大采高綜采工作面成套設備選型及強力掩護式液壓支架設計

鄭永強 黃泉清 曹銀茍 燕 燕 解成林

（鄭州四維礦業機械有限責任公司，河南 鄭州 450000）

我國是世界上厚煤層儲量最大的國家之一，在全國統配煤礦中，厚度在3.5m 以上的煤層約占總儲量的43%。 為實現減人提效，保證安全，建設高產高效礦井，在適合綜采條件下，多數賦存厚煤層的礦井選擇一次采全高的綜采采煤方法。

根據厚煤層綜采工作面礦壓規律及礦井運輸條件的限制等，結合沈陽紅陽三礦地質及配套系統條件，研發窄尺寸、高支護強度綜采液壓支架。 另外對厚煤層所使用的其它回采設備進行科學嚴謹的選型與配套， 為我國厚煤層大采高綜采裝備的完善做出貢獻。

1 地質條件

沈陽紅陽三礦可采煤層三層，12-1、12-2 和13 煤。12-1 煤層全區賦存穩定，煤層總厚0.93～2.09m，平均1.7m。 常有一層夾矸，有時三層，夾矸累計厚0.8—1.2m，平均1.1m，煤質硬度f=0.26。 12-2 煤穩定性較差，煤層總厚平均1.5m。

12-1 煤的直接頂為黑色泥巖， 致密、 厚層狀。 厚度8.99～11.41m，平均厚度為10.25m，f=2.19～2.65。

12-1 煤的老頂為粉砂巖或中砂巖，厚度為10-18m，平均為15m。

12-1 煤與12-2 煤間夾矸層為泥巖， 一般厚度為0.33～1.99m，平均1.07m，f=2.19～2.65。

12-2 煤底板為細砂巖、泥巖互層，有時全部為泥巖。 厚度0.16～1.78m，平均0.70m。粉砂巖f=2.64～3.8，中砂巖f=4.57～5.78。

12-1 煤與12-2 煤層均松軟，f=0.26， 煤層傾角為6°～10°，平均6°。

煤層水文地質條件簡單，圍巖富水性弱。

從12# 煤層的賦存情況來看，地質構造相對簡單，直接頂中等穩定且厚度較大，煤層節理層理發育，煤質偏軟，底板易碎，但由于水文地質條件簡單，頂層板含水量小，對煤層底的強度、硬度影響不大。該礦開采深度達到1 000-1 100m，并且該采區地壓大，多斷層，曾經在掘進時出現“巖爆”現象。 瓦斯涌出量較大，屬于瓦斯突出礦井。

首采工作面設計長度（煤壁絕對長度）195m，生產能力500萬t/面.年，回風巷（矩形）4.2m×3.5m（寬×高），機巷（矩形）4.2m×4m（寬×高）。

2 大采高強力綜采面成套設備選型

在對國內厚煤層綜采設備配套技術及高產高效開采方法進行研究，并對“三機”廠家設備可靠性進行調研的基礎上，依據紅陽三礦厚煤層地質條件特點，對液壓支架進行特別設計，對采煤機功率等進行精確核算， 最終確定適合該礦厚煤層大采高強力綜采開采的成套設備。

2.1 MG650/1480-GWD 采煤機

采高2.7～5.3m； 截深800mm； 適應傾角≤15°； 滾筒直徑Φ2500mm；供電電壓3300V；牽引力927～550kN；牽引速度0～10.35～17.18m/min；牽引形式為電牽引（交）無鏈銷軌；機面高度2097mm；滅塵方式為內外噴霧；裝機功率為（2×650+2×70+2×20）kW；主機外形尺寸15 000×2 495×2 080mm；設計生產能力4 000t/h；最大不可拆卸件尺寸2 830×1 982×970mm；最大不可拆卸件重量≤9.6t；主機重量90t。

2.2 刮板機、轉載機及破碎機選型

（1）SGZ1000/2×700 刮板運輸機主要技術參數： 裝機功率2×700kW；輸送量2 000t/h；設計長度250m；

中部槽內寬1 000mm；刮板鏈型式為中雙鏈；溜槽結構型式為整體鑄焊。

（2）SZZ1000/400 橋式轉載機主要技術參數： 裝機功率400kW；輸送量2 200t/h；設計長度60m；中部槽內寬1 000mm；刮板鏈型式為中雙鏈。

（3）PLM3000 錘式破碎機主要技術參數： 破碎能力3 000t/h；電機功率200kW；破碎粒度≤300mm。

2.3 液壓支架選型

（1）基本支架ZY15000/29/63D 主要技術參數：架型為兩柱掩護式基本液壓支架；型號ZY15000/29/63D；支架高度2 900～6 300mm；支架寬度1 660～1 860mm；支架中心距1 750mm；初撐力10 020kN（P=31.5MPa）；額定工作阻力15 000kN（P=47.2MPa）；平均支護強度1.66Mpa；移架步距800mm；泵站壓力31.5Mpa；操縱方式為電液控制；工作壽命（循環次數）大于40 000 次。

