膏體充填液壓支架設(shè)計與應(yīng)用

山東天晟機械裝備股份有限公司 山東淄博 255129

淄 博礦業(yè)集團岱莊煤礦位于濟寧市區(qū)北郊城鄉(xiāng)結(jié)合部，井田內(nèi)地面村莊等建 (構(gòu)) 筑物密集，村莊下壓煤量高達 80%，約 7 900 余萬 t，其中 3上煤層村莊下壓煤量為 5 000 多萬 t，占全部村莊壓煤量的 63%。隨著礦井多年的條帶開采，產(chǎn)生大量遺留煤柱，造成呆滯儲量 1 000 余萬 t，加之城區(qū)發(fā)展加速壓覆資源的影響，礦井可采儲量銳減，同時地面形成矸石山，既占用了大量土地，又對周圍環(huán)境造成了不同程度的污染。

針對岱莊煤礦村莊壓煤嚴重，大量條帶煤柱丟失的實際情況，淄博礦業(yè)集團岱莊煤礦開發(fā)了膏體充填回收條帶煤柱和長壁工作面膏體充填無煤柱開采技術(shù)。膏體充填就是把煤礦附近的煤矸石、粉煤灰、爐渣、劣質(zhì)土、河砂或城市固體垃圾等固體廢物在地面加工成無臨界流速、不需脫水的膏狀漿體，利用充填泵和重力作用通過管道輸送到井下，適時充填采空區(qū)的綠色采礦方法與技術(shù)。

充填液壓支架是充填開采技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備，既承擔前部綜合機械化采煤支護作用，又要滿足后部充填要求。充填液壓支架由山東天晟機械裝備股份有限公司負責研制，以實現(xiàn)岱莊煤礦能夠在不遷村、少賠償?shù)那疤嵯?，安全、高效、高采出率地回收傳統(tǒng)條帶開采不能解決的條帶煤柱，保證礦井可持續(xù)發(fā)展。

1 充填液壓支架方案設(shè)計

1.1 充填液壓支架架型結(jié)構(gòu)確定

充填液壓支架不同于一般支架，除要滿足一般采煤工作面支架對采煤區(qū)頂板支護進行采煤要求之外，還需要對待充填區(qū)適當支護和隔離，實現(xiàn)“采煤—充填—凝固/檢修”循環(huán)作業(yè)。根據(jù)煤層賦存條件、膏體充填開采工藝對綜采支護設(shè)備要求，分析支撐式支架和掩護式支架特點[1]，將膏體充填液壓支架架型確定為前置正四連桿四柱支撐式支架。

針對充填隔離機構(gòu)，提出了 3 種膏體充填液壓支架結(jié)構(gòu)方案：尾梁/隔離板結(jié)合式、支架/伸縮尾梁式、支架/錨網(wǎng)結(jié)合式。3 種支架方案的技術(shù)特點與優(yōu)缺點對比分析如表 1 所列。

3 種方案技術(shù)上均可行。通過比較，確定采用尾梁/隔離板結(jié)合式方案，充填液壓支架架型結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 充填液壓支架結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural sketch of filling hydraulic support

充填液壓支架為前置正四連桿四柱支撐式，由頂梁、尾梁、護幫板、斜梁、前連桿、后連桿、底座、推移機構(gòu)、立柱及液壓噴霧系統(tǒng)等組成。頂梁前面設(shè)有護幫板，后面設(shè)置旋轉(zhuǎn)尾梁，采取正四連桿前置結(jié)構(gòu)。尾梁和下隔離板上下搭接，可向一側(cè)伸縮，配合輔助防漏措施，能夠起到隔離墻功能，達到快速構(gòu)筑隔離墻的目的。

1.2 工作面設(shè)備配套及充填液壓支架主要技術(shù)參數(shù)確定

根據(jù)工作面實際長度和順槽尺寸進行綜采設(shè)備布置，充填液壓支架與 MG200/500-AWD 型采煤機、SGZ730/400 型刮板輸送機配套，采煤機截深為 600 mm，保證設(shè)備配套合理可靠，技術(shù)先進。

