六柱支撑式固体充填采煤液压支架结构及工作原理研究

徐俊明，谭辅清，巨 峰，安百富

（1．中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州221116；2．西山煤电 （集团）有限责任公司，山西 太原030053；3．煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州221008）

综合机械化固体充填采煤技术，是随着近些年 “三下”采煤而发展起来的［1－3］，即利用充填综采设备把固体废弃物 （矸石、粉煤灰、黄土、风积沙及建筑垃圾等）密实充入采煤工作面采空区的一种技术［4］。其工作面关键设备，包括充填综采液压支架和固体充填物料输送机。在这二者中，充填综采液压支架起着顶板管理、隔离围岩维护作业空间的作用，其适应性与可靠性是决定充填开采工作面能否安全高效生产的关键因素之一［5］。实践表明，采煤技术的进步与发展，是与采煤机械化装备密切联系在一起的，每一次液压支架的重大改革与进步，都会带来机械化采煤技术的重大进步［6－7］。六柱支撑式固体充填采煤液压支架的发展，也是固体充填采煤技术进步的显著标志。

1 固体充填采煤支架结构原理

1.1 支架功能与结构组成

充填采煤液压支架是综合机械化充填采煤工作面主要装备之一，与采煤机、刮板输送机、充填开采输送机、夯实机配套使用，起着管理顶板、隔离围岩维护作业空间的作用；与刮板输送机配套能自行前移，推进采煤工作面连续作业。同时，又具有对充入采空区的固体充填物料的压实作用，使充填物料在推压接顶的基础上达到一定的密实度。

六柱支撑式固体充填采煤液压支架前端，掩护综合机械化采煤作业，后部掩护充填作业。充填开采输送机悬挂于支架后顶梁下，用于运输充填料。压实机安装在支架底座上，对充填开采输送机卸下的充填料进行夯实。主要由前、后顶梁、立柱、四连杆机构、支架底座、压实机等构成，如图1所示。

图1 六柱式固体充填采煤液压支架

1.2 支架结构特点

充填开采工作面，支架、煤壁与矸石充填体（及破碎的直接顶）共同承载上覆岩层载荷，所需的支护强度减小［8］。然而，充填综采要求工作面揭露顶板至充填，顶板下沉量最小，以预留最大的空间对采空区进行充填。根据使用矿井实测，充填工作面采用与常规支架相同的支护阻力，监测顶板初始最大下沉量达340mm，由于其不可恢复性，造成充填空间减小，大大影响了充填效果。

据此，六柱支撑式固体充填采煤液压支架，在吸取了以往固体充填支架优点的同时［9］，并根据实际运用效果对其进行了改进，其主要特点叙述如下：

①增设后立柱，提高后顶梁支护阻力。考虑到上述在实践中遇到的问题，小的支护阻力无法很好地控制顶板初始下沉量，造成充填空间的减小，不利于达到理想的充填效果。六柱支撑式充填支架增设了后顶梁立柱，提高了后顶梁的支护强度，保证了充填空间的最大化。②增加下部压实机构，并提高压实力。研究表明，提高充填体自身的密实度及充填率、接顶率等，可以极大地控制上覆岩层的下沉变形。六柱式支架增设下部压实机构，实现了对充入采空区的充填体的全断面压实，使之能充分接顶，并且在较高压实力作用下，提高充填体的密实度，增大其自身抗压性能。③整体提高支架的支护阻力。一方面实施充填工艺加大了支架的空范围；另一方面为保证支架整体受力均衡，支架前后立柱支护阻力应在一相当的范围；再者，支架阻力加大，有利于限制上覆岩层整体下沉量，增大充填空间。

1.3 压实机构原理及特点

固体充填采煤技术直接采用固体物料充填采空区，由于固体物料自身成松散状，通过充填输送机卸落成自由堆放状态，具有较大的压缩量，且无法充分接顶，不能对顶板起到很好的支撑作用。因此，需研制与固体充填采煤技术相适应的设备来保证充填效果。

压实机构在固体物料充填入采空区后，对物料进行压实，使其达到一定的密实度，具有较小的压缩量，控制顶板下沉量，从而将地面变形控制在要求范围内。为实现全断面压实，压实机设计分为上、下两部压实机。上部压实机对上部充填物料进行压实，下部压实机对下部充填物料进行压实，同时阻止充填物料进入支架工作空间。压实机构如图1所示。

