綜采工作面放頂煤液壓支架設計

祖海軍

（大同煤礦集團同發東周窯煤業有限公司，山西 大同037003）

引言

煤礦綜合機械化開采極大地提升了工作面生產效率，繼而大力推動我國煤炭行業的發展，其也是未來提升煤炭行業現代化的重要戰略舉措。煤礦綜合機械化開采的實現離不開采煤機、刮板輸送機以及液壓支架等綜采設備的配合。液壓支架作為支護工作面頂板和側幫的關鍵設備，是實現綜采工藝必不可少的設備[1]。液壓支架不僅需與采煤機和刮板輸送機相配套，還需對連桿及頂梁進行綜合設計以提升其支護強度、控頂能力。本文著重針對綜采工作面放頂煤液壓支架進行設計，具體闡述如下。

1 放頂煤液壓支架的選型設計

近年來，綜采放頂采煤工藝被廣泛應用于我國煤礦生產中，對應的低位放頂液壓支架被廣泛應用。低位放頂煤液壓支架一般屬于四柱支撐掩護式液壓支架，根據其穩定結構形式的不同可分為單擺桿液壓輕型放頂煤液壓支架、正四連桿機構放頂煤液壓支架和反四連桿機構放頂煤液壓支架。

為確保所設計液壓支架可適應多種圍巖類型的需求，且其支護能力滿足實際生產需求，由于單擺桿液壓支架支護能力不足，一般選用四連桿結構低位放頂煤支架[2]。綜合對比正四連桿機構放頂煤液壓支架與反四連桿機構放頂煤液壓支架在行人方便以及操作方式方面，最終確定正四連桿機構放頂煤液壓支架為綜采工作面放頂煤液壓支架的主要結構性。

2 放頂煤液壓支架尺寸的確定

2.1 四連桿尺寸的確定

液壓支架架型為其設計的首要步驟，綜合考慮各種架型液壓支架的開采效率、支護成本以及適應煤層、巖層特性，初步確定正四連桿機構放頂煤液壓支架的架型為支撐掩護式。正四連桿機構放頂煤液壓支架的核心為四連桿機構，本節將著重對四連桿機構進行確定。

四連桿機構作為放頂液壓支架的關鍵機構，其主要作用為可適當減小液壓支架前端距離煤壁的距離，從而提高整機對頂板的控制性能；其次，四連桿機構可承受外部載荷，從而保證了整機剛度，進而保障了液壓支架在水平方向和垂直方向的穩定性[3]。正四連桿液壓支架的整體簡化結構如圖1所示。

圖1 正四連桿放頂煤液壓支架結構簡圖

正四連桿放頂煤液壓支架最終結構及尺寸的確定，需對圖1中各個尺寸進行確定。

1）根據液壓支架在最高位置和最低位置對應頂端梁的位置，要求頂端梁運動軌跡不超過70 mm；

2）α為液壓支架頂梁與掩護梁之間的夾角，β為液壓支架后連桿與底平面之間的夾角。當液壓支架處于最低位置時，綜合考慮到頂板矸石可順利通過掩護梁下滑至液壓支架后方，要求tanα≥f（f為矸石與掩護梁之間的摩擦系數，一般取0.3），則對應α=17°，一般取α為12°～18°；為防止下落的煤矸石卡住后連桿，導致液壓支架不能正常下降，一般取β≥25°-30°。當液壓支架處于最高位置時，一般要求α≤52°-62°，β≤75°-85°。

3）如圖1中掩護梁與頂梁鉸接點E與中心點O連接線與水平線之間的夾角為θ，一般要求tanθ≤0.16；

4）圖1中L10的尺寸需根據液壓支架的工作阻力并結合整機結構的合理性最終確定。一般的液壓支架L10的取值范圍為150～200 mm，對于重型液壓支架L10的取值范圍為210～260 mm。針對綜采工作面放頂煤液壓支架的支護特點，取L10=250 mm。

5）圖1中L9的尺寸需結合液壓支架在最低位置時的高度進行確定，而且該數值與所應用煤層厚度相關。一般的，當支護薄煤層時L9的取值范圍為150～250 mm，當支護中厚煤層時L9的取值范圍為250～450 mm，當對于采高較大的工作面L9的取值范圍為450～600 mm。針對綜采工作面放頂煤液壓支架的支護特性和工作面條件，取L9=450 mm。

