適應(yīng)于極薄煤層自動(dòng)化開采的液壓支架研究

許增亮 毛迅 張曉波 陳朝鮮

摘 要：本文針對平均煤層厚約0.56m，最大煤厚度約0.64m，采高范圍0.6m，最大采高0.8m等具體參數(shù)，研究出了適應(yīng)于其自動(dòng)化綜采的電液控制液壓支架zy2400/4.5/09D。支架采用單擺梁穩(wěn)定機(jī)構(gòu)、輕薄化結(jié)構(gòu)件和小型化電液控產(chǎn)品、優(yōu)化結(jié)構(gòu)件應(yīng)力分布并將電液控制系統(tǒng)內(nèi)置于箱體內(nèi)部、底座采用“凸字型”布置等方法解決了液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與高強(qiáng)度、穩(wěn)定性、適應(yīng)性之間的矛盾;解決了液壓支架空間與工作面采高、檢修、附屬構(gòu)件布置等之間的矛盾。為極薄煤層自動(dòng)化綜采提供了關(guān)鍵技術(shù)裝備，將人均產(chǎn)煤效率提高了1.65倍，大大提高了礦井的機(jī)械化和自動(dòng)化程度。

關(guān)鍵詞：極薄煤層;液壓支架;自動(dòng)化綜采

引 言

目前，在極薄煤層中普遍采用炮采和普通機(jī)械化采煤方法，存在機(jī)械化程度低、生產(chǎn)效率低下、工人勞動(dòng)強(qiáng)度高、安全性差等缺點(diǎn)，與智能、安全、綠色為特征的科學(xué)采礦趨勢不相匹配。極薄煤層綜合機(jī)械化開采裝備技術(shù)研究是行業(yè)發(fā)展的內(nèi)在要求，具有在國內(nèi)外極薄煤層開采中推廣普及的能力，市場前景及發(fā)展?jié)摿薮?。研究相適應(yīng)的關(guān)鍵裝備液壓支架可以有效解決采煤空間過于狹小、環(huán)境惡劣、設(shè)備選型困難、人員安全、開采成本高等問題，對極薄煤層自動(dòng)化綜采有著積極的推動(dòng)作用。

1、極薄煤層開采存在的問題及國內(nèi)外液壓支架的發(fā)展趨勢

我國極薄煤層開采主要采用長壁采煤法，但由于開采煤層厚度小，與中厚及厚煤層相比，主要有以下問題：采高低，工作條件差，設(shè)備及人員移動(dòng)困難;配套設(shè)備可靠性低，穩(wěn)定性差;煤層厚度變化、斷層等地質(zhì)構(gòu)造對薄煤層綜采工作面的影響比較大;工作面自動(dòng)化程度低，手動(dòng)控制系統(tǒng)導(dǎo)致移架速度慢、效率低;薄煤層長壁機(jī)械化采煤工作面的投入產(chǎn)出比高，經(jīng)濟(jì)效益不如開采厚及中厚煤層工作面。

目前極薄煤層液壓支架的操作系統(tǒng)可分為手動(dòng)臨架操作、液壓先導(dǎo)操作、電液控制操作三類，隨著煤礦開采現(xiàn)代化發(fā)展，液壓支架的研究方向主要為：多樣性、輕型化、高壓化、材料強(qiáng)化、自動(dòng)化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化。

2、液壓支架研究

2.1液壓支架參數(shù)確定

極薄煤層液壓支架主體參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：液壓支架架型滿足采煤工藝要求;液壓支架結(jié)構(gòu)適應(yīng)工作面圍巖特征;支護(hù)強(qiáng)度與極薄煤層礦壓顯現(xiàn)特征相適應(yīng)。

