大工作阻力液压支架柱帽柱窝损坏处理的研究

李 根

(大同煤矿集团 机电装备公司，山西 大同 037001)



·技术经验·

大工作阻力液压支架柱帽柱窝损坏处理的研究

李 根

(大同煤矿集团 机电装备公司，山西 大同 037001)

以ZF13000放顶煤液压支架顶梁柱帽、底座柱窝发生损坏后的处理方案为例，对抗冲击柱帽、柱窝结构进行了修复设计，并介绍了各部位的功能和作用、处理过程中的相关关键件、立柱行程和外形，以及立柱固定方式方法。实践证明，该液压支架修复技术使用效果良好，值得借鉴。

液压支架；柱帽；柱窝；柱底压板

1 研究背景及原因

近几年，随着煤炭开采技术的大幅度提高，液压支架向高端化发展，其工作阻力逐步提高。从2006年以来，大同煤矿集团公司首次采用ZF10000型放顶煤液压支架到ZF15000型放顶煤液压支架，再到现在ZZ13000一次采全高支撑掩护式液压支架。甚至在兖矿集团首次开发研究ZY26000一次采全高8.2 m大采高掩护式液压支架。工作阻力的提高，对相关承压件的机械性能和力学性能提出了新的要求。经过几年的探索和研究，顶梁柱帽和底座柱窝基本上形成了合理的结构形式。

但是，在近两年同煤集团公司内部主力矿井逐步趋于枯竭，综采延伸成为了必然趋势，工作面延伸到了450 m以下，工作面压力和地质条件与前期上覆层采空工作面对比，发生了明显的变化，矿压显现情况越来越剧烈。为了满足工况条件和设备运输条件，而设计的液压支架支护强度已经无法完全满足矿压实际需要。在回采过程中容易发生局部来压剧烈并且冲击明显，导致冲击压力短暂的超过液压支架设计支护强度。在大顶来压的瞬间，由于液压支架让压滞后，给液压支架结构件带来破坏性的损伤。

以同煤集团公司某矿ZF13000/25/38型综放液压支架为例，在回采工位1 200 m位置时，放煤工艺发生了变化，导致直接顶跟随上部煤层一块儿破碎，并且垮塌下来，后部古塘充填系数明显下降，发生基本顶垮落时，冲击压力明显剧烈，在工作面中部位置的相邻的液压支架顶梁柱帽被冲击压裂，并且压力通过立柱传递到底座之后，导致底座柱窝压穿。此时，更换这些中部支架已经变成不可能，根据实际情况，需要考虑工作面内现场采取机械物理方法进行修理维护，一方面提高支架主要受力零件柱帽、柱窝的抗冲击强度，另一方面还要满足支架升降高度要求。

2 研究设计内容

1) 新结构抗冲击柱帽、柱窝设计。

由于原始柱帽、柱窝已经损坏，无法承受压力，解决压力如何传导在液压支架顶梁、底座的主体上成为了关键技术难题，经过研究分析，决定废弃原有柱帽、柱窝，在其形成的框架结构上部，重新制作安装一套抗冲击高强度柱帽、柱窝。

a) 抗冲击柱帽的设计。

为了提高顶梁的整体刚性，将压力有效的传导到顶梁主体上，选用了d100 mm厚度的钢板作为替代柱帽的主体。并且考虑到顶梁与立柱之间的连接关系，在钢板上焊接了相应的固定耳座，保持了与原始连接方式相同，见图1.

1—d100 mm柱帽体 2，3—底部加强十字筋 4—连接立柱的耳板 5，6—加强筋板图1 柱帽结构示意图

柱帽体的设计过程中，设计者有意将其面积增大，也就是增加了与支架顶梁体的连接接触面积，分散了立柱支撑力带来的比压集中问题，使主要压力比较分散的分布在顶梁表面上，这样在今后的受冲击过程中避免了压力集中，比压太大，给顶梁主体带来新的损坏。

底部加强十字筋主要是为了提高柱帽体的抗压强度，它们是由交叉的两组立板组焊而成，并且在序号2筋板上带有方便现场更换时吊装用的吊装孔。

与立柱连接的耳板组件，其上各有两孔，分别穿一条小销轴，一条用于连接柱头压块，另一条用于抵御压块旋转。这部分组件的设计原理遵循了支架原来的固定方式，简单易拆解，方便井下更换。

b) 柱窝的设计。

由于原始的底座柱窝损坏，无法支撑立柱，也就是说，立柱实际上直接支撑在了工作面底板上，一方面无法顺利移架，另一方面不能给顶梁提供有效的支撑力，也就是工作阻力无法满足。采用d100 mm钢板作为新结构柱窝的承压体，通过侧板和相关的加强板与底座主体连接，将立柱传导下来的压力分布到底座主体上，起到支撑作用，见图2.

