膏体充填液压支架设计与应用

山东天晟机械装备股份有限公司 山东淄博 255129

淄 博矿业集团岱庄煤矿位于济宁市区北郊城乡结合部，井田内地面村庄等建 (构) 筑物密集，村庄下压煤量高达 80%，约 7 900 余万 t，其中 3上煤层村庄下压煤量为 5 000 多万 t，占全部村庄压煤量的 63%。随着矿井多年的条带开采，产生大量遗留煤柱，造成呆滞储量 1 000 余万 t，加之城区发展加速压覆资源的影响，矿井可采储量锐减，同时地面形成矸石山，既占用了大量土地，又对周围环境造成了不同程度的污染。

针对岱庄煤矿村庄压煤严重，大量条带煤柱丢失的实际情况，淄博矿业集团岱庄煤矿开发了膏体充填回收条带煤柱和长壁工作面膏体充填无煤柱开采技术。膏体充填就是把煤矿附近的煤矸石、粉煤灰、炉渣、劣质土、河砂或城市固体垃圾等固体废物在地面加工成无临界流速、不需脱水的膏状浆体，利用充填泵和重力作用通过管道输送到井下，适时充填采空区的绿色采矿方法与技术。

充填液压支架是充填开采技术的关键设备，既承担前部综合机械化采煤支护作用，又要满足后部充填要求。充填液压支架由山东天晟机械装备股份有限公司负责研制，以实现岱庄煤矿能够在不迁村、少赔偿的前提下，安全、高效、高采出率地回收传统条带开采不能解决的条带煤柱，保证矿井可持续发展。

1 充填液压支架方案设计

1.1 充填液压支架架型结构确定

充填液压支架不同于一般支架，除要满足一般采煤工作面支架对采煤区顶板支护进行采煤要求之外，还需要对待充填区适当支护和隔离，实现“采煤—充填—凝固/检修”循环作业。根据煤层赋存条件、膏体充填开采工艺对综采支护设备要求，分析支撑式支架和掩护式支架特点[1]，将膏体充填液压支架架型确定为前置正四连杆四柱支撑式支架。

针对充填隔离机构，提出了 3 种膏体充填液压支架结构方案：尾梁/隔离板结合式、支架/伸缩尾梁式、支架/锚网结合式。3 种支架方案的技术特点与优缺点对比分析如表 1 所列。

3 种方案技术上均可行。通过比较，确定采用尾梁/隔离板结合式方案，充填液压支架架型结构如图1 所示。

图1 充填液压支架结构示意Fig.1 Structural sketch of filling hydraulic support

充填液压支架为前置正四连杆四柱支撑式，由顶梁、尾梁、护帮板、斜梁、前连杆、后连杆、底座、推移机构、立柱及液压喷雾系统等组成。顶梁前面设有护帮板，后面设置旋转尾梁，采取正四连杆前置结构。尾梁和下隔离板上下搭接，可向一侧伸缩，配合辅助防漏措施，能够起到隔离墙功能，达到快速构筑隔离墙的目的。

1.2 工作面设备配套及充填液压支架主要技术参数确定

根据工作面实际长度和顺槽尺寸进行综采设备布置，充填液压支架与 MG200/500-AWD 型采煤机、SGZ730/400 型刮板输送机配套，采煤机截深为 600 mm，保证设备配套合理可靠，技术先进。

通过建立膏体侧向压力计算模型，结合传统计算方法和标准规范要求，计算得出液压支架工作阻力等主要技术参数。充填液压支架型号为 ZC5600/17/32，主要技术参数如表 2 所列。

表2 主要技术参数Tab.2 Main technical parameters

2 优化设计及有限元分析

运用液压支架计算机辅助设计软件，进行液压支架四连杆优化设计[2]、运动分析和静力学分析，并采用 SolidWorks 软件进行支架三维仿真设计，全部结构件都采用有限元分析手段实现完全的等强度设计，力求支架设计科学、合理、适用。

2.1 总体结构参数优化与运动仿真

由液压支架计算机辅助设计软件进行支架优化分析可知，随支架工作高度变化，所设计的支架底座合力位置变化小，支架受力好、稳定性高。

表1 充填液压支架方案比较Tab.1 Scheme comparison of filling hydraulic support

充填液压支架在使用高度为 2 000～3 000 mm 范围内，底座前端底板比压小。支架底板比压为 1.85～2.31 MPa，分布均匀，利于移架。通过优化四连杆，支架运动比较平稳，在使用高度范围内，减小了四连杆机构的附加力。

在使用高度范围内，支架顶梁合力为 5 545.7～5 661.8 kN，比较平稳，支架支护强度为 0.71～0.72 MPa。

梁端点水平运动轨迹如图 2 所示。充填液压支架在使用高度 2 000～3 000 mm 内变化时，梁端点水平运动轨迹的最大范围小于 65 mm，支架顶梁前端点与煤壁间距离的变化小，提高了管理顶板的性能，而且支架能承受较大水平力。