2.1.1架型的確定

不同架型的液壓支架，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有很大差異，它們的支撐力分布和作用也不同。液壓支架架型主要取決于煤層、頂板和底板條件。根據(jù)頂?shù)装宓牡刭|(zhì)條件，正確地進(jìn)行頂?shù)装宸诸惙旨墸且簤褐Ъ苓x型設(shè)計(jì)的重要前提。韋家溝煤礦8號(hào)煤層頂板為Ⅱ級2類，工作面底板屬Ⅲ級b類，依據(jù)MT554-1996《緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類》附錄C1中采煤工作面圍巖可控程度分組，該煤層圍巖屬易于控制的圍巖組合類型;再根據(jù)附錄C2中支護(hù)設(shè)備選型和圍巖可控程度，在充分對比分析各種架型優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合韋家溝煤礦極薄煤層工作面的地質(zhì)條件，確定選用兩柱掩護(hù)式液壓支架。

2.1.2支架高度的確定

支架高度的確定是十分重要的，如果確定過低，就要丟失不少本來就很薄的煤;但若確定支架的高度富裕量太大，將會(huì)給設(shè)計(jì)帶來很大的難度。支架高度應(yīng)根據(jù)所采斷層的厚度，采區(qū)范圍內(nèi)地質(zhì)條件的變化等因素來確定，其最大與最小值應(yīng)為：

式中：? H1—支架最大高度;H2—支架最小高度;hm—最大采高;

Hn—最小采高;S1—一般0.2m～0.3m;

S2—頂板最大下沉量，薄煤層取0.15m～0.25m，極薄煤層可適當(dāng)減少.

按照韋家溝煤礦8號(hào)煤層的情況，在平均煤層厚約0.56m，最大煤厚度約0.64m，偽頂厚度0.1～0.2m。確定最小采高0.6m，最大采高0.8m，根據(jù)MT/T169-1996《液壓支架型式與參數(shù)》中3.1支架最大高度和最小高度的要求。支架的最大高度確定為0.9m，最低高度確定為0.45m。

2.1.3支架中心矩的確定

所謂支架中心矩就是相鄰兩支架中心線間的距離，支架中心矩決定支架的寬度并直接影響到支架的穩(wěn)定性，因此支架中心矩越大穩(wěn)定性越好;支架中心矩還要與其配套設(shè)備相匹配，也受運(yùn)輸條件限制。目前支架中心矩有1.25m、1.5m、1.75m、2.05m四種規(guī)格，根據(jù)極薄煤層工作面采高特點(diǎn)及配套刮板輸送機(jī)的槽寬要求，本支架中心矩選取1.5m。

2.1.4支架強(qiáng)度的確定

確定液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度時(shí)，要綜合考慮到直接頂對采空區(qū)的充填程度、老頂?shù)膩韷簭?qiáng)度和受開采影響的上覆巖層巖性及厚度。本文采用巖梁位態(tài)法計(jì)算工作面所需支護(hù)強(qiáng)度。支架與基本頂巖梁的相互作用關(guān)系如圖1所示。

圖1

韋家溝煤礦極薄煤層綜采開采厚度為0.6m～0.8m，為了保證盡可能大的采場空間，對支架采取“限定變形”的工作方式，控制頂板的下沉量。根據(jù)極薄煤層單體工作面礦壓觀測，韋家溝煤礦各極薄煤層采場頂板平均下沉量大多在60mm～100mm，如此大的下沉量對于綜采是不合適的，初步確定限定下沉量30mm。

韋家溝煤礦極薄煤層工作面同時(shí)存在直接頂和基本頂，屬一般采場，對于一般采場，“限定變形”工作狀態(tài)下的支護(hù)強(qiáng)度為：

式中：-老頂厚度m; -老頂周期斷裂步距m;? -控頂距;

-控頂末排頂板最大下沉量; -要求控制頂板最大下沉量。

-巖石分配系數(shù)，受直接頂厚度與采高之比N的控制，如表1所示;

頂板為粉砂巖，懸頂取平均值3m，其作用力無需支架全部承擔(dān)，懸頂斷裂后，在沉降過程中，根據(jù)靜力平衡，支架必須承受懸頂?shù)娜恐亓Γ苯禹斪饔昧為：

