支護與抽架一體化液壓支架撤除裝備的研發(fā)

何 明，劉祥兵，馮立友

1中煤科工開采研究院有限公司 北京 100013

2天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部 北京 100013

3兗礦能源集團股份有限公司綜機安撤中心 山東濟寧 272000

綜采工作面設備的撤除是煤炭開采過程中一個必不可少的環(huán)節(jié)。在整個綜采工作面設備的撤除過程中，液壓支架質(zhì)量占到整個工作面設備質(zhì)量的80% 以上，工程量最大，且液壓支架作為工作面頂板支護設備，其撤除過程直接關系到整個工作面撤除作業(yè)的安全，撤除難度高；因此，液壓支架的撤除是整個綜采工作面設備撤除的關鍵。隨著我國煤礦綜采技術水平的不斷提高，工作面生產(chǎn)能力和推進速度快速提升，工作面設備的撤除也更加頻繁，液壓支架的撤除直接影響到工作面生產(chǎn)的正常接續(xù)。我國綜采工作面液壓支架技術已處于世界領先水平，而工作面液壓支架撤除裝備的研發(fā)相對滯后，難以滿足高效、安全撤除工作面液壓支架的要求[1-5]。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

常用的工作面液壓支架撤除工藝為單通道單翼撤除工藝，如圖 1 所示，主要包括撤除作業(yè)區(qū)頂板的支護與待撤除液壓支架的抽架、轉(zhuǎn)向和拉移。該工藝撤除作業(yè)區(qū)頂板支護方式主要采用木垛、單體液壓支柱+工字鋼梁或工作面液壓支架進行頂板支護；抽架方式主要采用礦用絞車+牽引鋼絲繩+回轉(zhuǎn)輪或液壓支架抽架機進行；轉(zhuǎn)向和拉移方式主要采用礦用絞車 +牽引鋼絲繩對待撤支架進行調(diào)向并拉移至運輸巷。

圖1 液壓支架單通道單翼回撤工藝Fig.1 Single-passage single-wing hydraulic support withdrawing process

將工作面液壓支架直接作為回撤支架使用存在明顯不足：工作面支架的移架步距通常為 0.6 或 0.8 m，而支架的中心距通常為 1.50、1.75 或 2.05 m，每撤走1 臺支架，回撤支架需要 2 次以上移架，大幅度增加了支護作業(yè)時間；由于回撤巷道頂板暴露時間較長并受采動影響，普遍較為破碎，回撤支架多次移架，反復支撐頂板，極不利于回撤作業(yè)區(qū)頂板的維護；支架已經(jīng)過長期使用，自身的可靠性也較差。

采用絞車與牽引鋼絲繩抽架，鋼絲繩容易繃斷滑飛，存在極大的安全隱患，且需要增加臨時輔助支點，勞動強度大，工作效率低。采用液壓支架抽架機抽架，不僅速度較慢，而且由于其結構尺寸大，需占用較大的回撤作業(yè)空間，使用受到很大限制。

總之，綜采工作面液壓支架撤除過程中存在撤除作業(yè)區(qū)頂板支護效果差、待撤除支架抽架難等問題。

2 支護與抽架一體化支架撤除裝備總體設計

針對綜采工作面液壓支架撤除過程中撤除作業(yè)區(qū)頂板支護效果差、抽架難的問題，充分總結兗礦能源集團股份有限公司綜機安撤中心長期實踐經(jīng)驗，分析各礦井撤除巷道條件和液壓支架特性，從高效、安全撤除工作面液壓支架出發(fā)，研發(fā)了支護與抽架一體化液壓支架撤除裝備，主要由回撤支架 (3 架)、輔助支撐裝置、抽架裝置、護頂鋼釬輸送裝置、推移橫梁及加長橫梁等組成。

支護與抽架一體化液壓支架撤除裝備布置如圖 2所示。其中回撤支架用于撤除作業(yè)區(qū)頂板的支護；輔助支撐裝置配合單體液壓支柱用于撤除作業(yè)區(qū)采空側頂板的輔助支護；抽架裝置與位于煤壁側的回撤支架相連，用于待撤除液壓支架的抽架，并隨回撤支架的前移而自動前移；護頂鋼釬輸送裝置用于對頂板進行臨時支護；推移橫梁用于撤除支架的前移；加長橫梁可適應撤除巷道不同寬度的要求。

圖2 支護與抽架一體化液壓支架撤除裝備布置示意Fig.2 Layout of integrated hydraulic support withdrawing equipment

3 回撤液壓支架的研發(fā)

回撤液壓支架的主要作用：支護撤除作業(yè)區(qū)的頂板，為操作人員提供安全的作業(yè)空間；為待撤除工作面支架的調(diào)向提供回轉(zhuǎn)空間。

兗礦所屬礦井眾多，工作面液壓支架中心距、高度和質(zhì)量相差大，其中本部礦井以 1.50、1.75 m 中心距放頂煤支架為主，支架質(zhì)量不超過 45 t；外部礦井以 1.75、2.05 m 中心距大采高支架為主，支架最大質(zhì)量近 80 t。

根據(jù)回撤液壓支架移架步距大、回撤巷道頂板條件相對較差的特點，并根據(jù)兗礦本部和外部礦井液壓支架不同情況，分別研發(fā)適用于外部礦井大采高重型液壓支架撤除的回撤支架 (ZY12000/28/58 型回撤液壓支架) 以及適用于本部礦井支架撤除的回撤支架(ZZ6800/20.5/40 型回撤液壓支架)。

ZY12000/28/58 型回撤液壓支架結構如圖 3 所示，主要技術參數(shù)如表 1 所列。與工作面液壓支架相比，其突出特點為：移架步距大，可一次性移架到位；底座兩側對稱并設有抽架裝置連接裝置；頂梁上設有護頂鋼釬輸送機構；頂梁兩側設有固定大側護板，對采空側進行有效擋矸。