上部压实机由两个水平压实油缸、一个调高油缸、一块压实板、两个立柱组成。下部压实机由水平油缸、内箱体及外箱体三部分组成。

2 固体充填采煤支架与围岩相互作用及力学分析

2.1 支架与围岩作用关系

固体充填综采在充填支架的掩护下，前端割煤、运煤，后端进行采空区充填，使得整个工作面一直以开切眼的形式往前推进。实测表明，充填开采后，老顶基本处于弯曲下沉状态，周期破断步距增大，后部充填体在上覆岩层载荷作用下，逐渐被压实，支撑顶板及上覆岩层的下沉移动，如图2所示。

图2 支架与围岩作用模型

在此种开采方式下，整个采面上覆岩层中形成的结构，是 “煤壁－支架－充填体”支撑体系，充填体占据了上覆岩层下沉空间，有效控制了老顶的破断及回转，极大地减弱了老顶破断回转对支架造成的冲击载荷。与传统垮落法开采不同，充填支架除需要平衡上覆岩层压力外，还要最大可能地控制直接顶的下沉变形，以保证充填空间的最大化，有利于向采空区尽可能多的充入充填物料，达到控制上覆岩层的下沉变形。

2.2 支架与直接顶力学模型分析

充填开采形成了煤壁－支架－充填体，共同支撑上覆岩层载荷。支架的作用是支撑直接顶不发生离层，给顶板一个主动支撑作用。充填体在直接顶下沉过程中逐渐被压实，其对顶板的支撑力是一个逐渐增加的过程。根据支撑式液压支架的支撑力特点［10］，及六柱式支架结构特征，建立如图3所示直接顶受力力学模型。

图3 支架及充填体与直接顶作用力学模型

图3中a、b分别为支架中间立柱到前、后顶梁端的距离；q为支架作用直接顶最大集度；q0’为支架后方直接顶作用给充填体的载荷；q’为充填体作用直接顶最大集度。

支架后方直接顶上覆载荷等效作用，在C点一个集中力F和弯矩M0，以C点分别建立各分力的弯矩方程，并根据边界条件，即按最理想充填效果，C点绕度yc为零，利用莫尔积分计算其绕度：

计算支架对直接顶分布载荷最大集度：

在支架与直接顶相互作用的体系中，支架与直接顶相互是作用力与反作用力的关系。建立的支架顶梁力学模型，如图4所示。

图4 六柱式支架顶梁力学模型

图4中A、B、D分别为立柱对顶梁的约束，立柱支撑力的垂直分力，即为以上三处的支座反力FA、FB、FD；l1、l2、l3、l4、l5为顶梁与立柱以及各立柱之间的间距。该模型为多跨静定梁，从C点起计算：

再以B点分析计算：

根据上式，可以分别计算支架各立柱的垂直分力以及支架整体支护阻力。

3 固体充填采煤支架移架过程及特征分析

3.1 支架在回采中的移动形态

工作面支架对顶板的支护，分为升架护顶、降架、移架过程。六柱支撑式充填液压支架由六根立柱支撑，升架过程如图5所示，分为前顶梁端部与顶板接触 （位态Ⅰ）、前顶梁与顶板接触 （位态Ⅱ）、后顶梁与顶板接触的过程 （位态Ⅲ）。升架过程中，前立柱和后立柱分别由两组液压阀控制，前顶梁的梁端先与顶板接触，随着继续送液，前顶梁逐渐与顶板接触，直至达到其初撑力；后立柱是随着前立柱的升起而升起，必须与前立柱配合送液，最后达到整架初撑力。

图5 升架过程示意图

在降立柱移架的过程中，由于与常规的双立柱或四立柱相比，支架控顶范围大，不仅增加了立柱的数量，而且在结构方面增设了后顶梁，因此，移架操作方式具有多样性。研究表明，不卸载或部分卸载移架时有利于控制顶板，六柱式支架移架时尽量采用此方法。①前顶梁带压移架。在移架的过程中，后顶梁立柱完全卸载，前顶梁降低其工作阻力，擦顶前移。②后顶梁带压移架。支架前移时，前顶梁四立柱卸载降架，后顶梁立柱降低工作阻力，保持与顶板接触，带压前移。③完全卸压移架。支架立柱完全卸载，在迁移千斤顶的拉力作用下，前后顶梁不接触顶板整体前移。

