邢东矿超高水分体式液压充填支架设计与应用

摘 要：该文介绍了超高水分体式液压充填支架的研制思路、结构设计、主要参数设定及工业性试验情况。该型支架首次实现5m一次采高全高超高水材料充填开采，并且首次采用分体设计，实现了开采和充填的同步进行，充分利用了充填凝结时间，提高采煤效率。同时地面下沉保持在26mm左右，建筑物变形在“三下”规程Ⅰ级破坏之内，达到设计要求。

关键词：充填支架 支架结构 超高水充填

中图分类号：TD355 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（b）-0082-02

1 超高水充填液压支架研制

1.1 设计思路

对于长期使用的整体式支架而言，前、后部掩护支撑梁只能实现两个步距的开采和充填，而且需要足够的高水凝固时间，一台支架同时实现充填和采煤就很困难，一天只能完成一个作业循环，为了提高采煤充填工作面日产水平，实现超高水充填采煤作业模式下的高产、高效，本课题研究重点解决采煤与充填分离作业，实现采煤与充填互不干预、平行作业，从而充分利用高水凝固时间，加快作业循环，缩短循环周期，提高生产效率。

基于上述设计理念和指导思想，初步考虑将该型充填支架的基本结构分为前、后两部分，前端支架主要实现前半部分顶板支护与煤壁支护，使后端支架实现充填及完成后面采空区的顶板支护，支架前部以满足正常的综合机械化采煤，后部支架实现采空区超高水充填作业，在前、后分体式支架的中间采用液压缸和导向杆连接，实现前支架每走三个步距，后面进行一次充填，通过前后架协调配合作业，达到采煤充填同时进行，减少了等候时间，提高了人员、装备等工作效率。

1.2 超高水充填液压支架结构设计

1.2.1 邢东矿超高水充填液压支架结构设计

以邢东矿1126超高水充填工作面液压支架为研究对象，依托郑州四维机电设备制造有限公司进行结构设计、试验和加工制作，通过矿方与生产厂家多次商讨、沟通和方案修改，研制人员借助于理论计算、数据模拟等实验手段，综合研究分体式液压支架的基本结构、动作原理、受力分析及稳定性，并结合邢东矿井下地质条件，煤层走向、顶底板破碎程度等因素，通过中国矿业大学超高水材料研制人员提供的的超高水材料制备、输送、流动性、混合凝固等特性，研究该型分体式液压支架在回采与充填作业中的基本工艺和关键技术。

1.2.2 在超高水充填液压支架在设计过程中考虑的几个主要因素有：

该支架支护强度与邢东矿采煤充填试验工作面矿压相适应；支架结构与煤层赋存条件相适应；支护断面与采煤充填试验工作面通风要求相适应；推移连接装置与采煤机、刮板输送机、后面充填设备相匹配。在满足以上几个条件的基础上，该型超高水充填液压支架还应具备以下功能：

（1）该型分体式超高水充填液压支架必须具备合理的调高范围，以适应工作面在推进过程中不同阶段采高；

（2）该型分体式超高水充填液压支架为采煤机司机等作业人员通过时提供足够的空间；

（3）该型分体式超高水充填液压支架针对邢东矿采区煤层赋存条件，满足其现在和今后一段时期煤层变化的要求；

（4）该型分体式超高水充填液压支架应满足煤矿作业规程和邢东矿支架工对液压支架操作习惯要求，并解决好支架充填作业、对顶底板的适应性和稳定性的支护管理；

（5）该型分体式超高水充填液压支架运用计算机设计手段对四连杆机构进行参数优化、受力分析和结构强度有限元分析，保证动作灵活可靠；在保证安全性、可靠性条件下，改善支架受力状况，提高支架支护能力，尽量减轻支架重量和外形尺寸，以满足该型支架地面解体、地面装运、井口提升、井下运输、井下组装、工作面就位等现场环境和运输设备条件。

为此，该型超高水充填液压支架在几个关键部位进行如下结构优化和设计：

a、支架采用前后置型式，前后支架稳定机构均采用四连杆机构。前架采用三柱支撑掩护式型式，后架采用两柱掩护式型式，如图1。

b、前后架连杆采用交错偶合布置，保证支架设计结构紧凑，减小顶梁支护长度。

C、前部支架设计Φ180 mm倒装推移千斤顶，保证前架移架推溜的正常作业。前后支架通过圆柱铰接推移框架连接，后拉架千斤顶布置在后推移框架上方，前端与前推移框架连接，后架前移时以后推移框架为导向。

d、后架拉架千斤顶采用刚性保护套结构，以免活塞杆直接暴露在外，易被顶板落砟或杂物砸坏。

e、后架上连杆铰接孔处挡板座与主筋设计为一体，既加大了上连杆宽度，又减少了挡板座突出与前架连杆干涉的问题。

f、后底座后端采用伸缩挡板机构，与后探梁形成一个封闭空间，防止充填高水流入支架前部。伸缩挡板结构侧面设置伸缩密封装置。

h、后底座前端大圆弧斜面过渡，以方便后部支架移动。

i、前后架均设置底调千斤顶，便于调整支架状态，使前后架尽量保持平直。

j、前后架间伸缩梁特殊结构设计，伸缩梁与顶梁内主筋配合缺口采用倒喇叭口，保证伸缩梁缺口处不塞矸。

k、该型分体式高水充填支架的前置支架的后端和后置支架的前端都设计有伸缩梁结构，前后架伸缩梁均留有固定环，便于现场采用链条等软连接，方便伸缩梁协同运动。当伸缩梁伸出后，可减少架间漏矸，保护架间作业人员人身安全。

