大采高综采工作面成套设备选型及强力掩护式液压支架设计

郑永强 黄泉清 曹银苟 燕 燕 解成林

（郑州四维矿业机械有限责任公司，河南 郑州 450000）

我国是世界上厚煤层储量最大的国家之一，在全国统配煤矿中，厚度在3.5m 以上的煤层约占总储量的43%。 为实现减人提效，保证安全，建设高产高效矿井，在适合综采条件下，多数赋存厚煤层的矿井选择一次采全高的综采采煤方法。

根据厚煤层综采工作面矿压规律及矿井运输条件的限制等，结合沈阳红阳三矿地质及配套系统条件，研发窄尺寸、高支护强度综采液压支架。 另外对厚煤层所使用的其它回采设备进行科学严谨的选型与配套， 为我国厚煤层大采高综采装备的完善做出贡献。

1 地质条件

沈阳红阳三矿可采煤层三层，12-1、12-2 和13 煤。12-1 煤层全区赋存稳定，煤层总厚0.93～2.09m，平均1.7m。 常有一层夹矸，有时三层，夹矸累计厚0.8—1.2m，平均1.1m，煤质硬度f=0.26。 12-2 煤稳定性较差，煤层总厚平均1.5m。

12-1 煤的直接顶为黑色泥岩， 致密、 厚层状。 厚度8.99～11.41m，平均厚度为10.25m，f=2.19～2.65。

12-1 煤的老顶为粉砂岩或中砂岩，厚度为10-18m，平均为15m。

12-1 煤与12-2 煤间夹矸层为泥岩， 一般厚度为0.33～1.99m，平均1.07m，f=2.19～2.65。

12-2 煤底板为细砂岩、泥岩互层，有时全部为泥岩。 厚度0.16～1.78m，平均0.70m。粉砂岩f=2.64～3.8，中砂岩f=4.57～5.78。

12-1 煤与12-2 煤层均松软，f=0.26， 煤层倾角为6°～10°，平均6°。

煤层水文地质条件简单，围岩富水性弱。

从12# 煤层的赋存情况来看，地质构造相对简单，直接顶中等稳定且厚度较大，煤层节理层理发育，煤质偏软，底板易碎，但由于水文地质条件简单，顶层板含水量小，对煤层底的强度、硬度影响不大。该矿开采深度达到1 000-1 100m，并且该采区地压大，多断层，曾经在掘进时出现“岩爆”现象。 瓦斯涌出量较大，属于瓦斯突出矿井。

首采工作面设计长度（煤壁绝对长度）195m，生产能力500万t/面.年，回风巷（矩形）4.2m×3.5m（宽×高），机巷（矩形）4.2m×4m（宽×高）。

2 大采高强力综采面成套设备选型

在对国内厚煤层综采设备配套技术及高产高效开采方法进行研究，并对“三机”厂家设备可靠性进行调研的基础上，依据红阳三矿厚煤层地质条件特点，对液压支架进行特别设计，对采煤机功率等进行精确核算， 最终确定适合该矿厚煤层大采高强力综采开采的成套设备。

2.1 MG650/1480-GWD 采煤机

采高2.7～5.3m； 截深800mm； 适应倾角≤15°； 滚筒直径Φ2500mm；供电电压3300V；牵引力927～550kN；牵引速度0～10.35～17.18m/min；牵引形式为电牵引（交）无链销轨；机面高度2097mm；灭尘方式为内外喷雾；装机功率为（2×650+2×70+2×20）kW；主机外形尺寸15 000×2 495×2 080mm；设计生产能力4 000t/h；最大不可拆卸件尺寸2 830×1 982×970mm；最大不可拆卸件重量≤9.6t；主机重量90t。

2.2 刮板机、转载机及破碎机选型

（1）SGZ1000/2×700 刮板运输机主要技术参数： 装机功率2×700kW；输送量2 000t/h；设计长度250m；

中部槽内宽1 000mm；刮板链型式为中双链；溜槽结构型式为整体铸焊。

（2）SZZ1000/400 桥式转载机主要技术参数： 装机功率400kW；输送量2 200t/h；设计长度60m；中部槽内宽1 000mm；刮板链型式为中双链。

（3）PLM3000 锤式破碎机主要技术参数： 破碎能力3 000t/h；电机功率200kW；破碎粒度≤300mm。

2.3 液压支架选型

（1）基本支架ZY15000/29/63D 主要技术参数：架型为两柱掩护式基本液压支架；型号ZY15000/29/63D；支架高度2 900～6 300mm；支架宽度1 660～1 860mm；支架中心距1 750mm；初撑力10 020kN（P=31.5MPa）；额定工作阻力15 000kN（P=47.2MPa）；平均支护强度1.66Mpa；移架步距800mm；泵站压力31.5Mpa；操纵方式为电液控制；工作寿命（循环次数）大于40 000 次。

