放顶煤液压支架的创新与发展.pdf

第 39卷第 4期煤 炭 科 学 技 术 Vol39 No4 2011年4月 Coal Science and Technology Apr . 2011 放顶煤液压支架的创新与发展 苏林军 1, 朱 峰 2 1天地科技股份有限公司 开采设计事业部, 北京 100013 ;2冀中能源张家口矿业集团 生产技术部, 河北 张家口075100 摘 要 回顾我国放顶煤技术的发展历程, 介绍了我国放顶煤液压支架的创新成果, 着重阐述我国 放顶煤液压支架的最新发展、大采高放顶煤液压支架的应用及其采用的关键技术,如 专利技术新 型双四连杆中通式大空间支架稳定机构、抗冲击立柱、支架稳定性措施及煤壁片帮控制措施等。分 析了新型分体组合式直线型放顶煤液压支架的特点及其适应性和稳定性,并提出放顶煤液压支架发 展的方向应为发展两柱放顶煤液压支架、轻型放顶煤液压支架、大采高放顶煤支架、浅埋深厚煤 层放顶煤液压支架和深部矿井厚煤层放顶煤液压支架等。 关键词 液压支架;放顶煤技术; 综放成套装备;大采高 中图分类号TD421 文献标志码A 文章编号0253- 2336 2011 04- 0084- 05 Innovation and Development ofHydraulic Powered Caving Support SU L injun 1, ZHU Feng2 1. M ining and D esignD epart ment, T iandi Science and T echnology Company Ltd. , Beijing100013, China; 2. Production and T echnology Department , Jizhong Energy ZhangjiakouM ining Group, Zhangjiakou 075100 , China Abstract The paper reviewed the development history of the top coal caving technology in China and introduced the innovated achieve ments of the hydraulic powered caving support in China . The paper stressed the new development of the hydraulic po wered caving support in China . The paper stated the application of the hydraulic po wered high cutting and caving support and the key technologies ,including the open large space support stabilized structure in the patent technology ne w double four connection bar ,the anti i mpact leg ,the support stability measures and the coalwall spalling controlmeasures and others . The paper analyzed the features of the new separated combined type straight line mode hydraulic powered caving support ,the flexibility and the stability and provided the development orientation of the hydraulic powered caving support ,including the development of the two leg hydraulic powered caving support ,the lightweight hydraulic po wered caving support ,the hydraulic powered high cutting caving support ,the hydraulic po wered caving support in shallow