通過建立膏體側(cè)向壓力計算模型，結(jié)合傳統(tǒng)計算方法和標準規(guī)范要求，計算得出液壓支架工作阻力等主要技術(shù)參數(shù)。充填液壓支架型號為 ZC5600/17/32，主要技術(shù)參數(shù)如表 2 所列。

表2 主要技術(shù)參數(shù)Tab.2 Main technical parameters

2 優(yōu)化設(shè)計及有限元分析

運用液壓支架計算機輔助設(shè)計軟件，進行液壓支架四連桿優(yōu)化設(shè)計[2]、運動分析和靜力學分析，并采用 SolidWorks 軟件進行支架三維仿真設(shè)計，全部結(jié)構(gòu)件都采用有限元分析手段實現(xiàn)完全的等強度設(shè)計，力求支架設(shè)計科學、合理、適用。

2.1 總體結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與運動仿真

由液壓支架計算機輔助設(shè)計軟件進行支架優(yōu)化分析可知，隨支架工作高度變化，所設(shè)計的支架底座合力位置變化小，支架受力好、穩(wěn)定性高。

表1 充填液壓支架方案比較Tab.1 Scheme comparison of filling hydraulic support

充填液壓支架在使用高度為 2 000～3 000 mm 范圍內(nèi)，底座前端底板比壓小。支架底板比壓為 1.85～2.31 MPa，分布均勻，利于移架。通過優(yōu)化四連桿，支架運動比較平穩(wěn)，在使用高度范圍內(nèi)，減小了四連桿機構(gòu)的附加力。

在使用高度范圍內(nèi)，支架頂梁合力為 5 545.7～5 661.8 kN，比較平穩(wěn)，支架支護強度為 0.71～0.72 MPa。

梁端點水平運動軌跡如圖 2 所示。充填液壓支架在使用高度 2 000～3 000 mm 內(nèi)變化時，梁端點水平運動軌跡的最大范圍小于 65 mm，支架頂梁前端點與煤壁間距離的變化小，提高了管理頂板的性能，而且支架能承受較大水平力。

圖2 充填液壓支架梁端點水平運動軌跡Fig.2 Horizontal motion trajectory of end point at beam of filling hydraulic support

2.2 有限元分析

在液壓支架設(shè)計過程中，應(yīng)用有限元分析技術(shù)進行支架強度計算校核可以減少設(shè)計成本，縮短設(shè)計和分析的周期，增加支架的可靠性，降低材料的消耗和成本，在產(chǎn)品制造或工程施工前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問題，進行模擬試驗分析和機械事故分析，使設(shè)計更可靠合理。在充填液壓支架的設(shè)計中，使用有限元分析軟件對支架進行整架強度分析和局部的強度校核。利用 SolidWorks 軟件對頂梁、斜梁、上連桿、下連桿進行集中載荷、偏載和扭轉(zhuǎn)載荷的應(yīng)力分析，對關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)強度進行優(yōu)化。

充填液壓支架整體應(yīng)力云圖如圖 3 所示，最大應(yīng)力為 679.4 MPa，頂梁上部的應(yīng)力比較大。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

該充填液壓支架在充分研究分析結(jié)構(gòu)參數(shù)基礎(chǔ)上，針對煤層地質(zhì)條件，除滿足支架對采煤區(qū)頂板支護進行采煤的要求外，還需要對待充填區(qū)適當支護和隔離。

圖3 充填液壓支架有限元分析Fig.3 Finite element analysis of filling hydraulic support

3.1 前置正四連桿機構(gòu)

充填液壓支架前連桿和后連桿分別與斜梁和底座鉸接，共同構(gòu)成前置正四連桿機構(gòu)，前后排立柱間距合理，為充填管道布置、整體前移和人員行走提供了足夠的空間。支架在調(diào)高范圍內(nèi)梁端距變化小，可更好地支護頂板，承受頂板的水平分力和側(cè)向力，使立柱不受側(cè)向力。支架前部和后部均有作業(yè)空間，可以實現(xiàn)兼顧作業(yè)。

