CN102536287A - 一种新型的综放工作面端部液压支架 - Google Patents

Abstract

一种新型综放工作面端部液压支架，适用于综合机械化放顶煤工作面端头区域的顶煤回收及端部巷道和空间的支护与维护。主要研发内容包括，综放工作面“高放低耙对称架型”端头支架和“高放低耙主副架型”端内支架。在副架的低位放煤口处，设置“对称转轮倾斜刮板式”耙煤系统；在副架顶梁上，设置“前后对开式槽形”放煤系统。对称架同时具有提高支架稳定性的作用，以及加强支护与维护端部空间的作用。该方法能够有效提高综放工作面生产效率和回采率，完善综放开采技术，产生显著的经济效益，具有广泛的实用性和推广前景。

Description

一种新型的综放工作面端部液压支架

技术领域

本发明涉及一种综合机械化放顶开采工作面端头区域液压支架，尤其适用于综放工作面端头区域需要放顶煤和支护、维护比较困难的条件，属于煤炭地下开采设备领域。

背景技术

综放工作面端头区的矿压规律不同于工作面中部，端头区煤岩同时受到工作面走向与侧向约束，且受端头区巷道支护结构体系、支承压力叠加等影响，导致端头区煤岩的稳定性及冒放规律不同于工作面中部，进而影响端头区域放煤的工艺参数。

由于放顶煤工作面端头支护空间大、支护强度高、设备多、工艺配合复杂，造成了我国绝大部分的综采放顶煤工作面都采用两端头不放顶煤或少放顶煤，其主要原因是：工作面两端头布置有前、后输送机的机头、机尾及传动装置，所需空间较大，端头放顶煤后，两端头更加难以维护。所以，端头支护的好坏直接影响到综放工作面产量、效率和安全状况。

目前，对综放工作面端头区矿压规律、煤岩冒放规律及其影响、放煤工艺参数及端部支护等内容研究较少，甚至空白。尚无成熟的用于综放工作面既能够端头放煤、又利于端头支护的端部支架。因此，开发新型的既具有放煤功能、又便于支护的端头支架，会产生显著的技术、经济、社会效益，是一个亟待解决的大问题。

发明内容

本发明的目的就是为了解决在综采放顶煤开采条件下的端部放煤的问题，研发一种在综放工作面应用的新型端头支架。

综采放顶煤工作面普通液压支架的基本条件，亦即本专利的适用条件为：

①一定的煤层厚度(6-14m)；

②一定的煤层倾角(＜12°)；

③合理的护巷煤柱尺寸；

④相应的、合理的安全技术措施。

本发明的新型综放工作面端头液压支架，具体包括以下内容：

(1)高放低耙主副架型端内过渡支架

高放低耙主副架型端内过渡支架的结构特点：

◆主、副架型：在正常支架后方增加副支架，使后部刮板输送机处于较大空间。

◆低位耙煤：在低位出煤口下方安置“对称转轮倾斜刮板式”耙煤系统，分三段组成：下段与支架底座相连，上段以滑动轮方式铰接在工作面刮板输送机上方，并与中段以转动方式铰接。以适应刮板输送机在不同位置时实现连续耙煤，并使中段倾斜角度不大于25°。

