放頂煤工作面排頭液壓支架的改造及應用

滕 達 于雁冰 王 瑞

（河南能源化工集團重型裝備有限公司，河南 開封 475000）

古漢山煤礦是煤與瓦斯突出礦井，1606 綜放工作面的回風巷、運輸巷、切眼均采用沿頂掘進的開拓方式。實際回采期間，兩巷超前托頂煤受動壓影響，頂板破碎支護困難，回采工作面采用兩巷排頭支架支撐頂板留底部三角煤，中部支架沿底回采的綜采綜放布置方式。該布置方式較傳統“木垛+單體支護+單體柱抬棚”的沿底回采支護方式安全且工程量小[1]，但造成中部支架臥底彎曲段過長，機頭、機尾底部的三角煤回收率較低。為解決底部三角煤回采率低的問題，決定對排頭液壓支架進行技術改造。

1 綜放工作面配套設備

1.1 “三機”配套設備

1606 綜放工作面走向長度940 m，平均煤層厚度5 m。采用綜放工藝回采時，割煤高度2.6 m，放煤高度2.4 m。“三機”配套綜采設備見表1。

表1 “三機”配套綜采設備表

1.2 綜放工作面液壓支架斷面布置圖

1606 工作面傾斜長度（煤壁尺寸）142 m，平均煤層傾角14°，運輸巷巷道原斷面尺寸（寬×高）5000 mm×3000 mm，沿頂掘進，中部支架沿底回采工藝，機頭、機尾排頭支架沿巷道掘進底板回采，排頭支架支護高度3000 mm，巷道底部有2000 mm厚度底煤，排頭支架同中部支架成由高到低逐步彎曲布置，中部支架逐步臥底到煤層底板進行回采。中部支架回采采煤高度2.6 m，放煤厚2.4 m，彎曲過渡段每架支架臥底200 mm，臥底到煤層底板共需10 架，總長度15 m，機頭和機尾對稱布置。圖1 為機頭過渡彎曲段布置示意圖。

圖1 運輸巷機頭位置過渡彎曲段布置示意圖

1.3 放頂煤排頭液壓支架的結構型式

ZFG10000/22/35 放頂煤排頭液壓支架采用反四連桿的結構型式，具有頂梁受力均勻、抗偏載能力強、穩定性好、底座前端比壓小、不易扎底、后部放煤空間大的特點。為便于頂板的支護和后部放煤，采用掩護梁+尾梁的結構型式，使排頭支架放煤口和中部支架保持一致，通過尾梁擺動和插板的伸收可實現破煤和放煤[2-3]。

圖2 過渡液壓支架結構示意圖

2 排頭液壓支架的改造及工作面布置

為降低生產成本和資金投入，提高企業的經濟效益，在現有ZFG10000/22/35 的基礎上，僅考慮對支架頂梁體和前梁體進行改造，其余結構體、立柱和千斤頂完全進行舊物利用。

2.1 頂梁結構改造尺寸的確定

古漢山煤礦采用立井開拓，副井采用罐籠進行物料和人員的輸送，現有罐籠允許提升物件最大不可拆卸尺寸（長×寬×高）4200 mm×1500 mm×1800 mm。根據現有放頂煤排頭液壓支架的頂梁結構尺寸，決定在現有頂梁高度的基礎上，對頂梁進行加高900 mm 的處理方案。頂梁長度和寬度滿足下井罐籠尺寸要求，最大高度外形尺寸為1780 mm。最終改造后過渡支架的型號定為ZFG10000/31/44，最大支撐高度為4.4 m。圖3 為改造后過渡支架外形結構示意圖。

圖3 加高頂梁排頭支架結構示意圖

2.2 排頭液壓支架頂梁改造后斷面布置圖

根據排頭液壓支架的支撐高度達到4.4 m，機頭位置巷道高度在回采過程中可采用逐步臥底的方式達到4.4 m，巷道底板到煤層底板理論計劃預留底煤厚度0.6 m，煤壁內側過渡支架支撐高度3.5 m，第二架過渡支架支撐高度3.2 m，中部支架從3.0 m高度逐步臥底過渡到2.6 m，臥底到煤層底板共需5架，其中2 架過渡支架，3 架中部支架。圖4 為排頭支架頂梁改造后斷面布置圖。

