綜采工作面液壓支架移架速度的提升研究

楊 帆

（大同煤礦集團有限責任公司綜采裝備安裝分公司，山西 大同 037000）

引言

煤礦開采過程中液壓支架是其中非常重要的機械化設備，當前階段采煤機的牽引速度普遍比液壓支架移架速度快[1]。比如液壓支架每完成一個移架過程需要的時間平均為25 s，但大功率采煤機完成一個周期的截割時間約為9～15 s，導致采煤機截割完成后液壓支架無法及時對頂板進行支撐，加大了頂板冒落的可能性[2-3]。可見，相對較慢的移架速度輕則會降低采煤效率[4]，重則威脅煤礦開采安全。在實踐過程中受到采煤環境的制約，在推溜和移架時分別容易出現刮板輸送機飄底和液壓支架啃底的問題，這是限制移架速度的原因之一[5]。液壓支架的移動過程主要受千斤頂控制回路的控制，控制系統的優劣會在一定程度上影響移架速度[6-7]。基于此，對刮板輸送機飄底和液壓支架底板啃底現象、推移千斤頂控制回路等進行研究，對于提升液壓支架移架速度，保障煤礦開采安全，提升煤礦開采效率，具有重要的實踐意義。

1 液壓支架推移的工作原理

在整個液壓支架控制回路中，推移千斤頂控制回路是其中比較關鍵的回路，其作用主要是對液壓支架的推溜和移架過程進行控制，見圖1。推移千頂頂裝置一端與液壓支架底座相連，一端與推移框架連接。如果換向閥處于右位狀態，此時千斤頂有桿腔內會進入乳化液，導致活塞桿往回移動，進而推動框架往前移動，最終實現推溜的目的。相反地，如果換向閥處于左位狀態，此時千斤頂活塞桿腔內會進入乳化液，進而推動缸體往前移動，最終實現移架的目的。需要說明的是，在有桿腔控制油路中增加設置了安全閥，以免移架過程中將刮板輸送機拽回。

圖1 推移千斤頂控制回路基本原理示意圖

2 影響移架速度的原因

2.1 竄液

對現場進行調研發現目前使用的操縱閥存在竄液問題且比較嚴重。竄液具體形式主要有兩種，閥與閥之間竄液和閥的高壓與低壓兩側出現竄液。分析認為發生竄液的原因主要有：實踐中操縱閥底座與鋼球之間會經常發生碰撞，且碰撞頻率較高，導致兩者之間發生顯著的摩擦磨損，間隙變得越來越大，密封性能逐漸失效；零部件質量不達標，在使用時無法發揮其應有的效能，從而影響整體性能。如果采煤工作面有100個支架，每個支架包含7個操縱閥，則總計需要使用1 400個隔離閥。由于煤礦井下工作環境復雜，再加上零部件質量不達標，如此多的零部件非常容易出現問題，進而引發嚴重的竄液現象。根據現場統計發現，竄液導致的滲漏量達到了液壓泵額定流量的17%左右。一旦出現竄液問題，會導致拉架時系統動力不足，這是限制移架速度的重要因素之一。

2.2 堵塞導致回路流量降低

液壓回路中乳化液的流量會對其動力大小產生決定性的影響。煤礦井下工作環境惡劣，液壓支架在長時間工作過程中，一些粉塵顆粒不可避免地會滲入到液壓系統回路中，比如對液壓系統進行檢修維護時煤塵矸石就很可能進入系統。液壓回路內部包含很多過濾器，這些粉塵顆粒就會在過濾器中堆積。如果不及時清洗，就會對液壓回路造成阻塞，導致乳化液流量降低，最終使得移架速度減慢。

2.3 膠管直徑偏小

乳化液需要通過膠管進行傳輸。根據流體相關理論可知，在管道流量一定的情況下，管道直徑越小，則液體流動速度越大，由于阻力造成的動力損失則越大。根據液壓支架使用時的要求，乳化液在膠管中的流動速度需要控制在2～5 m/s，此時對應的膠管直徑大小為29～46 mm。但當前液壓支架的液壓系統中配套使用的膠管最小為25 mm，明顯比要求的直徑范圍偏小。過小的膠管直徑導致管道內流動的乳化液速度過高，不僅限制了管道流量大小，同時還導致乳化液的能量損耗大，最終導致液壓支架移架速度降低。