（2）过渡支架ZYG15000/29/63D 主要技术参数：架型为两柱掩护式过渡液压支架；型号ZYG15000/29/63D；支架高度2 900～6 300mm；支架宽度1 660～1 860mm；支架中心距1 750mm；初撑力10 020kN （P=31.5MPa）； 额定工作阻力15 000kN （P=47.2MPa）；平均支护强度1.66Mpa；移架步距800mm；

泵站压力31.5Mpa；操纵方式为电液控制；工作寿命（循环次数）大于40 000 次。

（3）端头支架ZT25000/25/47 主要技术参数：型号ZT25000/25/47；高度2 500/4 700mm；宽度3 400mm；中心距1 750mm；初撑力19 390kN （P=31.5MPa）； 额定工作 阻力25 000kN （P=40.62MPa）；平均支护强度0.7Mpa；泵站压力31.5Mpa；控制方式为手动控制。

注：根据该矿反馈的井下实际使用情况，上述设备的选型不仅能满足矿井设计生产能力的要求， 而且支架的尺寸能满足井下运输的要求。

3 工作面成套支架设计特点

该矿整套支护设备涵盖基本架、过渡架、端头支架，为国内煤矿机械化支护较全的成套设备。 该套支架结构紧凑、配合间隙小，对支架的设计和生产工艺要求非常高。

ZY15000/29/63D 基本架， 中心距为1.75m， 支护强度达1.66MPa，采用窄中心距、高支护强度（工作阻力大）的设计在国内首屈一指。 过渡架采用了与基本架相同的设计（顶梁长度与基本架不同）。 端头架ZT25000/25/47，是目前国内支护高度较高的端头支架。

3.1 基本架技术关键点

图1 ZY15000/29/63D 型掩护式液压支架

ZY15000/29/63D 型掩护式液压支架开创性地采用窄中心距，支架的宽度方向设计是该套支架设计中最大的技术难点，技术难点及特点如下：

（1）立柱采用高位压板结构创新设计，成功解决油缸限位问题并确保1.75m 中心距条件下推移框架与底座间的合理设计间隙，实现了大缸径、高阻力支架的整体设计。

（2）该支架采用Φ450mm 大口径、高性能管材及新的制造工艺，确保满足支架高强度支护需要。

（3）顶梁与掩护梁之间设计有大缸径平衡千斤顶（Φ270mm，1.75m 中心距世界最大）。

（4）掩护梁上设计有定位槽结构，防止侧护板翻转变形；平衡千斤顶处设计有高强度防护链，增加安全性。

（5）底座上采用双底调千斤顶设计，满足大采高支架底座前、后部调架需要。

（6）优化四连杆稳定机构参数，提高加工精度，把该处销轴配合间隙严格控制在0.75mm 以内，结构件横向配合间隙控制在8mm 以内。

（7）主要铰接销轴采用炮弹销新型结构设计，且该销轴处设计有注油装置。 此类销轴采用高强度挡板限位。

（8）支架设计有高推/拉力推移千斤顶（Φ200mm），且其活塞采用双道密封结构（增强其抗侧向载荷能力）。

（9）支架结构件采用CFD（Q890、Q690）低裂纹敏感性高强度钢板的焊接技术。

（10）该支架采用德国marco 公司pm32 型电液控制系统，此系统为世界上最先进且具有高可靠性的矿用电液控制系统。

3.2 过渡架技术关键点

图2 ZYG15000/29/63D 型过渡液压支架

过渡架ZYG15000/29/63D 采用了与基本架相同的设计（除顶梁长度设计加长及采用滞后支护方式外），这样便于工作面的管理与维护。

3.3 端头架技术关键点

图3 ZT25000/25/47 型端头液压支架

关键技术如下：

（1）底座采用中心对称设计（满足左右工作面互换需要），中间开裆，转载机落地。

（2）端头支架前端设计有前梁机构，可适应巷道顶板走向倾角的变化，增强了支架对巷道顶板的控制能力。

（3）推移座前端采用“船型”设计，极大地减小了推移阻力。

（4）推移千斤顶与推移座之间采用锻件十字头连接，这极大地提高了端头支架对不平巷道底板的适应能力， 也提高了连接头的寿命。

3.4 现场工业应用效果

该套支架在沈阳红阳三矿应用非常成功，年产达500 多万吨，为全国类似赋存条件的煤层开采树立了高产、高效矿井的标杆。

4 结论

沈阳红阳三矿12# 煤层为厚煤层， 受该矿运输条件的限制，基于该矿条件为其配套“三机”，设计了窄中心距（1.75m）、大采高强力（15 000kN，支护强度1.66MPa）的综采液压支架，为浅埋深及极深煤层（大于1 000m）等强烈矿压显现采煤工作面支护设备创造了条件。

[1]王国法，等.液压支架技术[M].北京：煤炭工业出版社，1999，8.

[2]王国法，等.高端液压支架及先进制造技术[M].北京：煤炭工业出版社，2010，7.

[3]丁绍南.采煤工作面液压支架设计[M].北京：世界图书出版公司，1992.