depth thick sea m,the hydraulic powered caving support in thick seam of deep mine and others . K ey words hydraulic powered support ;top coal caving technology ;competed set fully mechanized top coal caving m ining equipment ; largem ining height 1 我国综采放顶煤技术发展回顾 自 20世纪 80年代初以来,放顶煤液压支架从 高位、中位、正四连杆小插板、反向四连杆大插 板、两柱掩护式到大采高低位放顶煤液压支架, 经 历了多次架型的变革, 每一次架型的重大变革都带 来了放顶煤技术的重大进步,同时放顶煤技术的不 断完善也促进了放顶煤液压支架的发展,回顾放顶 煤液压支架发展历程, 创新始终是推动放顶煤液压 支架发展的强大动力 [ 1- 5]。综放开采技术是对厚煤 层传统采煤方法的一次革命, 我国于 1984年研制 了首套国产 FY400- 14/28型综放支架,并在蒲河 矿进行了首次综放开采工艺与装备的井下工业性试 验, 开始了放顶煤技术的试验探索,验证了放顶煤 开采实现高产高效的可行性。随着对综放开采方法 的认识有了较大突破, 三软煤层、大倾角煤层、高 瓦斯等难采煤层综放开采技术有了重大突破,加快 了广泛实现综放开采的步伐。进而综放开采技术有 了新突破,对两硬、大倾角、高瓦斯、易燃等难采 煤层的放顶煤开采技术也都有长足的发展, 并形成 了各具特色的综放开采成套技术。 2 放顶煤液压支架创新成果 放顶煤技术经过近 30年的发展,高位和中位 84 苏林军等 放顶煤液压支架的创新与发展2011年第 4期 放煤已基本被淘汰,目前我国综放工作面普遍采用 低位放煤工艺,使用的低位放顶煤液压支架主要有 正四连杆四柱支撑掩护式放顶煤液压支架、反四连 杆四柱支撑掩护式放顶煤液压支架、单摆杆轻型放 顶煤液压支架和两柱掩护式放顶煤液压支架等多种 架型,这几种架型在不同的开采条件下发挥了其独 特的作用,并取得了良好的效果。 1 正四连杆四柱支撑掩护式放顶煤液压支架 图 1a。由我国自主研制的短尾梁小插板正四连 杆四柱支撑掩护式放煤液压支架广泛应用于综放工 作面,并取得巨大成功,成为目前综放工作面使用 的主导成熟架型。该架型液压支架的优点是支护能 力强、人行通道宽、稳定性好、操作方便和高产能 力强;其主要缺点是普遍存在前后排立柱受力不 均, 液压支架的支护性能不能够充分发挥, 尤其是 在放煤过程中这种现象更为突出, 甚至有拔后柱现 象, 影响工作面正常推进。目前该架型已形成覆盖 工作阻力从 2 600到 15 000 kN,支护高度由 1 800 到 4 200 mm 的多个系列产品, 能够满足国内绝大 部分综放工作面支护的需求。随着对该类架型液压 支架使用条件、受力认识的深入和其结构的改进与 完善,正四连杆四柱支撑掩护式放顶煤液压支架的 使用范围将进一步扩大。 图 1 放顶煤液压支架 2 反四连杆四柱支撑掩护式放顶煤液压支架 图 2b,是我国自主研制的放顶煤液压支架。其 主要优点是改善了前后排立柱受力不均的缺点, 支 架力学特性好于正四连杆结构液压支架,并增大了 后部放煤空间,提高放煤效率和顶煤采出率;主要 缺点是该类液压支架架间人行道随采高变化而变 化, 大工作阻力时结构布置比较困难, 支架顶梁长 度比正四连杆机构支架长等。该架型在阳泉、靖 远、铜川和华亭等多个矿区得到推广和应用,并广 泛应用于综放工作面过渡架。 3 单摆杆轻型放顶煤液压支架图 1c, 是 专门为中小煤矿设计的一种轻型放顶煤液压支架, 其最大优点是质量小、投资少、操作方便, 能够实 现机械化开采;其最重要的缺点是控制软顶煤的能 力较差, 稳定性较差, 支护强度比较小,进一步提 升的能力较差。单摆杆轻型放顶煤液压支架工作阻 力由 1 800到 3 200 kN,高度由 1 600 m 到 2 400 m, 已有 10多种架型在井下使用,是当前被广泛 使用的一种轻型放顶煤液压支架。 4 两柱掩护式放顶煤液压支架图 1d, 是 由我国近年自主研发的一种新型放顶煤液压支 架 [ 6]。该类型液压支架的最大优点是适应围岩能 力强,单排立柱, 解决了四柱支架前后两排立柱受 力不均的缺点,提高了支护效率, 并易于实现电液 自动控制。 