3 提高液壓支架移架速度的措施

3.1 減輕立柱移動部分的質量

已有的實踐經驗表明，液壓支架立柱在上升和下降階段，移動部位質量會對其移動速度產生一定程度的影響。如果將移動部分質量降低33.33%，對應的上升時間和下降時間分別可以壓縮0.7%和3.3%。考慮到液壓支架升降時移動部分質量會對移動速度產生影響。因此可以適當降低移動部分的質量大小，液壓支架中需要移動的部分主要包括活柱、頂梁等部位。降低移動部分質量的前提是要確保液壓支架整體強度和剛度滿足實際使用要求。

整個移架過程可以分為4個基本動作，分別為推溜、拉架、升柱與降柱。其中前兩個動作的移動距離為固定值，但升柱、降柱兩個動作的行程大小是由人為控制的。實踐經驗表明，行程若擴大一倍，對應的升柱、降柱時間分別延長33%和53%，整個移架時間延長29%。基于此，在滿足移架要求的前提下，應該盡可能縮短升柱、降柱兩個動作的行程，以提升移架速度。

3.2 改善液壓系統中的壓力及流量

1）雙泵環形供液。部分綜采工作面的長度相對較大，泵站的供液距離相對較遠。此時乳化液流量、壓力及管道阻力等都會對移架速度產生重要影響。此時可以在綜采工作面的兩側使用兩個乳化液泵同時進行供液，則供液距離可以縮短一半。不僅能提升供液流量，還能減小液體的流動阻力。

2）旁路回液。液壓支架立柱的上腔和下腔截面面積存在較大差異，比例大約為1∶6～8。活柱下降時下腔需要回流的液體流量較大，對于普通的流道而言，產生的阻力較大，結果就是移架速度受到限制。針對此種情況可以專門設置旁路進行回液，活柱在下降階段可以同時使用兩條管道進行回液處理。實踐經驗表明，此項技術可以使液體流動阻力降低到原有的25%。活柱下降速度提升為原有的兩倍。

3.3 優化液壓系統的結構

隨著煤礦開采的不斷向前推進，整個綜采工作面也要跟著向前移動，移動的動力全部來自液壓支架，而液壓支架的動力又來自推移千斤頂。在移架過程中，拉架與推溜時的阻力相比較而言前者更大，因此在拉架階段需要提供更大的動力。只有對推移千斤頂的結構進行科學設計，才能夠確保拉架力超過推溜力。推移千斤頂有兩種安裝方式，分別為正裝與倒裝。所謂倒裝指的是推移千斤頂的活塞桿和底部位置分別鉸接于推桿后端和支架底座，而正裝時推移千斤頂的方向正好相反。如果推移千斤頂采用的是倒裝方式，則其上腔流進乳化液時液壓支架正好處于推溜狀態，而下腔流進乳化液時則處于拉架狀態。下腔的截面面積比上腔要大，所以在拉架時千斤頂可以提供更大的力。

推移千斤頂采用倒裝方式時的缺陷在于需要比較大的空間，中厚煤層空間相較大，可以采用倒裝方式。但對于薄煤層而言，無法采用倒裝方式，只能進行正裝。此時需要采取其他結構措施保證拉架力大于推溜力。比如可以使用差動連接結構，在推溜階段可同時向上腔和下腔注入乳化液，以抵消部分推溜力。

3.4 優化支架內部部件動作的銜接

通常情況下整個液壓系統內部的壓力越大，支架完成移架動作的時間就越短。而通過優化液壓支架內部部件之間的銜接，可以在一定程度上提升系統壓力。具體而言，為了提升液壓支架移架速度，在頂板條件許可的情況下，可以讓多個液壓支架同時完成移架工作。另一方面，前文已述軟管直徑過小會導致乳化液流動阻力增大，能量損失速度過快。對原有的25 mm直徑大小的軟管進行替換，新的軟管直徑為32 mm。

4 改造后的應用效果

根據上節所述的液壓支架移動速度提升改進措施，對煤礦中使用的液壓支架進行技術改造。為了驗證技術改造效果，將改造后的液壓支架在煤礦中進行了連續三個月的工程實踐測試。在整個測試期間液壓支架能夠安全穩定運行，各項功能都得以正常發揮，保障了煤礦開采的安全。進行技術改造后，移架速度與改造前相比有了顯著提升，其速度完全能夠跟上采煤機的截割速度，從而在整體上提升了煤礦的采煤效率。經過初步統計發現，采煤效率至少提升了10%以上。此次針對液壓支架的技術改造，得到了煤礦企業技術人員和管理人員的一致認可，為煤礦企業創造了良好的經濟效益和社會效益。