綜上所述，工作面應(yīng)有的支護(hù)強(qiáng)度取最大值為0.294MPa。

2.1.5支架工作阻力

液壓支架的工作阻力即支架的合力，是支架的主要的參數(shù)之一，它代表了支架的支撐能力，當(dāng)支架的支護(hù)強(qiáng)度確定后，根據(jù)配套尺寸，確定支架的頂梁長度和梁端距，就可以算出支架的工作阻力。

支架支撐頂板的有效工作阻力為：

式中 ： —支架頂梁長度，取 3.2m;—梁端距，根據(jù)頂板條件定為0.4 m;

—支架中心矩，1.5m; —支撐效率，取0.8見表2;

—安全閥波動(dòng)系數(shù)，取0.9。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合MT/T169-1996《液壓支架型式與參數(shù)》中工作阻力推薦系列，最終確定支架工作阻力為2400kN。

2.1.6液壓支架主要參數(shù)表

2.2極薄煤層液壓支架主要結(jié)構(gòu)

韋家溝煤層采高僅0.6～0.8mm，傾角10°左右，有偽頂，軟底，對支架的適應(yīng)性和穩(wěn)定性提出了更高的要求。本文通過合理選取板材規(guī)格和布置方式，經(jīng)過可靠性分析做到了頂梁、推桿及其附屬構(gòu)件的輕薄化緊湊設(shè)計(jì);盡可能把液壓管路和電液控制系統(tǒng)元器件內(nèi)置于高強(qiáng)度板之間，既保證了功能的完整性又簡化了結(jié)構(gòu)。

2.2.1頂梁

針對韋家溝煤礦極薄煤層工作面的地質(zhì)條件，支架采用剛性整體式頂梁。為最大限度的增大行人和過機(jī)空間，頂梁前端采用高強(qiáng)度板迭加結(jié)構(gòu)，在保證梁體強(qiáng)度的前提下使頂梁的厚度減到了最小;通過頂梁活動(dòng)側(cè)護(hù)板對頂板的支護(hù)，保證在安全空間內(nèi)對液壓支架后部檢修。

2.2.2底座

為增強(qiáng)支架的穩(wěn)定性和對底板的適應(yīng)性，支架采用了整體式剛性底座，中部全開結(jié)構(gòu)，既能使矸石順利的排出，又能加大底座的接底面積，減小底座比壓，同時(shí)在設(shè)計(jì)中還盡量加大了底座的寬度，使底座平均比壓盡量減小，降低了支架在松軟底板工作面下陷的機(jī)率。底座左右兩個(gè)箱形由前后過橋連接，使底座成為一個(gè)剛性體，連接簡單、可靠，增強(qiáng)了底座的整體強(qiáng)度。通過底座采用“凸字型”布置和頂梁活動(dòng)側(cè)護(hù)板對頂板的支護(hù)，保證在安全空間內(nèi)對液壓支架后部檢修。

2.2.3底調(diào)機(jī)構(gòu)

為適應(yīng)自動(dòng)化工作面高效開采，增強(qiáng)支架的防滑能力，在底座側(cè)面設(shè)置了底調(diào)裝置。與頂梁、掩護(hù)梁活動(dòng)側(cè)護(hù)板相互配合，使整個(gè)支架在防止鄰架下滑，修正其相對位置時(shí)下部也有施力構(gòu)件，防止支架側(cè)滑。

2.2.4推移機(jī)構(gòu)

本方案采用整體式推移機(jī)構(gòu)，由正裝推移千斤頂和短推桿組成，該結(jié)構(gòu)與整體底座配套使用，連接簡單、輕便、結(jié)構(gòu)簡單可靠、井下維修更換方便。推桿采用高強(qiáng)度板迭加結(jié)構(gòu)，既保證了推桿的強(qiáng)度又達(dá)到了輕薄化的要求。