目前,两柱掩护式放顶煤液压支架已在国内十 几个矿井使用,并出口到澳大利亚。两柱掩护式放 顶煤液压支架的研制, 解决了综放工作面四柱支撑 掩护式放顶煤液压支架前后排立柱受力不均的问 题, 能够提高综放工作面自动化程度, 为综放工作 面高产高效开采提供了有力保障, 是高产高效综放 工作面迫切需求的一种新架型, 应用前景广阔。 3 放顶煤液压支架的最新发展 十一五 时期是我国高效开采装备技术创 新和发展最快的阶段, 综放成套装备的研发取得了 重大成果。我国地域辽阔, 煤层条件和开采条件多 样性决定了综放技术的多样性, 不应该也不可能用 一种或少数几种方法来解决所有的问题。综放技术 的多样性决定了放顶煤支架的多样性, 十一五 期间一方面是发展高端放顶煤液压支架及重型高可 靠性成套装备 [ 7], 另一方面是发展满足中小煤矿 技术进步要求的轻型放顶煤液压支架及成套装 备 [ 8]。 31 大采高综放液压支架 为了解决 14 20 m 的特厚煤层一次采全高的 难题,提出了大采高综放开采的概念, 研制了 52 m 大采高放顶煤液压支架及成套设备。大采高综放 开采使工作面一次可采厚度最高达到 20 m,工作 85 2011年第 4期煤 炭 科 学 技 术第 39卷 面生产能力突破 1 000万 t/a [ 9]。 311 大采高综放液压支架的关键技术 1 提高大采高综放液压支架的工作阻力。研 究表明, 综放液压支架采高加大后,围岩活动范围 在工作面横向、纵向明显扩大, 矿压显现明显加 剧,52m大采高综放液压支架提高了工作阻力, 以增加支架前端及后端对顶板岩梁滑落失稳和回转 失稳的支护要求。 2 大采高综放工作面煤壁片帮控制 [ 10]。控制 大采高综放工作面煤壁片帮措施主要有 提高综 放液压支架的初撑力,提高其主动支撑顶板的能 力, 以减轻顶板煤 对煤壁的垂直作用,这是 保持煤壁完整、抑制片帮最有效的措施之一; 带 压移架及时支护顶板 煤 使顶梁与顶板 煤 接触良好,可以减小煤壁前方支承压力,从而可以 避免煤壁片帮的发生或减轻煤壁片帮程度; 综放 液压支架设置护帮板, 使用护帮板并使其靠紧煤壁 可以增加煤壁的侧向约束力,煤壁片帮程度则会降 低;异常情况下控制煤壁片帮措施。当工作面已 发生片帮或冒顶, 或遇到异常带时,采取适当降低 采高、减少采煤机截深或加固煤壁的方法, 并提高 采煤机牵引速度, 减少片帮程度; 条件允许的情 况下采用俯斜开采,俯斜开采可以减轻煤壁片帮 程度。 3 大采高综放液压支架的稳定性。支架的稳 定性是决定 52 m大采高综放液压支架成功与否的 关键。采取的主要措施主要有 优化四连杆机构参 数; 提高支架的初撑力;加大支架的中心距;减小 轴孔间隙和径向间隙; 增大前梁千斤顶缸径,设置 二级护帮装置。 4 新型双前后连杆中通式大空间放顶煤支架 稳定机构。在 52 m 大采高综放液压支架的设计 中, 创新性地提出了新型双四连杆中通式大空间放 顶煤支架稳定机构 已申请专利 。前后连杆结构 对支架的抗扭起到至关重要的作用,采用 前双、 后双 的连杆结构, 避免采用传统放顶煤液压支 架 前双、后单 的结构,前后连杆的刚性大幅 加强,前后连杆受力变形量随之减小, 进而减小了 顶梁、掩护梁相对底座的偏移量, 增加了大采高综 放液压支架的稳定性。同时,在前后连杆间形成了 较大的行人通道, 通过此行人通道维修人员可到达 支架后部进行维修作业;操作人员可随时观察放煤 情况、控制放煤过程, 提高放煤的精度和回采率。 5 前梁 - 伸缩梁运动结构选用 V型槽导向结 构。支架前端的护顶性能是 52m大采高综放液压 支架需研究解决的关键技术之一, 为使支架具有良 好的护顶性能,支架前梁设计了大行程的内伸缩式 伸缩梁, 通过控制伸缩梁两边梁外侧与顶梁边主筋 内侧间的距离来导向的,通常由于加工的原因造成 误差,致使伸缩梁在伸缩过程中经常遇到蹩卡现 象, 影响支架的护顶性能,为了彻底解决这一问 题, 在 52 m大采高综放液压支架前梁 - 伸缩梁运 动结构的设计中摈弃了常规的导向结构,采用了 V 型槽导向结构,实践表明,采用 V型槽导向结构 的伸缩梁运动灵活自如。 6 采用抗冲击立柱。实践和理论证明大采高 放顶煤液压支架经常受到冲击载荷,为了保证工作 面的高效安全,大采高放顶煤支架所用的立柱必须 具有抗冲击性,为了提高立柱的抗冲击能力,主要 常用以下方法 增大外缸外壁直径, 增强外缸的 抗冲击能力; 增加中缸壁厚度, 增强中缸的抗冲 击能力; 增加旁路安全阀,增大安全阀流量, 在 支架受到冲击载荷时迅速泄液; 尽可能增大立柱 内部缓冲液体介质 的体积,以提高立柱缓冲 性能;合理设计立柱结构,减小立柱受冲击时的 压缩刚度,延长立柱冲击振动周期; 选择合理的 立柱型式,优先采用双伸缩立柱, 其次采用单伸缩 立柱,尽量避免采用单伸缩加机械加长杆立柱。 