圖4 排頭支架頂梁改造后斷面布置圖

3 排頭支架改造的可行性分析

3.1 液壓支架受力模型[4]

反四連桿支架力學模型如圖5，模型建立不考慮掩護梁受力。

圖5 反四連桿液壓支架力學模型

支架改造前后，只有參數h1、h2、h3發生變化，改造后數值比原始值增加900 mm。其中h1代表頂梁和斜梁鉸接孔到頂板的距離，h2代表前立柱柱頭球心到頂板的距離，h3代表后立柱柱頭球心到頂板的距離，h4代表M 點和O點的豎直距離，P1代表前立柱的支撐力，P2代表后立柱的支撐力，Q代表支架所受合力，Qf為頂梁所受水平摩擦力，Qf等于Q和摩擦系數f的乘積，F1為下連桿軸向力，F2為后連桿軸向力，O點為前后連桿延長線的交點，d1為頂梁合力作用點與M點的水平距離，d2為M點與O點的水平距離，r1為O 點到后立柱的垂直距離，r2為M點到前立柱的垂直距離，r3為M點到后立柱的垂直距離，r4為O點到前立柱的垂直距離。

3.2 反四連桿力系的計算分析[5]

（1）前、后連桿軸向力的受力分析

將液壓支架頂梁和斜梁作為受力構件進行單獨分析，則頂梁和斜梁的垂直力平衡方程為：

頂梁和斜梁的水平力平衡方程為：

由力學模型計算式（1）、（2）計算得出F1和F2的值，結果如下：

由計算式（3）和式（4）中的參數可知，立柱工作阻力P1、P2，立柱傾角β1、β2，前后連桿水平夾角α1和α2改造前后都未發生變化，則可判定前后連桿軸向力F1和F2在僅頂梁加高情況下，軸向力未發生數值變化，斜梁和前后連桿鉸接點受力狀態未發生變化。

（2）頂梁的受力分析

將液壓支架頂梁和斜梁作為受力構件進行單獨分析，則O 點的力矩力平衡方程為：

將頂梁作為受力構件進行單獨分析，則M 點的力矩平衡方程為：

由式（5）、（6）合并計算可得：

由計算式（7）可知，式（7）中只有h1的數值變大，相應頂梁支撐合力Q變小，頂梁重新設計加工時，考慮頂梁支撐合力的變化。

經過上述公式的分析，僅對頂梁進行改造，其他四連桿結構、尺寸、角度未發生變化的情況下，四連桿機構受力未發生改變，原排頭支架的斜梁及前后連桿可以舊物利用，具備改造利用的可行性。

4 加高頂梁排頭液壓支架的應用效果

4.1 煤炭回收的經濟效果理論分析

根據圖1原綜放工作面沿頂回采的斷面布置圖，運輸巷回采高度按3 m 計算，運輸巷從下幫到臥底到煤層底板的中部支架理論總長20.56 m，斷面面積27.62 m2，工作面走向940 m，煤的密度1.35 t/m3，運輸巷底部三角煤共約35 050 t 未能回收。

根據圖4 改造后沿頂回采的斷面布置圖，運輸巷回采高度可達到4.4 m，運輸巷從下幫到臥底到煤層底板的中部支架理論總長12.56 m，斷面面積6.636 m2，運輸巷底部三角煤仍有約8421 t 未能進行回收。

經過上述數據對比，經過排頭支架的改造，理論可多回收26 629 t 煤，回收效果顯著。

4.2 加高頂梁排頭液壓的實際應用效果

（1）工作面實際回采過程中，為防止過渡支架位置煤壁片幫，減少了排頭支架相鄰過渡支架的采煤高度，考慮到兩支架間的側護板搭接及空間密閉，排頭支架采煤高度達不到4.4 m，達不到下三角煤的理論回收量，但回收量仍得到很大提高。

（2）運輸巷存在煤層厚度變薄的現象，排頭支架和過渡支架支護高度降低，導致排頭支架頂梁下部作業空間變小，不利于人員的行走和物料運輸，頂梁結構有待改進。

（3）加高頂梁排頭支架的應用，提高了機頭位置支護的安全性，較以往沿頂掘進、沿底回采工作面，機頭位置采用“木垛+單體支護+單體柱抬棚”更安全，并能減輕巷道支護的工程量。