软煤层支架的研制

赵光明

(山西晋城煤业集团 金鼎公司，山西 晋城 048006)

1 软煤层支架的研制背景

软煤工作面有顶板软、底板软、煤质软的特征，软煤层的重要特点是顶板破碎、煤层流泻从而导致工作面片帮冒顶次数多，工作面顶板难以控制，严重影响工作面的正常推进。开采软煤层时，顶板允许暴露的时间短、面积小。若顶板得不到及时支护极易发生漏顶事故，且漏顶范围可能会越来越大，导致大面积冒顶。为了防止软煤层破碎顶板发生漏垮，必须在局部崩塌前就妥善控制顶板，防止局部漏顶范围的进一步扩大，因此冒顶后要求支架能及时升高接顶，支架护帮高度相应增加。破碎顶板的漏顶不仅发生在支架架缝，更多地发生在支架梁端位置，故对软煤层工作面来说应尽量减小支架梁端距。由于一般支架不能支撑到煤壁，因此要求支架顶梁伸缩机构可及时伸出进行超前支护，并配合护帮板控制片帮，同时支架不能陷底前倾，要使支架前端有效接触顶板。回采中要求伸缩梁及时伸出以减小梁端距，大面积冒顶时护帮打起能有超前5 m的支护空间。为此开发了具有大伸缩长度伸缩梁、能安装护帮斜撑机构、三级护帮、低接地比压的软煤层支架。

2 支架主要技术参数及使用条件

2.1 支架主要技术参数

支架型号为ZY12000/31/70(两柱掩护式+伸缩顶梁+铰接式二级护帮)，其主要技术参数如下：

高度(最低/最高)(mm)：3 100/7 000；

宽度(mm)： 1 750；

伸缩梁伸缩长度(mm)： 1 400；

初撑力(p=31.5 MPa)(kN)：7 918；

工作阻力(p=47.7 MPa)(kN)：12 000；

底板比压(平均)(MPa)： 2.0；

泵站压力(MPa)： 31.5。

2.2 使用条件

用于一次采全高回采工作面支护，工作面的倾角小于15°。

执行标准：MT 312—2000液压支架通用技术条件。

3 技术方案

该液压支架属于高端支架，主要由底座、顶梁、掩护梁、前后连杆、伸缩护帮机构、推移杆及侧护板和电液控制系统等组成。

3.1 伸缩护帮机构

伸缩护帮机构由一级护帮板、二级护帮板、三级护帮板、托板和伸缩梁、护帮千斤、伸缩千斤和液压系统组成。伸缩梁前部铰接三级护帮板，中间铰接拖板。托板和各级护帮板通过千斤、小连杆连接。支架通过伸缩千斤拉移伸缩梁带动托板和护帮板伸缩支护，采煤机过后及时伸出支护。

一级护帮千斤缸径为Φ140 mm，一级护帮支护力为970 kN；二级护帮千斤缸径为Φ125 mm，二级护帮支护力为770 kN；三级护帮缸径为Φ80 mm，三级护帮支护力为316 kN。该伸缩护帮机构三级护帮总高度为4 000 mm，可有效起到护帮及防护作用。传统护帮千斤顶分别由独立的双向锁控制，各级护帮与护帮之间分别动作，操作速度慢，很容易误操作将支架上的胶管压断，而且不利于协调动作，不能高效地对煤壁进行可靠保护。而该伸缩护帮机构液压系统通过联动双向锁实现了只操作一个开关即可实现一级护帮到三级护帮的有序动作，满足了实际使用的需要，操作时间比传统操作方式减少三分之一。

3.2 顶梁

顶梁前端承载能力为5 220 kN，伸缩梁伸出后承载能力为2 500 kN,侧推套筒和弹簧套筒充分利用了顶梁柱窝和伸缩梁上部的空间，在减少了顶梁后部长度的同时，使得顶梁伸缩机构的整体设计合理化。

