蘇林軍

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013)

開采裝備

大采高綜放液壓支架的設(shè)計研究

蘇林軍

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013)

14～20m特厚煤層一次采全高的技術(shù)核心是大采高綜放液壓支架及其與采煤機、刮板輸送機之間在生產(chǎn)能力、設(shè)備性能、設(shè)備結(jié)構(gòu)、空間尺寸等方面互相匹配。著重介紹了大采高放頂煤液壓支架工作阻力、片幫控制、橫縱向穩(wěn)定性、新型四連桿中通式大空間放頂煤支架穩(wěn)定機構(gòu)和伸縮梁V型槽導向結(jié)構(gòu)以及抗沖擊立柱設(shè)計的技術(shù)關(guān)鍵。

大采高;綜放;液壓支架;特厚煤層

1 問題的提出

目前綜放工作面最大割煤高度一般為 2.5～3.5m,所用綜放液壓支架最大高度為 3.8m。若 14～20m的特厚煤層使用該型綜放液壓支架進行放頂煤,采放比達 1∶3～5.71,而煤礦安全規(guī)程規(guī)定“采放比大于 1∶3的工作面嚴禁采用放頂煤開采”,因而最大高度為 3.8m綜放液壓支架不能用于煤層厚度大于 14m的綜放工作面,否則會造成煤炭采出率低,資源浪費嚴重。

伴隨綜放工作面設(shè)備可靠性的提高,工作面開采強度加大,綜放工作面由于通風斷面小,風排瓦斯能力低,瓦斯超限嚴重,已成為目前綜放工作面安全高效開采的主要障礙。而提高綜放工作面最大割煤高度,不僅可使采放比滿足煤礦安全規(guī)程的規(guī)定,同時隨著割煤高度加大,放煤高度相應(yīng)減小,不僅可實現(xiàn)工作面采放均衡生產(chǎn)、改善頂煤冒放性、縮短放煤時間、提高工作面采出率,而且為工作面配備大功率后部輸送機提供了空間,有利于工作面快速放煤。另外工作面割煤高度增加,也使工作面通風斷面加大,減少瓦斯對工作面生產(chǎn)的影響,可以進一步提高工作面單產(chǎn),減少工作面的安全隱患。

為此,借鑒我國大采高綜采、綜放開采技術(shù)與裝備研發(fā)成果,煤炭科學研究總院北京開采設(shè)計研究分院近幾年提出大采高綜放開采方法,可定義割煤高度 3.5～5.0m的綜放開采為大采高綜放開采。3.5～5.0m的采高是在借鑒我國目前綜放開采的最大采高為 3.5m、大采高綜采的最大采高為 6.2m的成功實踐,并考慮綜放開采端面頂煤穩(wěn)定性控制和設(shè)備穩(wěn)定性、可靠性而提出的[1]。大采高綜放開采使工作面一次可采厚度最高達到 20m,工作面生產(chǎn)能力突破 10Mt/a。

大采高綜放的技術(shù)核心是大采高綜放液壓支架,本文重點介紹“十一五”國家科技支撐計劃課題的核心內(nèi)容——5.2m大采高綜放液壓支架的設(shè)計,該大采高綜放液壓支架將目前綜放工作面割煤高度由小于3.5m加大到小于 5m。

2 大采高綜放工作面概況

塔山礦 3～5號層 8105工作面為大采高放頂煤工作面,設(shè)計長度 207m,走向長度為 2800m;煤層厚度 11.7～15.39m,為極復雜煤層,5～14層夾石,煤層硬度中等以下;直接頂為細 -中砂巖,厚 4.96～8.21m,硬度 f=10.7;基本頂為 30m以上粉砂巖,硬度 f=11.6。工作面傾角≤10°,走向傾角≤±6°。工作面生產(chǎn)能力為 10Mt/a。膠帶巷5500mm ×3600mm (凈寬 ×凈高 ),回風巷5500mm×3600mm(凈寬 ×凈高)。

