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两柱掩护式低位放顶煤液压支架及其在“三软”煤层条件下适应性研究摘要：阐述了目前国内放顶煤液压支架的现状及存在的问题，分析了两柱掩护式低位放顶煤液压支架在“三软”煤层应用的可行性，最后指出了两柱掩护式低位放顶煤液压支架的研制及应用推广情况。关键词：两柱放顶煤支架“三软”煤层研究综采放顶煤开采技术是近十几年来在我国迅速发展起来的开采特厚煤层的一种新型采煤方法。因其具有生产效率高和生产成本低的特点而在我国得到了突飞猛进的发展和广泛地普及，多数采用综放开采技术的矿井都取得了良好的经济效益。随着研究的不断深入和发展，综放开采技术已越来越广泛地应用于各种煤炭开采条件，已成为我国特厚煤层开采矿井实现高产高效的技术发展方向。一、放顶煤液压支架的现状及存在的问题综采放顶煤液压支架经过了高位放顶煤液压支架、中位放顶煤液压支架发展到当今普遍采用的低位放顶煤液压支架，针对不同的煤层地质条件出现了很多型式的放顶煤液压支架架型。放顶煤支架除支护顶板（顶煤）并掩护工作面空间外还是主要的顶煤开采设备，放顶煤工作面的顶煤相当于单一开采工作面的直接顶，随着工作面和支架的推进，顶煤被不断地甩到液压支架的尾部并垮落，单一开采工作面由于煤层较薄直接顶垮落后可以对采空区进行了较为殷实的充填，而放顶煤开采工作面煤层厚，垮落的顶煤经放煤机构回收后，靠近支架尾部的采空区得不到有效地充填。因此，放顶煤支架当顶梁后部顶煤冒空后，矿山压力只能从顶梁经整个支架向底板传递，而支架的尾部（掩护梁、尾梁）基本上不承受矿压的作用。另外，适宜放顶煤的煤层一般都属中软煤层，采煤过程中由于顶板压力的作用以及支架顶梁多次反复支撑使控顶区的顶煤的完整性遭到了破坏，煤体内的裂隙和弱面密度增加，顶煤的整体强度明显降低。顶煤1在顶梁尾端的垮落角大于90°，顶煤体呈梯形状，如图1所示。顶板压力和顶煤自重等外载在支架顶梁上的分布状态呈图1(a)中的曲线所示，外载合力位置在支架顶梁的前部。四柱液压支架的支撑特性如图1(b)所示，在前后柱之间支架有最强的支撑力和支撑效率，当外载合力作用位置超出前后柱间区域时，支架的支撑能力大大降低。以上分析表明四柱放顶煤液压支架的支撑特性与顶板压力的分布特性不能较好地匹配，外载合力前移（向煤壁）与支架有效支撑阻力位置的滞后相矛盾，使支架与顶板的相互作用状态发生变化，前柱压力增加，后柱压力释放，甚至出现拉后立柱现象。此时，支架的支护能力显著下降，底座前端对底板比压增加。大量文献表明目前国内使用综采放顶煤液压支架的架型大都是四柱支撑2式，同时文献中也反映四柱支撑放顶煤支架在与围岩的相互作用中普遍存在前后排立柱受力不均衡现象，一般表现为前排立柱受力大，后排立柱受力小，甚至出现后排立柱受拉的现象。这种现象表明四柱支撑放顶煤支架对开采条件和开采方法存在不适应问题。在这种工况下，支架的支护能力不能有效发挥，有效支护强度大幅度减小，底座前端对底板比压增大，支架的力学特征恶化，严重时会影响工作面的正常生产和安全。二、两柱掩护式低位放顶煤液压支架可行性分析虽然放顶煤液压支架在结构和功能上有别于其它类型的液压支架，但其工作特征与其它支架基本上是一样的，只是支架与围岩的作用机理或矿压作用在支架上的表现特征有所不同。四柱支撑式放顶煤液压支架存在的以上问题，而两柱掩护式液压支架架型由于平衡千斤顶的作用使得这种支架架型对各种煤层条件都有较好的适应性。