图2 充填液压支架梁端点水平运动轨迹Fig.2 Horizontal motion trajectory of end point at beam of filling hydraulic support

2.2 有限元分析

在液压支架设计过程中，应用有限元分析技术进行支架强度计算校核可以减少设计成本，缩短设计和分析的周期，增加支架的可靠性，降低材料的消耗和成本，在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题，进行模拟试验分析和机械事故分析，使设计更可靠合理。在充填液压支架的设计中，使用有限元分析软件对支架进行整架强度分析和局部的强度校核。利用 SolidWorks 软件对顶梁、斜梁、上连杆、下连杆进行集中载荷、偏载和扭转载荷的应力分析，对关键零部件结构强度进行优化。

充填液压支架整体应力云图如图 3 所示，最大应力为 679.4 MPa，顶梁上部的应力比较大。

3 结构设计关键技术

该充填液压支架在充分研究分析结构参数基础上，针对煤层地质条件，除满足支架对采煤区顶板支护进行采煤的要求外，还需要对待充填区适当支护和隔离。

图3 充填液压支架有限元分析Fig.3 Finite element analysis of filling hydraulic support

3.1 前置正四连杆机构

充填液压支架前连杆和后连杆分别与斜梁和底座铰接，共同构成前置正四连杆机构，前后排立柱间距合理，为充填管道布置、整体前移和人员行走提供了足够的空间。支架在调高范围内梁端距变化小，可更好地支护顶板，承受顶板的水平分力和侧向力，使立柱不受侧向力。支架前部和后部均有作业空间，可以实现兼顾作业。

3.2 采煤支护功能

顶梁前部带护帮板，顶梁后部设有铰接尾梁 (上隔离板)，在采煤机割煤后，支架未能前移时，护帮板可以翻转 180°，实现临时护顶；支架前移后，护帮板可用于防片帮。充填支架在最大高度时，顶梁能下俯 15°；在最小使用高度时，顶梁能上仰 ≥10°。在尾梁千斤顶的作用下，尾梁 (上隔离板) 最大上仰角可达 7°，能够保证对充填区顶板进行有效的主动支护，具有很强的适应性。

底座设置抬底机构和底调机构。底座为刚性中部开挡，支架移架时，可抬起底座前端，力求少清浮煤，加快推进速度。推移装置为短推杆机构，结构可靠，拆装方便，利于实现快速移架。

3.3 隔离防漏充填功能[3]

膏体充填要求密封性高，顶梁与顶板接触缝、顶梁后端与上隔离板之间搭接缝、上下隔离板之间搭接缝、支架之间的接触缝，均可通过液压缸的拉紧和单侧活动侧护板挤压封闭，配合填塞措施，实现充填隔离墙的快速隔离防漏。

4 应用效果

充填液压支架在淄博矿业集团岱庄煤矿膏体充填回收条带煤柱试验采区工作面和后续膏体充填无煤柱长壁工作面成功应用，证明该支架技术参数选择科学，结构设计合理，可靠性高，实现了充填工作面综合机械化连续生产和充填，取得了良好的经济效益。

前置正四连杆四柱支撑式结构为充填管道布置、整体前移和人员行走提供了足够的安全空间，支架前部和后部均有作业空间，方便安排采煤与充填工作，使充填对采煤工作的影响较小。

利用支架顶梁实现工作面采煤作业空间顶板支护，通过顶梁后铰接尾梁向上摆动实现工作面待充填空间顶板的有效支护，尾梁向下摆动与底座下隔离板连同伸缩活动侧护板共同构成充填隔离墙，实现机械化构筑隔离墙，解决了充填支架隔离防漏问题，提高了充填效率。

根据工作面矿压观测和地表沉陷数据分析，该充填液压支架初撑力和工作阻力选用合适，顶板控制及隔离防漏措施有效，膏体充填开采对地表建筑物损害轻微，能够将损害控制在保护等级范围内。

实施膏体充填开采，可成功解放呆滞的遗留煤柱及压覆煤炭资源，延长矿井服务年限，既解决了制约矿井持续发展的瓶颈问题，实现了固体废弃物的最大化利用，又有效保护了生态环境，实现了“黑色煤炭、绿色开采“的目标，经济效益和社会效益显著。

5 结语

膏体充填液压支架的设计与应用，很好地处理了采煤与充填之间的关系，解决了膏体隔离防漏问题。目前该技术已在淄博矿业集团许厂和葛亭等煤矿推广应用，使济北矿区各矿村庄建筑物压煤问题得以解决，同时也可推广应用于其他矿区“三下”压煤开采，对加快煤矿膏体充填开采关键技术攻关和成套装备的研发与制造，提高充填开采的机械化、自动化和智能化水平，促进我国煤炭行业技术进步和绿色矿山建设都有重大意义。