3 大采高綜放工作面配套設(shè)備

大采高綜放工作面使用的成套設(shè)備不是孤立的“單機”,而是結(jié)構(gòu)上相互配合和聯(lián)系,作業(yè)上需要協(xié)調(diào)和配合,且具有較強的配套要求和較高的可靠性要求[2]?！霸O(shè)備、選型、配套”三者缺一就可能導致放頂煤工作面生產(chǎn)效率低下、經(jīng)濟效益差的結(jié)果。因此,正確的選型配套是高產(chǎn)、高效、經(jīng)濟和安全的前提和保證。

大采高綜放工作面設(shè)備的配套是實現(xiàn)產(chǎn)量目標的重要物質(zhì)基礎(chǔ),為滿足塔山煤礦煤層賦存條件及工作面年產(chǎn) 10Mt的要求,必須優(yōu)化選擇工作面設(shè)備,發(fā)揮工作面最大生產(chǎn)能力并實現(xiàn)安全生產(chǎn)。采煤機、刮板輸送機和液壓支架之間在生產(chǎn)能力、設(shè)備性能、設(shè)備結(jié)構(gòu)、空間尺寸以及相互連接部分的形式、強度和尺寸等方面,必須互相匹配,才能保證各設(shè)備正常運行,實現(xiàn)工作面高產(chǎn)高效[3]。經(jīng)過優(yōu)化、計算和比較,8105大采高綜放工作面配套設(shè)備如表1。

表 1 8105大采高綜放工作面配套設(shè)備

4 大采高綜放液壓支架的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 大采高綜放液壓支架的工作阻力需要提高

研究表明,綜放液壓支架采高加大后,圍巖活動范圍在工作面橫向、縱向明顯擴大,礦壓顯現(xiàn)明顯加劇,5.2m大采高綜放液壓支架應(yīng)提高其工作阻力,以增加支架前端及后端對頂板巖梁滑落失穩(wěn)和回轉(zhuǎn)失穩(wěn)的支護要求。

4.2 大采高綜放工作面煤壁片幫控制

眾所周知,煤壁片幫是煤體在礦山壓力作用下,煤體破碎后滑塌下來的一種礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。由于大采高綜放工作面煤壁高、自穩(wěn)性差,大多已處于破碎狀態(tài),易于發(fā)生煤壁片幫冒頂,從而給安全生產(chǎn)帶來隱患并影響綜放工作面正常推進,如何有效控制煤壁片幫是大采高綜放工作面能否安全高效開采并取得良好經(jīng)濟效益的關(guān)鍵[4]。

控制大采高綜放工作面煤壁片幫措施主要有:

(1)提高綜放液壓支架的初撐力,提高其主動支撐頂板的能力,以減輕頂板 (煤)對煤壁的垂直作用,這是保持煤壁完整、抑制片幫的最積極、最有效的措施之一。

(2)帶壓移架及時支護頂板 (煤),使頂梁與頂板 (煤)接觸良好,可以減小煤壁前方支承壓力,從而可以避免煤壁片幫的發(fā)生或減輕煤壁片幫程度。

(3)使用護幫板并使其靠緊煤壁可以增加煤壁的側(cè)向約束力,煤壁片幫程度則會減小。

(4)異常情況下控制煤壁片幫措施。當工作面已發(fā)生片幫或冒頂,或遇到異常帶時,適當降低采高、減少采煤機截深或加固煤壁,并提高采煤機牽引速度,減少片幫程度。

(5)條件允許情況下采用俯斜開采,俯斜開采可以減輕煤壁片幫程度。

4.3 大采高綜放液壓支架的穩(wěn)定性

支架的穩(wěn)定性是決定 5.2m大采高綜放液壓支架成功與否的關(guān)鍵。為保證穩(wěn)定性,重點研究了能提高支架橫向和縱向穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)和結(jié)構(gòu)型式。采取的主要措施有:

(1)優(yōu)化四連桿機構(gòu)參數(shù) 利用液壓支架參數(shù)可視化動態(tài)優(yōu)化設(shè)計軟件,優(yōu)化支架的四連桿結(jié)構(gòu),選擇的雙紐線變化小,從高到低近似一條向前傾斜的斜線。當頂板下沉支架承載時,支架頂梁對頂板產(chǎn)生了一個向前的摩擦力,有利于防止架前冒頂和煤壁片幫,同時使液壓支架在工作高度范圍內(nèi)受力良好,減小立柱、連桿、掩護梁的水平受力,這對保證支架的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

(2)提高支架的初撐力 5.2m大采高綜放液壓支架選取較高的初撐力,使得支架主動支撐頂板的能力加強,可有效地保證頂板的完整性。為此, 5.2m大采高綜放液壓支架選擇的初撐力為工作阻力的 85%,保證頂板和頂梁可靠地接觸,并有足夠的摩擦力,這對增加支架的穩(wěn)定性大有好處。

(3)加大支架的中心距 把 5.2m大采高綜放液壓支架的中心距加大到 1.75m,同時,盡量加寬支架底座的寬度,增加底座和底板的接觸面積,加大立柱的橫向中心距,加寬連桿寬度,這是因為隨著工作面的傾角變化,大采高支架由于高度加大原因,重心很容易偏至底座邊沿,甚至超出底座邊沿,增加了支架橫向不穩(wěn)定因素。

(4)減小軸孔間隙和徑向間隙 支架各部件之間通過銷軸鉸接,軸孔之間存在著一定的配合間隙,在底座和連桿、連桿和掩護梁、掩護梁和頂梁、立柱和頂梁及底座之間都存在著間隙。這些間隙過大,即使在工作面水平狀態(tài)下,頂梁和底座也會發(fā)生錯位,若工作面稍有傾角,這些間隙就會累加起來,使支架重心和合力作用點發(fā)生偏移,導致支架產(chǎn)生傾斜、扭轉(zhuǎn),嚴重時倒架,隨著工作高度的增加,這些情況更加嚴重,所以在支架的設(shè)計過程中,只要制造工藝條件允許,就要盡量減小各部件之間的軸孔間隙和徑向間隙。例如結(jié)構(gòu)件配合理論間隙由傳統(tǒng)的8～10mm減小到6～8mm,軸孔理論間隙由傳統(tǒng)的1～2mm減小到0.75～1mm。

(5)增大前梁千斤頂缸徑,設(shè)置二級護幫裝置 隨著采高的增加,煤壁壓力增大,特別容易發(fā)生片幫和冒頂,一旦出現(xiàn)這種情況,支架不能正常接頂,更容易發(fā)生倒架事故,為此應(yīng)加強頂梁前端的護頂能力,由于 5.2m大采高綜放液壓支架采用頂梁加旋轉(zhuǎn)前梁的結(jié)構(gòu),特采用 2個 <200mm大缸徑前梁千斤頂,以增大前梁前端支護能力[5]。為此,應(yīng)增加護幫板的長度,選用二級護幫裝置,采用護幫板并使其靠緊煤壁可以增加煤壁的側(cè)向約束力,煤壁片幫程度則會大大減小。

4.4 新型雙前后連桿中通式大空間放煤穩(wěn)定機構(gòu)

在 5.2m大采高綜放液壓支架的設(shè)計中,創(chuàng)新性提出了新型雙四連桿中通式大空間放頂煤支架穩(wěn)定機構(gòu) (已申請專利)。前、后連桿的結(jié)構(gòu)對支架的抗扭起到至關(guān)重要的作用,采用“前雙、后雙”的連桿結(jié)構(gòu),較傳統(tǒng)的 “前雙、后單”的結(jié)構(gòu),前后連桿的剛性大大加強,前后連桿受力變形量隨之減小,進而減小了頂梁、掩護梁相對底座的偏移量,增加了大采高綜放液壓支架的穩(wěn)定性。同時,在前后連桿間形成了較大的行人通道,維修人員可到達支架后部進行維修作業(yè);操作人員可隨時觀察放煤情況、控制放煤過程,可提高放煤的精度和采出率。

4.5 前梁 -伸縮梁運動結(jié)構(gòu)選用V型槽導向結(jié)構(gòu)