因此不论国内还是国外在单一煤层一次采全高的综合机械化长壁工作面采用两柱掩护式液压支架是支架选型的主要趋势。三、合理的架型设计河北金能显德汪矿1193工作面9#厚煤层的特点：1、煤质松软，采动后露裸表面易松动垮落；2、顶板完整性较差；3、底板软。该工作面属于三软煤层工作面。基于四柱支撑式放顶煤液压支架存在问题的分析和两柱掩护式液压支架对煤层条件的良好的适应性，为解决显德汪矿在三软厚煤层地质条件下的放顶煤开采和支架选型设计问题，提出研制两柱掩护式放顶煤液压支架的设计思路。为适应显德汪矿1193工作面9#厚煤层开采的需要，邢矿集团机械厂联合西安科技大学经过具体分析和充分研究的基础上，设计了ZF2800/15/24型两柱掩护式低位放顶煤液压支架（图2），并配备齐全的防倒、防滑、抬底及底3调装置，以适应三软煤层条件下开采，并提高煤矿综合机械化开采能力。ZF2800/15/24型两柱低位放顶煤液压支架主要技术参数及主要配套设备：1、型式：两柱掩护式2、高度：1500～2400mm3、宽度：1410-1580mm4、中心距：1500mm5、初撑力：2326kN6、工作阻力：2800kN7、支护强度：0.505MPa（平均）8、底板比压：1.15MPa（平均）9、尾梁最大摆转角度：50°10、操纵方式：邻架控制（先导式）11、运输尺寸（长×宽×高）：5720×1410×150012、总重：13.2t13、主要配套设备：①采煤机：MXG-350机组②刮板输送机：SGZ-630/2204四、两柱掩护式低位放顶煤液压支架创新点及技术关键1、支架最大支撑合力作用点相对靠近煤壁，能与顶煤作用下的矿山压力较好地相适应；2、在平衡千斤顶的作用下，顶梁上的有效承载区较宽，适合于在较松软的煤层中使用；3、纵向控顶范围较短，减少了顶梁对顶煤的反复支撑次数，在同支护强度下，支架重量较轻，更经济；4、立柱前倾斜布置，前部与输送机间有较宽敞的人行通道，后连杆、尾梁及伸缩插板在后部形成较大的放煤和过煤空间；5、顶梁采用带伸缩梁结构，结构紧凑。五、应用推广情况ZF2800/15/24型两柱掩护式低位放顶煤液压支架自2006年9月在显德汪矿1193工作面应用至今，先后经历了仰采、俯采、局部搬家、调采、过断层、过老巷、带采等一系列复杂条件的考验，目前已安全生产商品煤47万吨，最高日产3375吨，月产稳定在5万吨以上，取得了较好的经济效益。在工业性试验期间，支架放煤机构运动灵活可靠，实现了快放快关功能；支架立柱、千斤顶及液压阀件动作可靠、不漏液；支架箱型结构件抗冲击载荷能力大，强度高；支架参数选择合理，稳定性好。煤矿及公司领导对显德汪矿在应用两柱放顶煤支架取得的效果给予了充分的肯定。两柱掩护式放顶煤液压支架在显德汪矿的成功应用，说明根据该矿的煤层赋存条件，在支架选型方面是正确的。通过开采实践，摸索出了一套使用两柱低位放顶煤支架开采“三软”厚煤层的宝贵经验，推广前景广阔，对同类煤层开采具有重要指导作用。5六、结论ZF2800/15/24型两柱掩护式低位放顶煤液压支架创造性的构思和科学的设计制造为进一步推广放顶煤开采技术成功地开发了一种新型的架型结构，同时摸索出了一套使用两柱低位放顶煤支架开采“三软”厚煤层的宝贵经验，实践证明这种思路是正确的，两柱掩护式放顶煤支架完全适应放顶煤开采条件，具有良好的适应性。该架型的研制填补了本集团公司乃至河北省煤炭行业的一项空白，具有深远的社会意义。