◆高位放煤：在副架顶梁上方设计高位放煤口，设计“前、后对开式槽形”放煤系统，与支架顶梁滑动铰接，以适应刮板输送机在不同位置时的连续放煤。

(2)高放低耙对称架型端头支架

高放低耙对称架型端头支架的结构特点：

◆对称架型：在过渡支架主、副架型的基础上，在巷道区域再增加一个反向的支架部分，组成近似对称方式的端头支架。

◆低位耙煤、高位放煤：与过渡支架原理与数据尺寸基本一致。

◆超前支架：超前支架部分，一方面，起到超前支护的作用，提高端头处理效率和安全性、可靠性；一方面，提高支架的整体稳定性。

采用上述分类方法，综放面端头利于支护、煤炭资源回收率高，安全性强。

附图说明

图1：高放低耙主副架型端内过渡支架示意图；

图2：对称转轮倾斜刮板式耙煤系统示意图；

图3：对称转轮倾斜刮板式耙煤系统剖面示意图；

图4：高放对开式槽形放煤系统示意图(a-放煤口侧视示意、b-放煤口正视示意、c-放煤口立体示意)；

图5：高放低耙对称架型端头支架示意图。

图中符号说明如下：

1-主架                     2-副架                3-前刮板输送机

4-后刮板输送机             5-高位槽形放煤系统    6-低位耙煤系统

7-耙煤转轮                 8-倾斜刮板            9-滑动铰接

10-转动铰接                11-槽形放煤槽         12-前高位放煤口正视示意

13-后高位放煤口正视示意    14-中间架             15-前对称架

16-后对称架                17-对称架底座         18-底座连杆

具体实施方式

本发明的新型综放工作面端头液压支架，根据煤层地质条件及覆岩物理力学参数，具体进行下列步骤：

1.确定支护阻力

对液压支架设计使用起决定作用的力学参数是初撑力和工作阻力。支架的合理支护强度应包括支架合理工作阻力、合理初撑力以及两者的比值。

1)工作阻力

决定支架合理工作阻力的方法主要有：载荷估算法及理论分析法等。

(1)载荷估算

估算法认为支架的合理工作阻力P应能承受控顶区内以及悬顶部分的全部直接顶岩重Q₁，还要承受当老顶来压时形成的附加载荷Q₂，以下式计算：

P＝Q₁+Q₂＝∑h_il_iγ_i+Q₂

式中：

P-支架的合理工作阻力；

Q₁-直接顶岩重Q₁；

Q₂-老顶来压时形成的附加载荷；

h_i-第i层直接顶的厚度

l_i-悬顶距

γ_i-体积力。

工作面的合理支护强度p以下式计算：

$p=\mathrm{\Σh\γ}+\frac{Q_2}{l_m}=\mathrm{n\Σh\γ}$

根据经验数据可知，p＝3.7·Mγ。其中，M为采高。

根据王庄矿情况，M＝6.9m，γ＝24.8kN/m³，按最不利情况计算，则支护强度为：

p＝3.7×7.0×24.8＝642.32kPa

取最大控顶距l_m＝9.0m，工作面所需的支护阻力为：

P＝642.32×9.0×1.5＝8671.32kN

(2)理论分析

砌体梁学说认为，工作面支架的作用应及时支撑控顶区内直接顶岩层，避免直接顶和老顶离层而破碎，同时要对上覆可能形成砌体梁结构的老顶岩层以作用力，用以平衡其部分载荷，不让其沿工作面形成切顶及大量的台阶下沉。

当岩块前端断裂瞬间，为协助相邻铰接岩块实现平衡结构，其关系式为：

式中：

P_H——合理支护强度；

——岩块间摩擦角；

θ——岩块破断角；

H——老顶岩层厚度；

δ——B岩块回转下沉量；

Q——B岩块的重量及载荷。

根据王庄矿具体条件，令岩块间的摩擦系数

δ＝H/6，θ＝0，则来压时由基本顶(老顶)形成的附加力Q₂为：

$Q_2=[2-\frac{3\×15\×0.5}{5\×6.84}]\×15\×6.84\×1.5\×25.2=5205.06\left(\mathrm{kN}\right)$

再考虑支架应承受的直接顶载荷，则支架应具备的工作阻力为：

P＝Q₁+Q₂＝3.29×24.8×1.5×6+5205.06＝5939.4(kN)

综合以上计算、比较及分析，王庄矿综放工作面新型端部液压支架支护阻力应大于8672kN/架。

2)初撑力

初撑力的大小是相对于支架的工作阻力而言的，并与顶板的性质有关。较大的初撑力可以使支架较快的达到工作阻力，防止顶板过早的离层，增加顶板的稳定性。对于不稳定和中等稳定顶板，为了维护端头区及机道上方的顶板，应取较高的初撑力，约为工作阻力的80％；对于稳定顶板，初撑力不宜过大，一般不低于工作阻力的60％，对于周期来压较强烈的顶板，为了避免大面积垮落对工作面动载威胁，应取较高的初撑力，约为工作阻力的75％。