3.3 底座

底座前部合理延伸，通过计算使底座尖端对地比压降为2.5 MPa，满足软底条件下底板比压要求(松软底承载强度小于6 MPa)。

3.4 护帮斜撑装置

护帮板前端可承受力的大小不仅与护帮千斤支撑力有关，同时与千斤轴线到护帮板回转点的垂直距离成正比，因此在千斤力一定的情况下必须增大力臂。护帮斜撑装置在支架顶梁上设置支撑千斤和操纵千斤，操纵千斤可以操纵支撑千斤摆动到护帮板任意位置并顶到护帮板上，起到强力支撑作用，还可以使支撑千斤摆动到与立柱平行位置，使护帮板能顺利收回。由于支撑千斤力臂很大，因此护帮作用明显增大。支撑千斤不与护帮板连接，可以自由摆动；支撑千斤可收于立柱间，不影响护帮板的正常使用。

4 软煤层支架的创新点

(1) 大多数支架护帮总高度为2.8 m左右，虽然有些大型矿井支架采用三级护板，使护帮总高度达到了4 m，但由于没有护帮斜撑机构，护帮千斤的力臂较小，还不到护帮斜撑机构的七分之一，护板力较小，不能满足软煤层易片帮需要较大护帮力的要求。护帮斜撑装置的千斤顶可直接顶到护帮板中部，极大地增加了护板力，普通伸缩护帮机构护帮力臂为150 mm,而安装了护帮斜撑机构使护帮力臂可达850 mm。

(2) 目前，大多数支架伸缩梁可伸量为800 mm，该支架伸缩梁总长为1.4 m，不仅可以及时封闭采煤机截割800 mm空间，还可以在不拉架情况下超前封闭600 mm的梁端距空间，有效地减少了片帮冒顶。护帮板总高度为4 000 mm，护帮板打平后，总的可伸出支护长度达5.2 m，在发生大面积冒顶时能及时支护，对软煤层有良好的适应性。

(3) 立柱前端底座长度较长，大大降低了底座前端比压，解决了掩护式支架容易陷底影响正常推移的问题。 一般支架底座柱窝中心到底座前端距离为1.2 m，该支架为1.5 m，有效降低了前端比压。在12 000 kN工作阻力、5 m高度下，底座尖端比压可由原先3.7 MPa降到2.5 MPa。

(4) 抬底千斤可以在前部直接拆出，推移连接件采用镀鉻不锈钢材料方便推移千斤的更换。

(5) 该支架高宽比大，在不增加运输宽度的条件下增大了采高。

5 应用效果

该支架严格按高端支架加工工艺进行加工，对焊件进行全检、探伤、去应力，操作人员经过国内专门机构培训具有相应资质，保证了制造质量。通过严谨的结构和强度设计保证了支架的稳定性、适应性和可靠性。该支架已通过煤科院型式循环加载试验，取得煤安标志。

使用软煤层支架进行井下工业性试验，工作面共推进600 m。支架在井下进行了正常采煤支护作业，即支架进行了升降、推移、伸缩等动作，验证了支架对采煤工作面的适应性。支架支护的机械化作业能够顺利实施，为井下工作面的安全生产和综采工作面的正常运行提供了有力支撑。试验结果说明：支架能够适应软煤层工作面使用要求。有利于减少工作面片帮冒顶，解决支架陷底影响推移的问题，减轻了工人繁重的体力劳动，提高了支护的安全性。该支架为大采高综采工作面安全、快速、高效、顺利通过软煤区提供了设备支持，降低了工人处理片帮冒顶在工作面打木垛、穿板梁、煤帮打柱、注浆等现场作业的威险性。支架的适应性、可维护性好，降低了工人劳动强度，且能节约大量材料费用(包括板梁、凝固剂、冒顶排矸设施等费用)。该支架伸缩护帮支护范围国内最大，为软煤层工作面的有效支护，解决工作面片帮冒顶做出了有益的探索。