虎龙沟煤矿放顶煤液压支架稳定性研究.pdf

引言 随着我国煤炭开采技术的发展，放顶煤综采技 术已经成为我国特厚煤层开采的发展方向之一， 并 普遍应用于大型的现代化矿井。 目前， 高效高产已成 为现代煤矿生产所追求的目标， 而其目标的关键因素之一就是放顶煤液压支架 的可靠性。 对于国内某些重点矿区的特厚煤层而言， 该煤层具有煤炭硬度大、 整体性强、 顶煤不易冒落等 特点[1]。 受地质条件的影响， 许多工作面矿压显现异 常激烈， 放煤和顶板垮落时对液压支架的冲击大， 导 致支架出现不同程度的压死、 结构件开裂等问题， 严 重影响了煤矿企业的安全生产[2]。 因此， 本文以虎龙 沟煤矿 ZF13000/25/38D 型低位放顶煤液压支架为 研究对象， 通过对支架结构进行合理的优化改进， 从 而提高了支架的稳定性，为特厚煤层放顶煤液压支 架的设计提供了技术支持。 1工程背景 虎龙沟煤矿 81505 位于马口峪河地带，工作面 东部为实煤区， 南部与盘区东轨道大巷相接， 西部邻 近 81503 工作面采空区， 北部邻近塔山煤矿二盘区。 该工作面走向长 2 423 m， 倾向长 180 m， 煤层厚度 11.9914.36 m， 平均厚度 12.73 m， 层内含夹矸 9-12 层 （累计厚为 3.383.81 m） 。煤层结构复杂， 侵入的 火成岩厚度分布没有规律，工作面具体的顶底板情 况如表 1 所示。 由表 1 可以看出，该工作面直接顶为高岭质泥 岩， 厚度为 1.52.27 m； 老顶为粗砂岩， 平均厚度为 18 m， 局部有火成岩侵入； 直接底为砂质泥岩， 平均 厚度 2.0 m， 泥质胶结， 致密块状夹薄煤。 受褶曲和断 层等构造影响，液压支架出现不稳定的现象。基于 此， 本文通过分析影响放顶煤液压支架的因素， 对液 压支架进行合理的改进， 从而提高支架的稳定性。 2影响支架稳定性的因素 放顶煤支架作为现代煤矿安全生产最重要的设 备之一，在综采过程中发挥着支护顶板和推移其他 工作设备的作用， 然而 85105 工作面地质条件复杂， 受多重因素影响， 造成 ZF13000/25/38D 型低位液压 支架出现立柱爆缸、 支架压死等不稳定的现象。 对于 影响支架不稳定的因素分述如下 1） 煤层厚度。地质资料显示该煤层平均煤层 12.73 m 且层内含有夹矸， 局部煤层受挤压变得非常 疏松， 在放煤前导致支架前柱工作阻力增加， 放煤后 工作阻力减小， 对支架的承载产生影响。 2） 煤炭硬度。由于该煤层煤炭硬度大， 整体性 强且顶煤不易冒落， 放煤过程中工作面矿压显现剧 烈， 支架前柱受煤岩体的压力、 后柱受垮落岩体的 冲击， 使得支架前后柱的受力不均， 对支架的冲击 影响较大。 3） 支撑高度。 支架各部件用销轴连接， 当支架支 撑高度较大且承受纵向的水平力时，合力作用点的 位置会发生变化， 导致支架出现歪斜、 扭转等不稳定 的现象。 4） 支架结构强度。 受技术限制， 部分支架的结构 虎龙沟煤矿放顶煤液压支架稳定性研究 杨磊 （山西同煤集团虎龙沟煤业有限公司， 山西朔州036010） 摘要为了解决放顶煤液压支架在特殊地质条件下出现结构件开裂和支架压死等问题，以虎龙沟煤矿 81505 工作面为工程背景， 针对该工作面特殊的地质条件和煤岩体特性， 分析影响放顶煤液压支架不稳定的主要因素， 对 ZF13000/25/38D 型低位放顶煤液压支架的稳定性展开研究。结果表明 通过对支架顶梁柱窝焊接新结构、 合 理增加前柱的工作阻力和改变四连体结构的运动轨迹等方面的优化改进， 可以有效解决顶煤难冒落、 大块煤多、 支架受冲击力大等关键技术难题， 从而提高支架的稳定性， 并为类似地质条件的煤矿企业提供参考和借鉴价值。 关键词 特厚煤层放顶煤支架稳定性 中图分类号 TD823.49文献标识码 A文章编号 1003-773X （2020） 06-0086-03 收稿日期 2020-03-10 作者简介 杨磊 （1994） ， 男， 毕业于太原理工大学现代科技学 院机械设计制造及其自动化专业， 助理工程师， 技术员。 DOI10.16525/14-1134/th.2020.06.037 总第 206 期 2020 年第6 期 机械管理开发 MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENT Total 206 No.6， 2020 顶底板名称 岩石名称厚度 /m岩性特征描述 老 顶粗砂岩7.6028.04 灰白色中粗粒砂岩， 局部有火成 岩侵入， 岩性为煌斑岩。 直接顶高岭质泥岩 1.52.27 浅灰色， 局部受火成岩侵蚀变为 煌斑岩。 直接底砂质泥岩0.953.19 黑灰色泥岩， 易风化破碎， 泥质 胶结， 致密块状夹薄煤。 老底高岭岩1.257.41黑灰色， 含炭质。 