2.3液壓支架控制系統(tǒng)

液壓支架除了結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)以外，控制系統(tǒng)也是決定其應(yīng)用效果和成敗的關(guān)鍵因素。本支架采用電液控制系統(tǒng)，接收集控中心或者遙控器、以及其它設(shè)備的命令，執(zhí)行命令，采集各傳感器的數(shù)據(jù)（壓力、行程、紅外），形成死循環(huán)控制，同時(shí)將傳感器數(shù)據(jù)、電液控各狀態(tài)數(shù)據(jù)傳至集控中心監(jiān)控。該系統(tǒng)具有自動(dòng)跟機(jī)功能，根據(jù)采煤機(jī)的位置進(jìn)行相應(yīng)的推溜、移架、以及自動(dòng)進(jìn)刀等。系統(tǒng)由立柱升降、推移伸縮、底調(diào)伸縮、側(cè)推伸縮、平衡伸縮和噴霧系統(tǒng)單元組成，選取了合適的控制器、電磁主閥、電源箱、液壓單向鎖、浮動(dòng)雙向鎖、安全閥等關(guān)鍵元器件，采用小型化設(shè)計(jì)，共同保證了液壓支架為滿足采煤工藝要求的各個(gè)動(dòng)作順利執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)了極薄煤層機(jī)械自動(dòng)化綜采（原理如圖1）。

圖1 控制原理

3、應(yīng)用情況

3.1工作面概況

韋家溝煤礦為高瓦斯礦井，地質(zhì)構(gòu)造中等，水文地質(zhì)條件中等;平均煤層厚約0.56m，最大煤厚度約0.64m，偽頂厚度0.1～0.2m。確定最小采高0.6m，最大采高0.8m，屬于極薄煤層。

3.2應(yīng)用效果

通過液壓支架等關(guān)鍵配套設(shè)備的成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了工作面單面減人39人，年節(jié)約人員工資等費(fèi)用480余萬元;月人均產(chǎn)煤效率綜采是高檔普采的1.65倍;自動(dòng)化綜采的生產(chǎn)環(huán)境和對頂板的安全管理得到極大程度提升。該技術(shù)已經(jīng)開始初步推廣，已經(jīng)與貴州、新疆、江西等多家礦井達(dá)成合作意向。本支架配套的極薄煤層綜采裝備大大提高了礦井的自動(dòng)化和智能化程度。

4、結(jié)論與建議

研制出了ZY2400/4.5/09D 極薄煤層液壓支架，解決了液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與高強(qiáng)度、穩(wěn)定性、適應(yīng)性之間的矛盾;解決了液壓支架空間與工作面采高、檢修、附屬構(gòu)件布置等之間的矛盾。具體特點(diǎn)如下：

（1）采用單擺梁穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，簡化支架結(jié)構(gòu)，使支架滿足0.65～0.75m采高的要求;

（2）優(yōu)化結(jié)構(gòu)件應(yīng)力分布，將電液控制系統(tǒng)內(nèi)置于箱體內(nèi)部，使支架達(dá)到0.45m最低高度;

（3）采用支架結(jié)構(gòu)件輕薄化、電液控制產(chǎn)品小型化設(shè)計(jì)，保證0.65m采高時(shí)過機(jī)空間、行人空間;

（4）支架底座采用“凸字型”布置，設(shè)置架間檢修空間，便于后部結(jié)構(gòu)件維護(hù)。

（5）本液壓支架所配套的極薄煤層綜采裝備技術(shù)經(jīng)過重慶市科技成果轉(zhuǎn)化促進(jìn)會(huì)評審，認(rèn)為技術(shù)先進(jìn)、具有很高的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，建議在西南地區(qū)乃至全國進(jìn)行積極推廣應(yīng)用。

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作者簡介：許增亮（1983-），工程師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榧眱A斜、極薄煤層機(jī)械化綜采工藝及裝備。