大同煤田特厚煤层液压支架的开发研究

摘要：文章总结了几年来大同煤矿集团多个千万吨矿井使用特厚煤层放顶煤液压支架的实践，阐述了适用于大同煤田石炭系特厚煤层的放顶煤液压支架设计的要点、难点、关键点，提出了保证大采高液压支架横向、纵向、煤壁稳定性和防止放顶煤支架拔后柱、抗冲击载荷的一些必要措施，在特厚煤层放顶煤液压支架研究方面取得了新的技术经验。

关键词：特厚煤层；放顶煤；液压支架；大同煤田

中图分类号：TD823 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）29-0101-02

1 研究意义

进入21世纪以来，随着大同煤矿集团2000年7月改制为国有独资公司，2003年12月包含晋北主要煤炭生产和销售企业的大型煤炭集团及2005年底实现债转股的三次改制重组。大同煤矿集团已初步构建成跨地区、跨行业、跨所有制的亿吨级煤炭集团，而且侏罗系煤层储存逐渐减少，下部石炭系特厚煤层赋存丰富，研究大同煤田石炭系特厚煤层的开采已成为同煤集团能否持续均衡科学发展的重要问题。近年来，随着塔山、同忻、东周窑、金庄、麻家梁等千万吨矿井的相继投产，制造大同煤田特厚煤层条件下运用的液压支架成为煤机制造行业的一项重要课题。为此，笔者认真总结了国内外特厚煤层液压支架制造使用的经验教训，尤其是以大同煤矿集团塔山矿实验基地的“十一五”国家科技支撑计划重大项目“特厚煤层大采高综放开采成套技术与装备研发”课题之三、大采高综放液压支架研发为研究对象，重点研究了特厚煤层放顶煤液压支架的制造和使用实践。

2 研究内容

2.1 特厚煤层放顶煤液压支架制造的特点

经过塔山、同忻煤矿ZF13000/25/38、ZF15000/27.5/42、ZF15000/32/52型支架的實践证明：

2.1.1 支架的工作特征：（1）放顶煤前支架工作阻力普遍呈增阻状态，而且增阻幅度主要是前柱大于后柱；（2）放顶煤后支架的工作阻力普遍下降，但下降幅度后柱大于前柱；（3）放煤前支架支护强度增加，但放顶后普遍下降。

2.1.2 支架的承载状况。由于放顶煤工艺的特点，使得支架前后立柱的受力不均。前柱由于顶煤放空造成支架后部空洞，前柱受上部煤岩的压力影响，阻力普遍大于后立柱。阻力差值一般为2～16MPa。而后立柱在放煤时，即垮落煤岩的冲击，造成前后立柱循环阻力变化较大，即放顶煤时前后立柱阻力都开始下降。放顶煤来时后柱的阻力逐渐下降，变化值在1～20MPa之间，待放煤结束10～30min之后立柱阻力逐渐增大，一般升高值10～18MPa，整个开采过程的20%左右。

2.1.3 放煤的刚度（厚度）变化对支架前后立柱的承载产生影响。随着放顶煤厚度的增大，其刚度减小；随着放顶煤强度的增大，其刚度增大，这种变化无疑会对支架的承载产生影响，尤其是放顶煤支架前后柱阻力的影响。

2.1.4 由于支架支撑高度较大，支架各部件用销轴连接，销轴与孔之间存在轴向间隙，即使在水平的工作条件下，也会产生支架歪斜、扭转，造成支架横向不稳定的现象。

2.1.5 当支架承受纵向水平摩擦力时，引起底座比压和支架外载合力作用点的变化，特别是当支架承受向前的纵向水平力时，将引起底座合力作用点前移，而特厚煤层支架由于高度变化大，合力作用点位置变化大，甚至可能造成底座合力作用点超过底座前端，使支架纵向失稳。

2.1.6 通常大采高支架梁端距为450～550mm，而且大采高工作载荷都比较大，在850mm左右，割煤后、移架前，支架的空顶距将增加到1400mm左右，这一部分没有得到支护的顶板及顶煤易产生冒落，威胁工人的人身安全及机器的正常运转，因此，为了有效地支护这一部分裸露的顶板，尽可能地将支架向前移动，使支架对这部分顶板起到支护作用，采煤机仰斜采上仰5°时，采煤机的滚筒就有可能割支架的顶梁，若采煤机俯斜采煤，前倾5°，则梁端距就要加大一倍多，割煤后，移架前梁端距大至1900mm。但是由于煤层底板起伏不平或操作不当，采煤机相对于支架向前或向后偏斜是不可避免的。