表 1工作面顶底板地质情况分布表 机械分析与设计 2020 年第 6 期 强度较低， 在放煤过程中受到较大煤块的冲击， 支架 不能瞬时卸载， 造成支架结构出现开裂的现象。 3液压支架结构优化 通过分析以上影响支架稳定性的因素，为了使 支 架 更 好 地 适 应 该 特 殊 的 地 质 条 件 ，对 ZF13000/25/38D 型低位液压支架的顶梁柱窝、立柱 布置和四连杆等结构进行优化改进，从而提高支架 的稳定性， 实现对围岩的有效控制[3-4]。 放煤过程中由于煤炭硬度大，顶板的周期来压 表现剧烈， 对支架有很强的冲击作用， 支架顶梁柱窝 周围应力增大， 再加上立柱的反复升降， 从而增加了 柱窝结构损坏的可能性。为了使支架缓冲煤块的冲 击，对支架顶梁柱窝采用了小柱窝坐落在马鞍板上 的新型结构， 如图 1 所示。 由图 1 可以看出，改进后的柱窝结构能将顶板 的冲击力通过 3 次进行分解，不仅减小了结构部件 的配合间隙， 增加了柱窝的抗冲击能力， 而且适应了 该煤层特殊的地质环境条件，提高了支架的稳定性 和抗扭能力。 为了更好地解决工作面顶板难冒落的问题， 提 高支架的切顶能力， 实现支架对顶板的有效控制， 建 立了顶梁受力简图如图 2 所示。 图中 P1为支架的前 柱工作阻力， P2为支架的后柱工作阻力， Q 为前、 后 柱的合力， l1 、 l 2分别为前、后柱作用点到 O 点的距 离， L 为顶梁长度， 琢、 茁 分别为前后立柱与竖直面的 夹角。 取顶梁为隔离体， 由∑M00 得 P1l1cos琢P2l2cos茁Qx .（1） 由式 （1） 得 x P1l1cos琢P2l2cos茁 Q .（2） 则顶梁前端的梁端力为 q P1l1cos琢P2l2cos茁 L .（3） 由式 （2） 及式 （3） 可知， 当增大前柱的工作阻力 P1时， 可以使支架的合力作用点前移， 可以有效地平 衡煤块对支架的冲击作用力，增强支架顶梁前端的 控顶能力。 四连杆机构作为放顶煤液压支架的关键部件， 起 着承受顶板载荷、 约束支架顶梁的运动轨迹和保持支 架稳定性等方面的作用。在正常采高范围内， 支架四 连杆机构受力要尽可能小，改善支架的受力情况， 减 少冒顶事故， 提高工作面煤壁片帮的防护效果。四连 杆 （H、 I、 J、 K、 E 构成） 的运动轨迹如图 3 所示。 由图 3 可知， 在升降过程中， 顶梁和掩护梁铰接 点 E 点的运动轨迹决定了顶梁的运动轨迹，通过优 化该 “双纽线” ， 可以使顶梁有向前运动的趋势， 此时 顶梁所受的摩擦力可以抵消或减小立柱对顶梁的横 向分力， 利于支架向前移动， 有效地提高了支架的稳 定性。 4应用效果 按照上述优化设计，对改进后的放顶煤液压支 架进行现场应用，并测量水平移动距和梁端距随支 架高度的变化情况， 记录的数据如下页图 4 所示。 实 践表明， 顶梁前部水平移动值小于 90 mm， 梁端距在 548 mm 左右时放顶煤液压支架的稳定性最佳。 由图 4 可以看出，在 2.5～3.8 m 正常采高范围 内，优化后的液压支架梁端距在 535～561 mm 之 间，水平移动距最大为 87 mm，小于其标准值 90 mm。 这说明优化后的放顶煤液压支架能够适应该煤 层的特殊地质条件， 不仅提高了工作效率， 降低了企 业的生产成本，还满足了煤矿企业高产高效工作面 1-1柱窝旧结构1-2柱窝新结构 图 1顶梁柱窝焊接结构优化 图 2顶梁受力简图 图 3四连杆机构运动轨迹图 P1P2L2 L1 L x Q 茁 琢 O E H I K J 杨磊 虎龙沟煤矿放顶煤液压支架稳定性研究87 第 35 卷 机械管理开发 jxglkfbjb 的产能要求， 为煤矿的安全生产提供技术保障。 5结论 1） 根据虎龙沟煤矿 85105 工作面的实际地质情 况，分析了影响放顶煤液压支架稳定性的主要因素 如 煤层厚度、 煤炭硬度、 支撑高度和支架结构强度 等四方面的内容， 为支架的优化改进提供理论指导。 2） 针对该放顶煤支架在现场应用时存在支架压 死和结构件开裂等问题， 通过对 ZF13000/25/38D 型 低位液压支架进行优化改进对支架顶梁柱窝采用 了小柱窝坐落在马鞍板上的新型结构，有效分解了 顶板的冲击力， 增加了柱窝的抗冲能力； 通过分析顶 梁简图，提出增加前柱工作阻力的方法来增强支架 的控顶能力； 通过分析四连体的运动轨迹， 可以改善 支架的受力情况， 提高支架的稳定性。 3） 通过对放顶煤液压支架在虎龙沟煤矿的应用 研究， 说明液压支架经过切合实际的优化改进， 不仅 能提高工作效率， 减少企业的生产成本， 还可以提高 工人工作环境的安全系数，并为类似地质条件的矿 井提供参考和借鉴价值。 参考文献 [1]刘建军.大同煤田特厚煤层液压支架的开发研究[J].