（2）過渡支架ZYG15000/29/63D 主要技術參數：架型為兩柱掩護式過渡液壓支架；型號ZYG15000/29/63D；支架高度2 900～6 300mm；支架寬度1 660～1 860mm；支架中心距1 750mm；初撐力10 020kN （P=31.5MPa）； 額定工作阻力15 000kN （P=47.2MPa）；平均支護強度1.66Mpa；移架步距800mm；

泵站壓力31.5Mpa；操縱方式為電液控制；工作壽命（循環次數）大于40 000 次。

（3）端頭支架ZT25000/25/47 主要技術參數：型號ZT25000/25/47；高度2 500/4 700mm；寬度3 400mm；中心距1 750mm；初撐力19 390kN （P=31.5MPa）； 額定工作 阻力25 000kN （P=40.62MPa）；平均支護強度0.7Mpa；泵站壓力31.5Mpa；控制方式為手動控制。

注：根據該礦反饋的井下實際使用情況，上述設備的選型不僅能滿足礦井設計生產能力的要求， 而且支架的尺寸能滿足井下運輸的要求。

3 工作面成套支架設計特點

該礦整套支護設備涵蓋基本架、過渡架、端頭支架，為國內煤礦機械化支護較全的成套設備。 該套支架結構緊湊、配合間隙小，對支架的設計和生產工藝要求非常高。

ZY15000/29/63D 基本架， 中心距為1.75m， 支護強度達1.66MPa，采用窄中心距、高支護強度（工作阻力大）的設計在國內首屈一指。 過渡架采用了與基本架相同的設計（頂梁長度與基本架不同）。 端頭架ZT25000/25/47，是目前國內支護高度較高的端頭支架。

3.1 基本架技術關鍵點

圖1 ZY15000/29/63D 型掩護式液壓支架

ZY15000/29/63D 型掩護式液壓支架開創性地采用窄中心距，支架的寬度方向設計是該套支架設計中最大的技術難點，技術難點及特點如下：

（1）立柱采用高位壓板結構創新設計，成功解決油缸限位問題并確保1.75m 中心距條件下推移框架與底座間的合理設計間隙，實現了大缸徑、高阻力支架的整體設計。

（2）該支架采用Φ450mm 大口徑、高性能管材及新的制造工藝，確保滿足支架高強度支護需要。

（3）頂梁與掩護梁之間設計有大缸徑平衡千斤頂（Φ270mm，1.75m 中心距世界最大）。

（4）掩護梁上設計有定位槽結構，防止側護板翻轉變形；平衡千斤頂處設計有高強度防護鏈，增加安全性。

（5）底座上采用雙底調千斤頂設計，滿足大采高支架底座前、后部調架需要。

（6）優化四連桿穩定機構參數，提高加工精度，把該處銷軸配合間隙嚴格控制在0.75mm 以內，結構件橫向配合間隙控制在8mm 以內。

（7）主要鉸接銷軸采用炮彈銷新型結構設計，且該銷軸處設計有注油裝置。 此類銷軸采用高強度擋板限位。

（8）支架設計有高推/拉力推移千斤頂（Φ200mm），且其活塞采用雙道密封結構（增強其抗側向載荷能力）。

（9）支架結構件采用CFD（Q890、Q690）低裂紋敏感性高強度鋼板的焊接技術。

（10）該支架采用德國marco 公司pm32 型電液控制系統，此系統為世界上最先進且具有高可靠性的礦用電液控制系統。

3.2 過渡架技術關鍵點

圖2 ZYG15000/29/63D 型過渡液壓支架

過渡架ZYG15000/29/63D 采用了與基本架相同的設計（除頂梁長度設計加長及采用滯后支護方式外），這樣便于工作面的管理與維護。

3.3 端頭架技術關鍵點

圖3 ZT25000/25/47 型端頭液壓支架

關鍵技術如下：

（1）底座采用中心對稱設計（滿足左右工作面互換需要），中間開襠，轉載機落地。

（2）端頭支架前端設計有前梁機構，可適應巷道頂板走向傾角的變化，增強了支架對巷道頂板的控制能力。

（3）推移座前端采用“船型”設計，極大地減小了推移阻力。

（4）推移千斤頂與推移座之間采用鍛件十字頭連接，這極大地提高了端頭支架對不平巷道底板的適應能力， 也提高了連接頭的壽命。

3.4 現場工業應用效果

該套支架在沈陽紅陽三礦應用非常成功，年產達500 多萬噸，為全國類似賦存條件的煤層開采樹立了高產、高效礦井的標桿。

4 結論

沈陽紅陽三礦12# 煤層為厚煤層， 受該礦運輸條件的限制，基于該礦條件為其配套“三機”，設計了窄中心距（1.75m）、大采高強力（15 000kN，支護強度1.66MPa）的綜采液壓支架，為淺埋深及極深煤層（大于1 000m）等強烈礦壓顯現采煤工作面支護設備創造了條件。

[1]王國法，等.液壓支架技術[M].北京：煤炭工業出版社，1999，8.

[2]王國法，等.高端液壓支架及先進制造技術[M].北京：煤炭工業出版社，2010，7.

[3]丁紹南.采煤工作面液壓支架設計[M].北京：世界圖書出版公司，1992.