根据王庄矿地质条件，新型端部支架初撑力取为工作阻力的80％，即支架的初撑力取为6937kN/架。

2.结构高度

支架支护高度按开采煤层的结构厚度确定。以王庄煤矿综放工作面煤层自然厚度考虑，取为6.9m，采高为3.0m。

(1)支架的最大结构高度

H_max＝M_max-S₁

式中：

H_max-支架的最大结构高度，m；

M_max-煤层最大采高，m；

S₁-支架前柱处上方的顶板下沉量，取0.1m；

则：H_max＝3.4-0.10＝3.30m

(2)支架的最小结构高度

H_min＝M_min-S₂-a-c

式中：

H_min-支架的最小结构高度，m；

M_min-煤层最小采高，m；

S₂-支架后部上方的顶板下沉量，取0.2m；

a-支架前移时所需的支柱可伸缩量，一般不小于0.05m；

c-支架与煤层顶板之间的浮煤、浮矸厚度，取0.1m；

则：H_min＝2.10-0.20-0.05-0.1＝1.75m

参照国内综放工作面支架使用经验，设计确定王庄矿综放工作面新型端部液压支架最小支撑高度为1.75m，最大支撑高度为3.30m。

3.移架速度及推移步距

液压支架的跟机移架速度必须满足采煤机割煤时的平均牵引速度，即不得低于10.25m/min。

液压支架一个降架、移架、升架循环周期采用下式计算：

t≤60A/V

式中：

t-液压支架完成一个移架循环时间，s；

A-支架中心距，1.75m；

V-采煤机平均牵引速度，10.25m/min。

则：t≤60×1.75/10.25＝10.24s

即液压支架的移架速度应小于10.24s/架。

支架的推移步距应与采煤机的截深相匹配，所选采煤机的截深为0.8m，因此，液压支架的推移步距应为0.8m。

4.底板比压

煤层底板为泥岩，从岩石物理、力学试验成果看，岩石自然状态下抗压强度为20.60MPa，吸水状态下抗压强度为12.1MPa，属于松软到较软底板。

根据本矿井煤层底板情况，所选用支架对底板的平均比压不大于2.2MPa。

5.安全措施

1)单个支架

(1)在保证对顶板有足够支撑强度的前提下，尽量减轻支架重量，以提高稳定性，同时亦有利于支架在工作面的调整和搬家。

(2)增设防倒、滑装置。

(3)适当增加初撑力和工作阻力，尽量降低对底板比压。

(4)底座尽量加宽。

2)端头区域支架整体性

(1)安装活动侧护板

带有活动侧护板的掩护型支架顶梁和掩护梁上的活动侧护板可以起到导向、调架、防倒、防滑的作用。当倾角较大时，需要加大活动侧护板的液压推力，并要采取两侧可活动的结构。

(2)安装导向杆、导向腿、导向轨等机械导向装置

导向杆装在支架的底座上，移架时进行导向，防止走偏。同时，利用相邻支架装设的调架千斤顶，可在移架过程中进行架间调整。导向腿装在相邻支架的底座之间，与输送机或推移梁相连，用以保持支架间距和限制支架的移动方向，并具有一定的防滑作用，多用于整体移动的支架。导向轨装在底座间，移架时，和装在支架上的调架千斤顶一起，起到导向防滑和调架的作用。但要注意的是，在煤层倾角较大时，这几种装置不能完全消除走偏现象，其工作情况取决于导向装置的配合间隙，常需配合液压调架装置使用，才能获得较好的效果。

(3)安装防倒防滑千斤顶

这类装置是利用支架上装设的防倒或防滑千斤顶，在移架时产生一定的推力，以防止支架下滑，倾倒，并进行架间调整。另外，在掩护支架上装设的可活动侧护板，除了用于架间防矸外，也具有一定的防倒、调架作用。

(4)邻架间增设底调

(5)支架顶梁与顶板的接触方式改为单向支撑

在顶梁与顶板之间增设金属网，增强支架稳定性，提高支护效率。

(6)加强工作面标准化生产，使端头支架与工作面中部支架做到“直、平”，增加工作面支架的整体稳定性。

由以上分析，将新型综放工作面端头液压支架的技术参数汇总于表1。

表1新型综放工作面端头液压支架技术参数

Claims (6)

1.一种新型综放工作面端头液压支架，其特征在于：

(1)实现综放工作面端头区域的放煤。

(2)以低位放煤口的“对称转轮倾斜刮板式”耙煤系统实现垮落煤炭的回收，以高位“前后对开式槽形”放煤系统实现架上煤炭的回收。

(3)以“对称架型”端头支架实现端部区域巷道和空间的支护与维护。

2.根据权利要求1所述的综放工作面端头液压支架，其特征在于：以高位放煤与低位耙煤相结合，实现综放工作面端部区域的顶煤回收。同时，实现对端部区域空间的支护与维护。

3.“对称转轮倾斜刮板式”耙煤系统，分三段组成：下段与支架底座相连，上段以滑动轮方式铰接在工作面刮板输送机上方，并与中段以转动方式铰接。以适应刮板输送机在不同位置时实现连续耙煤，并使中段倾斜角度不大于25°。

4.“前、后对开式槽形”放煤系统，与支架顶梁滑动铰接，以适应刮板输送机在不同位置时的连续放煤。

5.对称架型端头支架的超前支架部分，一方面，起到超前支护的作用，提高端头处理效率和安全性、可靠性；一方面，提高支架的整体稳定性。

6.具有较高的稳定性：安装活动侧护板、导向装置、底调和顶调。

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