采用减重综合技术。 大采高综放液压支架工作阻力大、高度大, 造 成支架质量大、运输安装困难。要通过总体优化设 计、结构优化、高强度材料和可靠工艺等综合研 究, 最大限度地减小支架质量。 312 大采高综放液压支架的应用 随着放顶煤工作面开采厚度的增大及顶板结构 的影响, 工作面压力显著增大, 大同塔山矿和华亭 煤矿等 18m厚煤层放顶煤开采中均证明了相同的 规律。采用强力支架, 提高支架的支护强度是保证 安全高效生产的重要途径。大同塔山矿先后采用了 ZF10000/25/38 、ZF13000/25/38型四柱式强力放 顶煤支架,生产实践证明提高支架工作阻力显著改 善了支架的适应性和使用效果。 2009年,塔山矿 创出了日产 69万 t和月产 165万 t的历史新高, 实现了工作面年产千万吨目标。 86 苏林军等 放顶煤液压支架的创新与发展2011年第 4期 近年来,天地科技开采装备技术研究所为大 同、伊东和新汶等矿区设计了多种高度 42 52 m 的大工作阻力大采高放顶煤支架,国内典型大工 作阻力大采高放顶煤液压支架应用现状见表 1 。 表 1 国内典型大工作阻力大采高放顶煤液压支架应用现状 项 目伊东孙家壕煤矿新汶新巨龙煤矿同煤同忻煤矿同煤大唐塔山煤矿 煤层平均厚度 /m18881616 煤层倾角 / 0 32 13 10 10 工作面长度 /m210264193207 巷道断面 / m m 45 3445 3553 3855 36 采高 /m38 4038 4038 4045 50 截深 /m0808080 8 放煤步距 /m0808080 8 中部支架型号ZF13000 /23 /42ZF15000/23/43ZF15000 /275/42ZF15000/28/52 过渡支架型号ZFG13000/26/38 HZFG15000/26 /43HZFG13000/275/42HZFG15000/285/45H 采煤机型号MG500/1180- WDKS W - 1500 EUSL500MG750/1915- GWD 前部刮板输送机型号SGZ1000/1050SGZ1000 /2 120042 1000 268AFC2 1000SGZ1000 /2 855 后部刮板输送机型号SGZ1200/1400SGZ1200 /2 120042 1250 268AFC 2 1000SGZ1200 /2 1000 转载机型号SZZ1200 /400SZZ1200/70038 13501 600 k W JoyPF6/1542 破碎机型号PCM 375PLM45001 400 k W Joy 运煤方向下山上山下山下山 32 新型分体组合式直线型放顶煤液压支架 随着煤炭开采的不断深入, 许多矿区都残留了 大量边角煤、小块段煤和煤柱, 布置正规工作面进 行回采很困难,更难以采用综采工艺。大型综采装 备对这些边角煤适应性差,且不能发挥应有的效 率, 同时,一些中小煤矿, 巷道狭窄, 采用大型综 采装备更是受到限制。为满足中小煤矿和边角小块 段煤综采放顶煤生产要求,从 2006年开始, 研发 了分体组合式直线型放顶煤液压支架系列产品, 在 开滦、西山、晋城、新疆等矿区推广应用, 取得良 好效果。 321 分体组合式直线型放顶煤液压支架的特点 组合式直线型液压支架的顶梁、底座、尾梁、 护帮板等都为分体式, 这样能够避免因顶板不平而 产生的偏载, 分体式顶梁、底座通过铰接方式分别 用连接箱和前后拉杆连为一体, 如图 2所示。 图 2 分体组合式直线型放顶煤液压支架 1 组合式直线型液压支架的顶梁、底座、尾 梁、护帮板均为分体式,分体式顶梁和分体式底座 通过铰接方式分别用连接箱和前后拉杆连为一体, 使该支架能够避免因顶板不平而产生偏载和扭转 2 种恶劣工况, 并在不降低支护强度的情况下,有效 降低支架质量。 2 组合式直线型液压支架的分体式结构适用 于巷道狭窄、整架不能入井的矿井,通过井下分体 运输,工作面整体组装,替代单体液压支柱或组合 式悬移支架支护, 实现综采机械化采煤,也可用于 大型矿井的边角煤开采。 3 支架采用了双伸缩箱稳定机构,分体式底 座中后部分别设置无盖箱体,伸缩箱与其配合并在 其中滑动,伸缩箱孔端与顶梁腹部耳铰接, 保证了 支架的稳定性。