄煤层高效开采工作面设备优化配套研究［D］.煤炭科学研究总院，2006.

［2］王国法，史元伟，陈忠恕，等.液压支架控制技术［M］.北京:煤炭工业出版社，1999.

TD355.43

B

1006-6225（2011）04-0076-02

2011－05－26

高振伟 （1961－），男，山东临沂人，高级工程师，现任兖矿集团北宿煤矿矿长。

［责任编辑:王兴库］

矿压与灾害控制