3.2 支架移动中结构受力特征

不同围岩条件，选择合理的移架方式，一方面保证了作业空间安全，再者减小了移架阻力，加快了移架速度。上述三种移架方式，第一种方式，由于承受顶板载荷大，使得支架与岩层间摩擦力增大，且在顶板不平时，可能发生支架插顶现象，造成移架缓慢。支架受力分析如图6所示：F＝（G＋2qL1）λ，其中：F千斤顶拉力；q为顶板载荷；P为支架支撑力；f1、f2为摩擦力；λ为摩擦系数；G为支架重量；L1支架顶梁长度。

图6 前顶梁带压移架受力

第二种方式，前顶梁完全卸载后，顶板岩层载荷发生转移，老顶回转角加大，加剧了充填体和支架后顶梁的受力。在移架过程中，支架将会形成绕中立柱A点转动的扭矩，从而造成前立柱受拉拔力，因而在实践中尽量减少此种移架方式。其受力分析如图7所示：N＝q L1λ（m＋L2tanα）／L3，其中：m为采高；α为支架前顶梁与顶板夹角；L2、L3支架立柱间距；N前立柱所受拉拔力；其余与上相同。

第三种移架方式，是在顶板条件很稳定的情况下采用，其前后顶梁完全卸载，基本不承受上覆顶板岩层载荷，移架速度快。

4 结论

（1）六柱式充填支架设置的压实机构，可以对充填物料施加侧向压实力，保证了充填体的密实度和接顶效果；加设的后顶梁立柱，有效地控制了直接顶的初始下沉量，尽可能大地增加了充填空间；支架整体工作阻力的增大，减缓了上覆岩层的下沉，有利于控制地表沉陷变形。

图7 后顶梁带压移架受力

（2）固体充填采煤形成了 “煤壁－支架－充填体”共同支护上覆岩层的支撑体系，并根据支撑式液压支架支撑力特征，初步建立了支架与围岩相互作用力学模型，简要分析了达到理想充填效果时支架最大集度载荷和各立柱受力情况。

（3）六柱式充填支架升架采用从前至后的顺序升立柱至顶梁接顶，移架方式分为前顶梁带压移架、后顶梁带压移架和完全卸载移架三种方式。其中，后顶梁带压移架方式会使前立柱产生拉拔力，可能造成立柱的损坏；完全卸载移架方式不利于顶板管理，只适合在顶板条件较好的情况下采用。

［1］ 张吉雄，缪协兴，郭广礼．矸石 （固体废物）直接充填采煤技术发展现状 ［J］．采矿与安全工程学报，2009，26（4）：395－401．

［2］ 惠功领．我国煤矿充填开采技术现状与发展 ［J］．煤炭工程，2010 （2）：21－23．

［3］ 张文海，张吉雄，赵计生，等．矸石充填采煤工艺及配套设备研究 ［J］．采矿与安全工程学报，2007，24 （1）：79－83．

［4］ 缪协兴，张吉雄，郭广礼．综合机械化固体充填采煤方法与技术研究 ［J］．煤炭学报，2010，35 （1）：1－6．

［5］ 缪协兴．综合机械化固体充填采煤矿压控制原理与支架受力分析 ［J］．中国矿业大学学报，2010，39 （6）：795－801．

［6］ 王国法．液压支架技术体系研究与实践 ［J］．煤炭学报，2010，35 （11）：1903－1908．

［7］ 王国法．煤矿高效开采工作面成套装备技术创新与发展［J］．煤炭科学技术，2010，38 （1）：63－68．

［8］ 王家臣，杨胜利．固体充填开采支架与围岩关系研究 ［J］．煤炭学报，2010，35 （11）：1821－1826．

［9］ 毕锦明．物料充填开采液压支架的研究 ［J］．煤炭科学技术．2010，38 （11）：85－89．

［10］ 钱鸣高，石平五．矿山压力与岩层控制 ［M］．徐州：中国矿业大学出版社，2003．