2.2 特厚煤层放顶煤支架设计应采取的措施

2.2.1 为了解决前后立柱阻力不均匀，拔后柱现象：（1）支架顶梁一般应设计为铰接前梁结构，以便发挥前梁的让压功能；（2）要求支架四连杆结构在支架顶梁下降时双纽线有向前运动趋势，使顶梁对顶煤有指向煤壁的分力，防止支架前方顶煤纵向裂隙加大而快速下沉和冒顶，同时增大支架四连杆运动瞬心点O与支架水平距离，减小尾梁载荷产生拔后柱力矩；（3）合理布置顶梁柱窝位置，前立柱柱窝位置应尽量前移，立柱向前倾斜布置，增大支架顶梁受外载力平衡区域；（4）增加支架工作阻力储备，维持支架合力作用点随前柱保持与顶板合力的平衡。

2.2.2 为了提高支架的横向稳定性采取了以下措施：（1）加大支架间距，由1.5m中心距改为1.75m中心距；（2）四连杆机构之间的孔轴配合间隙不超过0.75mm；（3）中间架顶梁、掩护梁增设强力活动侧护板，调整与邻架间正常距离；（4）尽量增加底座宽度及底座结构的稳定性；（5）增加支架结构件及连接耳板的厚度及强度，保证横向歪斜时的抗扭性能；（6）底座设底调千斤顶，防止支架横向下滑；（7）工作面两端各设3～4架排头支架组成锚固站，防止支架横向下滑，作为全工作面横向稳定性的基础。

2.2.3 为了提高支架纵向稳定性，采取了以下措施：（1）在四连杆机构设计中，使顶梁的双纽线运动轨迹自上而下为向工作面煤壁倾斜的曲线，保证水平摩擦力始终指向采空区。支架两端曲线变化平稳，在支架从高到低的变化过程中，梁端距逐渐变小，顶梁向前运动；（2）支架采用紧凑型掩护梁结构，尽量增大掩护梁与顶梁的背角，严格控制掩护梁的外漏量；（3）在满足设备空间布置的前提下，尽量减小无立柱空间，并增加底座接地面积；（4）对于仰采、俯采条件下使用的液压支架，应适当增大支架抗水平力的结构，适当增强支架的结构件及连接件强度；（5）采用双前连杆，整体后连杆结构，保证支架整体稳定性。

图1 实心活柱结构的立柱

图2 空心活柱结构的立柱

2.2.4 为提高支架抗冲击能力，应采取以下措施：（1）选用1000L/min的大流量安全阀，保证泄压速度，提高立柱抗冲击能力；（2）对受冲击载荷较多的放顶煤支架后立柱增加缸筒壁厚，提高抗冲击能力；（3）后立柱改实心活柱为空心活柱，使缸筒与活柱空心腔相通，增加冲击时液体缓冲能力；（4）增大管路安全阀卸液通道尺寸，减少液体流动阻力，尽量增大缓冲能力。

2.2.5 为了提高工作面煤壁稳定性，防止片帮事故，应采取以下措施：（1）采用伸缩功能的顶梁结构，割煤后及时伸出，支护顶板；（2）尽量加大护帮板面积和护帮作用力，必要时可采用二级护帮结构，要求护帮板完全伸开时，能够伸平甚至上翘5°，及时支护顶板，提高切顶能力。

图3 带有伸缩梁结构的

液压支架 图4 带有两级护帮板结构的液压支架（最大支护高度5m）

3 效果与评价

经过几年的研究探索，特厚煤层放顶煤液压支架制造在同煤集团中央机厂已经成为主导产品，改变了国内同类液压支架依靠进口和仅限于北煤机、郑煤机两大巨头制造的局面，大大降低了煤炭生产成本，提高了大同煤矿集团大采高综采设备制造在市场上的竞争力，具备了实现产业化的条件和可能性。

经中央机厂制造研究的ZF13000/25/38、ZF15000/27.5/42型特厚煤层放顶煤液压支架已经广泛用于同煤大唐塔山矿、同煤国电同忻矿、同煤浙能东周窑矿灯多个千万吨矿井，而且使用效果良好，支架寿命通过了国家支护检测中心50000次循环加载形式试验要求，大修周期达到了3000万吨以上，与之配套的端头支架和超前支架能有效地维护大采高综放工作面端头顶板，实现了工作面快速推进。

参考文献

[1] 王国法.大采高技术和大采高液压支架的开发研究[J].煤矿开采，2009，（1）.

[2] 王国法.液压支架技术[M].北京：煤炭工业出版社，1999.

[3] 刘大同.特厚煤层大采高综放设备的研发[J].煤矿机电，2011，（1）.

作者簡介：刘建军（1969-），男，大同煤矿集团机电装备公司中央机厂对外协作处副处长，工程师，研究方向：机械工程与自动化。