神东上湾煤矿8.8 m工作面液压支架适应性分析*

许联航王 强边彦胜孙红发3

（1.神东煤炭集团公司；2.郑州煤矿机械集团股份有限公司）

神东上湾煤矿8.8 m 工作面沿倾向布置，倾斜长度为299.8 m，走向长度为5 200 m，支架最大高度为8.8 m，为目前世界上采高最大的一次采全高工作面。工作面配套MG1100/3030-GWD 型采煤机、SGZ1388/3×1600 型运输机、ZY26000/40/88D 型液压支架，均为国内首次使用。

8.8 m 超大采高工作面采出空间大，突破现有大采高工作面采高范围，工作面顶板矿压显现强烈，煤壁和顶板管控难度大［1-2］。工作面综采设备在既有大型设备使用基础上向超大型设备发展，支架和运输机中心距由现有2.05 m 突破到2.4 m，采煤机截割高度为8.8 m，生产能力达到6 000 t/h。8.8 m 工作面技术特点：①新，成套技术为新技术，采煤机、刮板机、液压支架、支架搬运车都需要新研发；②难，采高高度的突破绝不仅仅是尺寸的放大，从超大采高顶板控制、设备稳定性到抗冲击超大缸径立柱，技术难点多，需要围绕理论、技术、方法、测试、集成进行系统性研究。本项目针对液压支架对顶板控制能力、稳定性、可靠性、结构适应性等方面进行研究分析。

1 工作面液压支架顶板控制适应性分析

根据神东矿区大采高工作面矿压显现规律监测及矿压研究资料，揭示出随着采高加大、工作面长度增加，矿压强度呈正向增加规律［3］。根据神东补连塔煤矿31401 工作面和32301 工作面矿压记录可知，工作面长度从240 m 加长到300 m 后，工作面初次来压期间，支架动载系数由1.31 增加到1.37；周期来压期间，支架动载系数由1.18增加到1.30，矿压显现明显。

采用岩重法、传递岩梁理论、矿压专用计算分析软件和神东矿区支护强度经验类比法的综合分析方法，对神东矿区上湾煤矿四盘区开采所用液压支架支护强度进行计算分析。采用数值模拟软件分析煤壁片帮及顶板下沉量，对支护强度进行验证，确定8.8 m工作面液压支架支护强度应达到1.7 MPa以上。

为了更有效地控制顶板，采用主动支撑理念和提高支架抗冲击性的方法对顶板进行控制。在支架工作阻力不变情况下，通过将立柱增压到42 MPa，可以使支架的初撑力提高15.22%，有效维护顶板的同时，对于煤壁的稳定性控制也起到积极作用［4］。合理设计支架顶梁前后比，增大平衡缸径至320 mm，使得支架具有较高的前端挑力和后端切顶力，更好地适应和维护顶板。

根据上述分析，合理选择支架支护强度，采取措施提高支架主动支撑能力，提高支架切顶能力，以更好地适应8.8 m超大采高工作面支护要求。

2 工作面液压支架中心距匹配性分析

工作面液压支架中心距的确定是超大采高工作面选型的重要内容，是工作面综采设备配套选型的关键参数。确定液压支架中心距，关键技术点包括工作面支架布置、跟机速度、立柱的选择、支护能力、支架结构布置、支架结构适应性及运输配套设备。通过研究各种关键技术点，对比分析确定超大采高支架合理的中心距匹配性，见表1。

3 工作面液压支架稳定性分析

支架的稳定性主要包括支架自身的横向稳定性、纵向稳定性和立柱的稳定性［5］。为确保超大采高支架稳定性，针对支架本身的结构设计，主要包括合理分配支架各部件质量、结构尺寸、抬底位置及支架整体合力作用点，确定四连杆机构孔轴间隙小于0.8 mm，双侧同时活动侧护板，双侧各有4根ϕ100 mm 缸径侧推千斤顶。采取上述措施，保证支架在空载及负载状态下，重心位置合适，纵向、横向稳定，抬底效果较好，见表2。

8.8 m 支架立柱缸径为600 mm，最大展开长度为8 200 mm，是目前液压支架使用缸径最大，长度最长的立柱。为保证立柱的可靠性与稳定性，总结多套ϕ500 mm 缸径立柱在7 m 支架的实际使用经验，采用理论计算与有限元分析相结合的方法，从缸体强度、导向环性能、缸体弹性变形、防水防尘和异形防尘圈应用等多方面进行分析优化，以保证立柱设计的稳定性和可靠性［6］，见表3。