結合液壓支架的相關理論計算，得出液壓支架機構四連桿機構的尺寸如表1所示。

表1 四連桿機構尺寸

2.2 放頂煤液壓支架頂梁尺寸的確定

液壓支架頂梁尺寸的確定需綜合考慮支架類型、支架工作方式、配套長度等。

其中，當液壓支架為支撐掩護式時一般要求頂梁長度較長；當液壓支架為掩護式時應盡可能限制頂梁長度。本文所研究液壓支架為支撐掩護式，因此其頂梁長度較長[4]。

液壓支架的工作方式可以分為及時支護方式和滯后支護方式。一般的，及時支護方式液壓支架對應頂梁長度較長，滯后支護方式對應頂梁方式較短。本文所設計液壓支架的工作方式為及時支護方式，對應頂梁長度較長。

此外，頂梁尺寸還需結合液壓支架頂端與煤壁之間的距離。綜合考慮，放頂煤液壓支架對應頂梁長度的計算公式如式（1）所示：

式中：Lp為液壓支架的配套尺寸，該尺寸需結合與所設計液壓支架相配套采煤機和刮板輸送機予以最終確定，本文中Lp=2 037 mm；Ld為液壓支架底座長度，取Ld=2 900 mm；e為液壓支架在最高位和最低位時頂梁位置的距離，取e=59 mm；A為液壓支架后連桿的距離，取A=1 350 mm；β1為液壓支架處于高位時后連桿與底平面之間的夾角，取β1=77.6°；α1為液壓支架處于高位時頂梁與掩護梁之間的夾角，取α1=56.5°；Lk為液壓支架頂端梁與煤壁之間的距離，取Lk=400 mm；Lh為液壓支架掩護梁與頂梁鉸接位置與頂梁后端點之間的距離，Lh=100 mm。

經計算可得，液壓支架頂梁長度為3 626 mm。

2.3 其他關鍵參數的確定

1）液壓支架高度的確定。液壓支架的最大高度需根據采煤機的最大采高確定，其最小結構高度與工作面頂板的下沉量和伸縮比相關。結合上述兩項因素最終確定液壓支架的最大結構高度為3 m，最小結構高度為2.1 m。

2）液壓支架寬度的確定。液壓支架寬度參數與其配套的采煤機和刮板輸送機的相關尺寸有關。目前，我國普遍應用液壓支架的中心距包括有2.05 m、1.75 m、1.5 m和1.25 m。結合工作面的現場參數，最終選用中心距為1.5 m的液壓支架，其對應的最小寬度為1.44 m，最大寬度為1.6 m。

鑒于篇幅有限，此處不對液壓支架各個部件尺寸確定進行詳細說明，所涉及液壓支架的關鍵參數如表2所示。

表2 液壓支架關鍵參數

3 液壓支架的應用效果

為驗證所設計液壓支架的支護效果，將其應用于正在開采的工作面中，并為其配置型號為MG200/500-AWD采煤機和SGZ730/400的刮板輸送機。對當前支護條件下液壓支架的實際初撐力和工作阻力進行測量，驗證所設計液壓支架的相關參數是否滿足要求，試驗結果如表3所示。

表3 液壓支架實際支護參數

如表3所示，液壓支架的實際初撐力和工作阻力均略低于其相關參數的設計指標，即所設計液壓支架可應用于實際生產中。

4 結語

液壓支架為煤礦工作面實現綜合機械化開采的基礎，是保證工作面安全生產的關鍵設備，是保證采煤機、刮板輸送機適用性運行的核心[5]。尤其是如今煤礦工作面采用放頂采煤工藝的案例眾多，為其配置高支護強度、高穩定的性放頂煤液壓支架對提升煤礦生產效率和安全性具有重要意義。針對放頂煤采煤工藝，本文選用正四連桿機構放頂煤液壓支架為其核心支護設備，并根據該采煤工藝特點和工作面條件完成對四連桿機構和頂梁機構尺寸的確定。經實踐表明，所設計液壓支架的初撐力和工作阻力均可滿足實際生產需求。