支架前端的護頂性能是 5.2m大采高綜放液壓支架需研究解決的關(guān)鍵技術(shù)之一,為使支架具有良好的護頂性能,支架前梁設(shè)計了帶大行程的內(nèi)伸縮式伸縮梁,通常通過控制伸縮梁兩邊梁外側(cè)與頂梁邊主筋內(nèi)側(cè)間的距離來導向的,往往由于加工的原因造成誤差,致使伸縮粱在伸縮過程中經(jīng)常遇到蹩卡現(xiàn)象,影響支架的護頂性能。為此,在 5.2m大采高綜放液壓支架前梁 -伸縮梁運動結(jié)構(gòu)的設(shè)計中擯棄了常規(guī)的導向結(jié)構(gòu),采用了V型槽導向結(jié)構(gòu),實踐表明,采用 V型槽導向結(jié)構(gòu)的伸縮梁運動靈活自如。

4.6 采用抗沖擊立柱

實踐和理論證明大采高放頂煤液壓支架常常受到?jīng)_擊載荷,為了保證工作面的高效安全,大采高放頂煤支架所用的立柱必須具有抗沖擊性,為了提高立柱的抗沖擊能力,主要常用以下方法:

(1)增加旁路安全閥,增大安全閥流量,在支架受到?jīng)_擊載荷時迅速泄液。

(2)盡可能增大立柱內(nèi)部緩沖液體 (介質(zhì))的體積,以提高立柱緩沖性能。

(3)合理設(shè)計立柱結(jié)構(gòu),減小立柱受沖擊時的壓縮剛度,延長立柱沖擊振動周期。

(4)選擇合理的立柱型式,優(yōu)先采用雙伸縮立柱,其次采用單伸縮立柱,盡量避免采用單伸縮加機械加長桿立柱。

5 結(jié)束語

5.2 m大采高綜放液壓支架將目前綜放工作面割煤最大高度由 3.5m提高到 5m,為 14～20m的特厚煤層實現(xiàn)安全、高產(chǎn)、高效、高采出率開創(chuàng)了新的技術(shù)途徑。

5.2 m大采高綜放液壓支架為特厚煤層礦區(qū)建設(shè)千萬噸級以上礦井,提供了良好的技術(shù)和裝備保證。我國類似條件的特厚煤層儲量較豐富,推廣應(yīng)用前景廣闊。

[1]閆少宏,尹希文.大采高綜放開采幾個理論問題的研究 [J].煤炭學報,2008(5):481-484.

[2]陶馳東.第一講 綜采設(shè)備選型配套的原則和方法 [J].煤礦機電,1996(1):39-42.

[3]孟二存.塔山煤礦綜放工作面設(shè)備配套及巷道尺寸確定 [J].煤礦開采,2008(3):67-68.

[4]華心祝,謝廣祥.大采高綜采工作面煤壁片幫機理及控制技術(shù) [J].煤炭科學技術(shù),2008(9):1-3.

[5]閻海琴,龔 宇.淺析大采高支架的穩(wěn)定性 [J].煤礦機械, 2005(12):56-58.

[責任編輯:鄒正立]

Design of Full-mechan ized Caving Powered Support with LargeM in ing Height

SU Lin-jun

(CoalMining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China)

The technological core of full-seam mining 14-20m extremely thick coal seam is matching powered support and coal cutter and belt conveyor in production capability,equipmentperformance,equipment structure and equipment size,etc.thispapermainly introduced technological keysofpowered support for full-mechanized cavingminingwith largemining height includingworking resistance, coal slide control,horizontal and vertical stability,new double four-bar stability structure,V groove orientation structure of telescopic girder and anti-shock prop design.

large mining height;full-mechanized cavingmining;powered support;extremely thick coal seam

TD355.41

A

1006-6225(2010)03-0077-03

2010-02-08

“十一五”國家科技支撐計劃項目 (2008BAB36B03)

蘇林軍 (1967-),男,河南唐河人,高級工程師,從事液壓支架設(shè)計研究工作。