按照上述分析结果，通过对支架的参数、结构、受力点优化，与神东矿区成熟应用的6.3 m 和7 m 支架相比，8.8 m 支架的稳定性并未随工作高度的增加而下降较多，部分指数甚至更优，基本上可以推断，8.8 m 支架整体稳定性能够满足超大采高工作面要求。

4 工作面液压支架结构可靠性分析

液压支架的可靠性分为固有可靠性和使用可靠性2个方面。固有可靠性主要是由设计水平、制造水平和材质水平决定，而使用可靠性主要是指液压支架在规定时间内完成规定功能的能力，规定时间主要考虑产品的使用寿命。超大采高支架可靠性是一个综合体系，8.8 m 支架可靠性分析主要针对煤壁防护、支架防挤死、柱窝结构等方面，采取相应的优化措施，确保支架可靠性、高寿命、高适应性。

8.8 m 支架护帮高度增加至4 380 mm，护帮机构采用3 级护帮结构。由于采高增大煤壁片帮更难控制，为提高护帮护壁能力，一级护帮采用2 个160 mm护帮千斤顶，并用单铰点结构替代小四杆结构以增大护壁力，一级护帮护壁能力提高了1.6 倍。三级护帮全部采用箱体连接结构，有效提高了护帮铰接部位的可靠性和抗扭性。

随着采高的增大，所需的架间间隙也成正比增大，相同的架间间隙，支架越高越容易发生支架间挤死情况，甚至引起倒架。支架采用2.4 m中心距后，顶梁间的间隙为160 mm，使得支架适应横向倾斜角度为1.04°。同时双侧活动侧护板，较好解决架间间隙与侧推机构可靠性的问题，侧推导杆应力减小19%，可靠性明显提高。

支架其它结构优化主要包括顶梁柱窝采用全封闭箱型结构，保证梁体整体的抗弯、抗扭要求；整体柱窝垫板结构保证柱窝传力点的局部强度要求，在保证整体强度的同时能够有效提高结构的抗疲劳性能，总体做到“刚中有韧”；底座柱窝箱型结构抗冲击性能好，且层次结构有利于力的分散传递，改善关键焊缝受力情况，提高抗疲劳性能；结构件多层盖板等强结构设计，保证整体受力前后均衡，有效降低焊接热输入线能量，减小焊接变形的同时更容易保证焊缝的全熔透。类似上述结构设计的优化，保证支架整体受力均匀，适应大工作阻力支架集中力大、超高支架偏载力大、扭转力大的要求。

5 工作面液压支架生产工艺保障性分析

大型结构件最显著特点就是尺寸大，一旦产生变形就不易矫正，甚至造成永久的变形，无法矫正，给后续工作带来很大麻烦。针对这一特点，从人、机、料、法、环5个方面，细化工艺，对关键部位采取有针对性的改进［7］。提高下料件精度，从源头减小变形；选择合理的拼装方法，预先估计结构件焊接变形的方向和大小，预制反变形抵消焊接变形；合适的焊接顺序和焊接方向；优化焊接参数，控制焊接时的热输入、电流、电压、焊接速度；焊前预热和焊后热处理，减少焊接区与焊接件的温度差；减小关键结构件关键部位的焊接变形和应力集中。

立柱材料首次采用S890 高强度高耐腐蚀性材料，不仅强度高，而且低温抗冲击韧性好，疲劳强度极高。外缸与缸底焊接壁厚超过50 mm，采用窄间隙焊接接头，降低焊接热输入，改善焊接变形，提升焊接接头的整体品质。柱头采用表面淬火处理，表面硬度从常规的280～310（HB）提高到400（HB）以上，改善柱头过度磨损情况，提高立柱整体可靠性。

通过对工艺难点的攻克，细化工艺方案，对设备进行升级改造。在结构件变形控制方案、提高镗孔质量、结构件关键部位的修磨、立柱的加工、装配的优化等方面提升支架品质，确保支架整体可靠性能。

6 结 语

8.8 m工作面是目前世界上采高最大的采煤工作面，综采工作面的设备选型直接关系到工作面的正常推进，通过对液压支架的适应性分析，包括支护能力、中心距的合理匹配、支架稳定性、结构可靠性、工艺保障措施等方面，采取相应优化措施，提高液压支架的固有可靠性，来满足8.8 m工作面高产高效要求，适应神东上湾煤矿四盘区8 m以上煤层的开采需要。