1.3 超高水充填液压支架主要参数设计依据

（1）支架高度

首先确定支架适用煤层的平均截高，然后确定支架高度。

支架最大结构高度：

（1）

支架最小结构高度：

（2）

Mmax、Mmin为煤层最大、最小截高，该工作面最大采高为4700 mm；最小采高为4000 mm。

S1考虑伪顶冒落的最大厚度。大采高支架取200～400 mm。

S2考虑周期来压时的下沉量、移架时支架的下降量和顶梁上、底板下的浮矸之和。大采高支架取500～900 mm，该型支架取750 mm。

（2）支护强度和工作阻力

顶板所需支护强度取决于顶板等级和煤层厚度。制订不同顶板等级的支护强度标准，支护强度按经验公式（3）估算：

（3）

K――作用于支架上的顶板岩石厚度系数，一般取5～8；

M――截高，取4500mm；ρ ――岩石密度，一般取2.5×103kg/m3

支架支撑顶板的有效工作阻力按（2.4）计算：

（4）

F――支架的支护面积，m2，按式（2.5）计算：

（5）

L――支架顶梁长度，m；

C――梁端距，m；

B――支架顶梁宽度，m；

K――架间距，150 mm

（3）中心距和宽度

支架中心距一般等于工作面一节溜槽长度。液压支架中心距大部分采用1.5m。大采高支架为提高稳定性，中心距可采用1.75m。

（4）初撑力

初撑力大小对支架的支护性能和成本有很大影响。较大初撑力能使支架较快达到工作阻力，减慢顶板的早期下沉速度，增加顶板的稳定性。但对乳化液泵站和液压元件的耐压要求提高。一般取初撑力为（0.6～0.8）倍的工作阻力。

（5）移架力和推溜力

移架力与支架结构、质量、煤层厚度、顶板性质等有关。厚煤层支架为300～400 kN，推溜力一般为100～150 kN。

（6）梁端距和顶梁长度

梁端距是由于工作面顶板起伏不平造成输送机和采煤机的倾斜，以及采煤机割煤时垂直分力使摇臂和滚筒向支架倾斜，为避免割顶梁而留的安全距离。支架高度越大，梁端距应越大。采用即时支护方式时，大采高支架梁端距取350～480 mm。

顶梁长度受支架型式、配套采煤机截深（该工作面选用MG500/1140-WD采煤机，落煤时截深为700 mm）、刮板输送机尺寸（该工作面选用SGZ800/500型刮板输送机）、配套关系及立柱缸径、通道要求、底座长度、支护方式、煤层倾角等因素制约。

2 ZC12400/30/50分体式充填液压支架工业性试验

邢东矿1126工作面为ZC12400/30/50型液压支架试验工作面：长度60 m，工作面煤层平均采高为4.5 m，最大采高4.7 m，最小采高4 m，走向长501 m，倾斜长70 m，煤层平均倾角10.3°，可采储量19.4万t。工作面按倾斜长壁采煤法开采，使用机组（采煤机型号MG500/1140-WD）落煤，刮板输送机（型号SGZ800/500）运输，工作面使用ZC12400/30/50型液压支架支护顶板，采用追机及时移架支护，煤壁片帮时超前支护；不完全垮落法和包式充填法管理顶板。

采空区充填工艺：根据超高水材料充填基本方法的适用条件，确定采用“采空区混合式充填方法”，一是将超高水充填材料输送至采空区后，让其自然流淌与漫溢；二是通过管路将其导引至预先安设于采空区的封闭空间或袋包内，使其按要求成形固结。利用充填支架进行顶板管理，保障正常采煤与挂包作业安全空间。劳动班次为“四六”制，平均月生产原煤4.6万t。

3 结语

“邢东矿超高水充填工作面分体式液压支架技术研究”项目结合现场实际状况和具体的地质条件，通过理论计算、数值模拟及现场测试等手段进行了1126充填工作面充填工艺的研究，研发的超高水填充液压支架突出特点是：

（1）研发采煤―充填分体式液压支架，采用创新型的分体式构造，不仅可以起到采煤时对顶板的及时支护，还可同时实现采空区的填充，有效利用超高水凝固等待时间，提高工作效率，真正意义上实现了支护填充一体化。

（2）优化支架结构，实现在长支架结构下有效支护工作面，减少巷道变形，提高充填效率。并在支架设计细节上充分考虑超高水充填工艺中的实际问题，使之操作更加便捷。从而在根本上减少井下开采对地面的影响，并保证回采作业效率。

参考文献

[1] 冯光明，王成真，李凤凯，等.超高水材料开放式充填开采研究[J].采矿与安全工程学报，2010，27（4）：453-457.

[2] 王成真，冯光明.陶一矿超高水充填材料采空区减沉效果分析[J].能源技术与管理，2011（1）：73-75.

[3] 闫少宏，张华兴.我国目前煤矿充填开采技术现状[J].煤矿开采，2008，13（3）：1-3.