中国高新 技术企业， 2014 （29） 101-102. [2]刘文武.放顶煤液压支架的力学分析及主要结构的设计[D].阜 新 辽宁工程技术大学， 2007. [3]李吉堂， 吴询.大工作阻力放顶煤液压支架结构改进设计[J].煤 矿机械， 2020， 41 （1） 120-122. [4]孙攀.特厚煤层坚硬顶板地质条件下放顶煤支架结构件强度研 究[D].郑州 郑州大学， 2016.（编辑 贾娟） 图 4支架顶梁前部水平移动值及梁顶距 Stability of Top Coal Hydraulic Support in Hulonggou Coal Mine Yang Lei （Hulonggou Coal Industry Co., Ltd., Shuozhou Shanxi 036010） Abstract Based on the engineering background of 81505 working face of Hulonggou Coal Mine, the main factors affecting the instability of hydraulic support for caving coal are analyzed. The stability of ZF13000/25/38D type low caving coal hydraulic support is studied. The results show that the key technical problems, such as difficult caving, large bulk coal and large impact force, can be effectively solved by optimizing and improving the new structure, increasing the working resistance of the front column and changing the track of the quadruple structure. Key words extra thick coal seam; roof caving support; stability 100 200 300 400 500 600 0 3.43.12.82.53.8 支架高度 /m 水平移动柜 梁端柜 8783 7673 64 535 544 550551 561 Design of Girth Welding Machine by Retrofitting Existing General Lathe Huang Jinchao, Yan Kehong, Zhang Zhenghao （Wuxi College of Science and Technology, Wuxi Jiangsu 214028） Abstract Based on the more and more surplus general lathes in the market, an automatic welding machine for the welding of shaft parts is designed by equipped with automatic equipment and welding tools. The general design of this welding machine adopts the structure of distributed control system, the fixed device of quick adjusting position of welding torch fixture is designed on the mechanical structure, the control system is designed on the electrical control system for the movement of origin, the movement of single and double axis and the starting and stopping of welding torch, and the program of touch screen is developed to design the working interface of human machine. has certain promotion value. Key words girth welding machine; mechanical structure; human-machine interface （上接第 2 页） 88