该稳定机构具有结构紧凑、质量小 的优点。 4 支架的分体式尾梁、护帮板相互独立, 分 体式尾梁在尾梁千斤顶的作用下在放顶煤工作面用 于调节放煤口,分体式护帮机构用于护帮或护顶。 5 支架顶梁腹部设计安装有简易调架机构。 6 该支架设计采用了无推移杆推移机构, 推 移千斤顶通过底座后拉杆、连接头分别与底座、输 送机连接,此推移机构结构简单, 质量小, 后拉杆 在连接底座的同时,也起推移机构的作用。 87 2011年第 4期煤 炭 科 学 技 术第 39卷 分体组合式直线型放顶煤液压支架具有综采、 综放液压支架的推移刮板输送机、自移支架等支护 机械化的特点,又具有质量小、支护能力大、机动 性好、拆装、运输方便的特点。 322 分体组合式直线型放顶煤液压支架适应性 和稳定性分析 1 适应性分析。分体组合式支架顶梁的运动 与伸缩箱稳定机构的运动一致, 其轨迹是一条铅垂 直线,支架立柱的受力始终接近理想状态。但支架 在井下的实际工况是非常复杂的, 不仅顶板压力的 大小和作用位置, 而且支架顶梁和顶板的接触情况 都随机变化。此外,支架还可能承受不同大小和不 同方向的水平载荷。对分体式顶梁来说,其单片顶 梁的长宽比值较大,可以认为顶梁与顶板是线接 触, 底座与底板也是线接触,所以分体式支架相比 整体式支架对顶底板的适应性更强。 2 稳定性分析。对整体式支架来说,如果工 作面煤层倾角使支架重心铅垂线与底板交点超出了 底座外沿,支架就会倾倒,当煤层倾角大于 15 时, 支架需设防倒装置,但是分体式支架左右会随 底板的起伏上下错动一定距离, 支架重心也会发生 相应变化,再加上左右支架相互牵制, 分体式支架 横向稳定性与整体式支架相比相差很小。 分体式支架伸缩箱稳定机构布置于前后立柱之 间, 伸缩箱与顶梁铰点靠近顶梁合力作用点位置, 这极大地提高了稳定机构承受顶梁相对于底座的各 种弯矩和扭矩,与四连杆机构相比,伸缩箱稳定机 构受力杆件也大幅减少, 在降低支架质量的同时, 也提高了支架的纵向稳定性。 4 放顶煤液压支架发展方向 综放开采技术以其高产、高效和安全的综合优 势, 在今后相当长时间内, 仍将成为我国厚及特厚 煤层开采的主要技术途径。进一步开发结构更加完 善、适应性更好、效率更高的放顶煤液压支架新架 型, 继续优化现有放顶煤液压支架,提高其可靠 性。放顶煤液压支架的发展方向展望如下 1 发展两柱放顶煤液压支架。自动化放顶煤 关键技术与装备已取得了重大突破,进一步推广和 完善两柱放顶煤液压支架, 进一步研发放顶煤煤岩 识别系统和自动化放顶煤控制系统,提高综放工作 面自动化程度和效率是放顶煤液压支架发展的重要 方向。 2 发展轻型放顶煤液压支架。分体组合式放 顶煤支架的研制成功, 为矿区的残留煤柱、不规则 边角块段及小型井田的开采提供一种思路, 应进一 步推广和完善分体组合式直线型轻型放顶煤液压支 架, 并研发新的适应中小煤矿和边角煤回收的轻型 放顶煤液压支架。 3 发展大采高放顶煤支架。增大机采高度, 发展大采高放顶煤开采技术,从整体上提高煤炭采 出率成为目前综放开采的新的发展趋势。 十一 五 国家科技支撑计划重大项目 大采高综采放 顶煤成套技术与装备 的研发成功,为大采高放 顶煤开采技术发展奠定了重要基础,必将促进全国 大采高放顶煤支架的发展。 4 研发浅埋深厚煤层放顶煤液压支架。晋陕 蒙重点矿区有大量的浅埋深厚煤层和特厚煤层, 由 于其煤炭硬度大、结构致密、整体性强、埋深浅, 顶煤不宜冒落,目前, 普遍采用大采高掏心采, 造 成资源严重浪费。研究适应浅埋深厚煤层放顶煤液 压支架是今后放顶煤技术发展的重要任务。 5 研发深部矿井厚煤层放顶煤液压支架。深 部资源开采一直是国内外采矿工程界一个十分重要 的研究课题。国内外都进行了大量研究,取得很多 研究成果。但是深部开采遇到的一些根本性问题还 没有得到彻底解决,特别是深部厚及特厚煤层综放 开采技术的研究还较少。今后将大力开展深部矿井 厚煤层安全高效开采工作面放顶煤液压支架与配套 设备研制,其重点是深部开采工作面压力显现规律 与支架合理参数研究, 深部开采工作面液压支架设 计研究, 抗冲击液压支架及抗冲击系统研制,深部 开采工作面设备配套原则与配套设计研究。 参考文献 [ 1] 王国法.液压支架技术[M ].北京 煤炭工业出版社, 1999 . 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