圖3 ZY12000/28/58 型回撤液壓支架結構示意Fig.3 Structural sketch of ZY12000/28/58 withdrawing hydraulic support

表1 ZY12000/28/58 型回撤液壓支架主要技術參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of ZY 12000/28/58 withdrawing hydraulic support

ZZ6800/20.5/40 型回撤液壓支架結構如圖 4 所示，主要技術參數(shù)如表 2 所列。除具有 ZY12000/28/58 型回撤液壓支架的突出特點外，其尾梁可實現(xiàn)下擺 90°，并且底座后端采用可拆卸式結構，可滿足普通礦井支架主體部分整體下井運輸?shù)囊蟆?/p>

圖4 ZY6800/20.5/40 型回撤液壓支架結構示意Fig.4 Structural sketch of ZY6800/20.5/40 withdrawing hydraulic support

表2 ZZ6800/20.5/40 型回撤液壓支架主要技術參數(shù)Tab.2 Main technical parameters of ZZ 6800/20.5/40 withdrawing hydraulic support

4 抽架裝置的研發(fā)

在工作面支架撤除過程中，為了便于待撤除支架的調(diào)向，一般需將待撤除支架向前拉移約 1/2 底座的長度。由于抽架過程中待撤除支架已處于降架狀態(tài)，其上方頂板已無支撐，抽架所用時間越短越有利于頂板的管理，因而要求抽架裝置能快速完成抽架；大采高重型支架的質(zhì)量近 80 t，要求抽架裝置具有足夠的抽架力。為此研發(fā)了一種快速強力抽架裝置，結構如圖 5 所示，主要由抽架梁、轉(zhuǎn)向軸、滑輪、圓環(huán)鏈、接鏈盒、連接耳軸及抽架千斤頂?shù)冉M成。

圖5 抽架裝置結構示意Fig.5 Structural sketch of withdrawing device

快速強力抽架裝置的主要結構特點如下：

(1) 抽架梁采用箱型結構梁，結構簡單、強度高；

(2) 通過更換抽架千斤頂可以滿足不同工作面和不同支架的抽架要求，不同抽架千斤頂主要技術參數(shù)如表 3 所列；

表3 不同抽架千斤頂主要技術參數(shù)Tab.3 Main technical parameters of various withdrawing jacks

(3) 通過耳軸將抽架機構與回撤支架連接在一起，抽架梁可上下自由擺動，適應回撤巷道底板的起伏變化；

(4) 抽架梁隨回撤支架的前移而自動前移；

(5) 可實現(xiàn)一次性快速、準確抽架到位；

(6) 待撤支架與抽架千斤頂之間采用圓環(huán)鏈連接，使用方便、安全性好。

5 輔助支撐裝置的研發(fā)

由于撤除巷道的頂板普遍較為破碎，位于采空側的回撤支架降架過程中，時常發(fā)生頂板緊隨支架降架而不斷下沉的現(xiàn)象，嚴重影響了回撤支架的正常移架。解決該問題通常采用單體液壓支柱對采空區(qū)一側進行輔助支護，而單體液壓支柱的回撤不僅勞動強度大且安全性差，為此研發(fā)了一種可實現(xiàn)單體液壓支柱自動前移的輔助支撐裝置。

輔助支撐裝置結構如圖 6 所示，主要由單體支柱安裝筒、支撐座、拉移千斤頂、連接頭及圓環(huán)鏈等組成。輔助支撐裝置的作用是當撤架過程中靠采空側的頂板需要用單體液壓支柱進行輔助支護時，提供單體液壓支柱固定安裝座，并實現(xiàn)單體液壓支柱的自動回撤。

圖6 輔助支撐裝置結構示意Fig.6 Structural sketch of auxiliary supporting device

6 護頂鋼釬輸送裝置的研發(fā)

在待撤除支架抽架和調(diào)向過程中，待撤除支架的上方將形成較大的無支護面積，對于較為破碎的撤除巷道頂板有時需要進行臨時護頂處理，為此研發(fā)了護頂鋼釬輸送裝置。該裝置主要由鋼釬輸送千斤頂及其固定件、鋼釬輸送導筒等組成，結構如圖 7 所示。

圖7 護頂鋼釬輸送裝置機構示意Fig.7 Structural sketch of conveyor for roof-protecting drilling rod

根據(jù)護頂鋼釬使用要求，鋼釬輸送千斤頂行程設計為 2 000 mm，并將回撤支架頂梁設計為雙層結構，將鋼釬輸送千斤頂安裝在頂梁的上層，可滿足 3～4根 1.9 m 長護頂鋼釬的輸送要求。該裝置可及時推送出護頂鋼釬，實現(xiàn)待撤支架降架后對其上方頂板及時護頂，并便于后續(xù)加固處理。

7 結語

支護與抽架一體化工作面液壓支架撤除裝備的研發(fā)，有效解決了綜采工作面液壓支架撤除過程中頂板支護效果差和待撤除支架抽架難的問題。回撤支架采用大移架步距，實現(xiàn)了一次性移架到位，提高了支護效率，明顯改善了回撤作業(yè)區(qū)頂板支護效果；輔助支撐裝置與單體液壓支柱配合使用，完善了對回撤作業(yè)區(qū)頂板的支護。抽架裝置結構簡單，抽架力大，可實現(xiàn)待撤除支架快速、準確抽架到位，并可隨回撤支架的前移而自動前移。

工作面液壓支架撤除裝備的應用明顯降低了工人勞動強度，大幅度提高了綜采工作面液壓支架撤除安全性和撤除效率。