3.2 采煤支護功能

頂梁前部帶護幫板，頂梁后部設(shè)有鉸接尾梁 (上隔離板)，在采煤機割煤后，支架未能前移時，護幫板可以翻轉(zhuǎn) 180°，實現(xiàn)臨時護頂；支架前移后，護幫板可用于防片幫。充填支架在最大高度時，頂梁能下俯 15°；在最小使用高度時，頂梁能上仰 ≥10°。在尾梁千斤頂?shù)淖饔孟拢擦?(上隔離板) 最大上仰角可達 7°，能夠保證對充填區(qū)頂板進行有效的主動支護，具有很強的適應(yīng)性。

底座設(shè)置抬底機構(gòu)和底調(diào)機構(gòu)。底座為剛性中部開擋，支架移架時，可抬起底座前端，力求少清浮煤，加快推進速度。推移裝置為短推桿機構(gòu)，結(jié)構(gòu)可靠，拆裝方便，利于實現(xiàn)快速移架。

3.3 隔離防漏充填功能[3]

膏體充填要求密封性高，頂梁與頂板接觸縫、頂梁后端與上隔離板之間搭接縫、上下隔離板之間搭接縫、支架之間的接觸縫，均可通過液壓缸的拉緊和單側(cè)活動側(cè)護板擠壓封閉，配合填塞措施，實現(xiàn)充填隔離墻的快速隔離防漏。

4 應(yīng)用效果

充填液壓支架在淄博礦業(yè)集團岱莊煤礦膏體充填回收條帶煤柱試驗采區(qū)工作面和后續(xù)膏體充填無煤柱長壁工作面成功應(yīng)用，證明該支架技術(shù)參數(shù)選擇科學，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，可靠性高，實現(xiàn)了充填工作面綜合機械化連續(xù)生產(chǎn)和充填，取得了良好的經(jīng)濟效益。

前置正四連桿四柱支撐式結(jié)構(gòu)為充填管道布置、整體前移和人員行走提供了足夠的安全空間，支架前部和后部均有作業(yè)空間，方便安排采煤與充填工作，使充填對采煤工作的影響較小。

利用支架頂梁實現(xiàn)工作面采煤作業(yè)空間頂板支護，通過頂梁后鉸接尾梁向上擺動實現(xiàn)工作面待充填空間頂板的有效支護，尾梁向下擺動與底座下隔離板連同伸縮活動側(cè)護板共同構(gòu)成充填隔離墻，實現(xiàn)機械化構(gòu)筑隔離墻，解決了充填支架隔離防漏問題，提高了充填效率。

根據(jù)工作面礦壓觀測和地表沉陷數(shù)據(jù)分析，該充填液壓支架初撐力和工作阻力選用合適，頂板控制及隔離防漏措施有效，膏體充填開采對地表建筑物損害輕微，能夠?qū)p害控制在保護等級范圍內(nèi)。

實施膏體充填開采，可成功解放呆滯的遺留煤柱及壓覆煤炭資源，延長礦井服務(wù)年限，既解決了制約礦井持續(xù)發(fā)展的瓶頸問題，實現(xiàn)了固體廢棄物的最大化利用，又有效保護了生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)了“黑色煤炭、綠色開采“的目標，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。

5 結(jié)語

膏體充填液壓支架的設(shè)計與應(yīng)用，很好地處理了采煤與充填之間的關(guān)系，解決了膏體隔離防漏問題。目前該技術(shù)已在淄博礦業(yè)集團許廠和葛亭等煤礦推廣應(yīng)用，使?jié)钡V區(qū)各礦村莊建筑物壓煤問題得以解決，同時也可推廣應(yīng)用于其他礦區(qū)“三下”壓煤開采，對加快煤礦膏體充填開采關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和成套裝備的研發(fā)與制造，提高充填開采的機械化、自動化和智能化水平，促進我國煤炭行業(yè)技術(shù)進步和綠色礦山建設(shè)都有重大意義。