1—d100 mm柱窝体 2，3，4—底部支撑立筋 5，6—连接弯板 7，8—连接附板图2 柱窝体示意图

柱窝体设计时必须按照底座柱窝空间的大小进行设计，考虑到底座原始焊缝等因素的影响，该件应与底座主体间单边留有5 mm以上的间隙，保证现场施工时能够便于稳装。该件中部加工一个SRXX的球面凹陷，用于立柱缸底稳定。

底部支撑立筋一方面是加强序号5，6连接弯板的连接强度，另一方面是为了提高柱窝体的抗压强度。在设计过程中还必须考虑原始旧柱窝高度的影响，所以支撑立筋的高度必须严格控制在空间允许范围内，防止柱窝体受压时给底座底板带来二次伤害。

连接弯板是主要的连接受力零件，所以，在设计过程中首先考虑到其强度问题，一般选用强度较高的Q460、Q550钢板，厚度一般根据原始缸底压板的厚度相同，约为20 mm或25 mm.

连接附板是在柱窝体稳装时卡在底座主筋上的一组零件，由于底座内主筋带有抬底装置，只能在单侧焊接连接附板。在稳装完成后，连接附板应该与底座主筋焊接。

柱窝强度校核计算：

该工件主要承受立柱压力，压力主要由4件立板承受，所以四件立板是该工件的受力薄弱处。按照立板选材为Q460钢板，其抗拉强度为600 MPa. 单件立板受力断面215 mm×25 mm.

F=PS=600×215×25×600×4=12 900 kN

双伸缩立柱的工作阻力为3 250 kN

安全系数要求η≥2.3倍,η=12 900÷3 250=3.97倍

符合使用要求和安全要求。

c) 柱底压板结构设计。

为了确保立柱安装后能够安全固定，在原有压柱原理的基础上，结合柱窝体的结构形式，设计了柱底压板。见图3.

图3 柱底压板示意图

该件用于锁紧桃心压板。水平安装在柱窝体25 mm×30 mm×190 mm的凹槽内，安装后，在2-Φ7孔内穿开口销或者其他涨销，防止该压板脱出。内部有立柱外缸卡着圆弧部位，不会发生向内部脱落的现象。

d) 桃心压板设计。

桃心压板与液压支架原始立柱压板原理相同，小头圆弧处与立柱缸底上的凹槽吻合，将其压在柱窝内。其结构见图4.

桃心压板在柱窝体稳装后，放置在中间的槽内，桃心压板落入槽内后，R25处的圆弧与立柱缸底的耳子部位吻合，将其压住。由于柱窝体内部空间限制，与柱底压板配套使用，确保了其不向上跳出，达到了原始立柱稳定效果。

2) 立柱设计。

由于顶梁柱帽和底座柱窝空间位置发生了变化，也就是说连接立柱柱头和缸底的两个辅助物位置发生了变化，导致支架的升降范围发生了变化，为了确保液压支架原有的升降高度，防止在支架低位使用时被压死的情况发生，在改变后的空间内实现原有的高度要求，必须将立柱由单伸缩变为双伸缩，伸缩总行程与原始单伸缩立柱的伸缩行程相同。

图4 桃心压板示意图

而柱头部位要与顶梁柱帽连接固定，所以柱头采用原始柱头尺寸，其球面半径一般为SR105或者SR100 mm. 缸底必须与原始缸底主要尺寸和形状相同，但是由于双伸缩力柱需要开启中缸底阀，所以在其内部的中心位置设计安装一个d25 mm的凸台，用于顶开底阀的开启顶杆。改造后总装示意图见图5.

图5 改造后总装示意图

3 结 语

该液压支架修复技术在集团公司几个大型工作面使用后，取得了比较稳定的效果，其中ZF13000这套支架发生故障后，经过现场处理，又采出700余米，未发生其他故障，后续工作面回采过程中也表现稳定。并且，在其他工作面发生类似设备故障时，也采取了类似技术修复方案，取得了可靠、稳定的效果。这套方案仅在一个工作面中，按照节约生产7个工作日，可以生产原煤5.6～7.7万t.

[1] 王国法.放顶煤液压支架与综采放顶煤技术[M].北京：煤炭工业出版社出版，2010：95-100.

[2] 李俊成.ZF15000/27.5/42型综放液压支架特点及使用效果分析[J].采煤技术，2011(5)：57-58.

[3] 魏 鹏.ZF10000/23/35型液压支架柱帽压裂原因分析[J].山西焦煤科技，2015(2)：16-18.

[4] 管 杰.单伸缩立柱液压支架顶梁压穿的处理方案浅析[J].机械工程师，2016(4)：34-37.

Study on Damage Treatment of Column Cap and Column Nest of Hydraulic Support with Large Working Resistance

LI Gen

The treatment scheme of ZF13000 caving coal hydraulic support roof cap and bottom pillar nest is taken as an example. The design of the impact cylinder cap and the column structure is described, and the function and function of each part are introduced. Of the key parts, column mechanical travel and shape, as well as the column fixed method are also presented. Practice has proved that the use of hydraulic repairing technology is good, worth learning.

Hydraulic support; Column cap; Column nest; Column bottom plate

2017-01-14

李 根(1983—)，男，河北石家庄人，2007年毕业于山西大同大学，工程师，主要从事煤矿机械工艺和设计研究工作

(E-mail)ligenprince@163.com

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1672-0652(2017)03-0032-03