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第三节放顶煤液压支架放顶煤液压支架的发展和架型选择一、放顶煤支架架型的发展和演变放顶煤支架是随着放顶煤开采方法应运而生的，综合机械化开采运用到放顶煤开采工作面后，使放顶煤开采技术进入了一个新的发展阶段。由于工作面由液压支架实现可靠、快速的支护，采用采煤机或刨煤机采煤，放顶煤作业在安全、可靠的工作条件下进行，从而使工作面产量有明显的提高。近年来，综采放顶煤技术在我国得到迅速发展和广泛普及，综采放顶煤采煤法正成为一种高产高效采煤方法。1957年，前苏联研制出KTY型掩护式放顶煤液压支架，并在库兹巴斯煤田的托姆乌辛斯克矿使用，开采该矿的2号和4—5号煤层。煤厚为9～12m，煤层倾角5—18°。该放顶煤工作面为预先开采顶层煤铺设人工假顶，然后再采底煤，采用具有单输送机的KTY掩护式放顶煤支架回收顶煤()其开采过程如图11—1所示。1963年法国研制出用于放顶煤开采的支撑掩护式放顶煤液压支架，如图11—2所示，•并且于1964年在布朗齐矿区试验成功。该支架为四柱式，尾梁呈“香蕉”形，其摆动角度由千斤顶控制，配有两台输送机，第二台输送机安置于尾梁后部的底板上。采煤时，支架上面铺网．冒落顶煤通过尾梁后面网上的开口装入第二台输送机。支架的主要技术特征见表11—1。•自70年代开始，法国、前西德、英国等国家陆续研制成功了“开天窗”的支撑掩护式或带插板的支撑式放顶煤液压支架。英国研制的开“天窗”式放顶煤支架如图11—3所示。•该支架在掩护梁上开了。放顶煤“天窗”，由液压千斤顶控制开关，“天窗”附近装有搅动杆，以便于冒落顶煤，掩护梁上还有钻眼孔，供煤硬不落时打眼放炮。第二台输送机安置在支架后部底座上。•法国针对“香蕉”尾梁式放顶煤支架存在的问题，先后研制哎功MB17X28S、FB21×30S型放顶煤液压支架，如图11—4、图11—5所示。技术特征见表11—2MB17X28S放顶煤液压支架为四柱掩护式。•掩护梁通过液压千斤顶控制进行伸缩，便于顶煤冒落装煤：第二台输送机放置在底板上。FB21×30S型放顶煤液压支架为四柱支撑掩护式，掩护梁上面没有落煤窗口，由液压千斤顶控制其开关，落煤窗口内装有一个液压控制的搅动杆，有助于破碎大块煤，并有助于顶煤冒落操作。掩护梁上还有圆孔，用以通过此孔将管子伸向采空区，以便输送氮或泡沫。掩护梁无四连杆机构，而直接与支架底座的尾端相铰连。在顶梁、掩护梁的侧护板及落煤口处装有若干喷嘴，以便喷水除尘。第二台输送机放在支架后部的底座上。•MB17X28S和FB21X30S型放顶煤液压支架分别代表了插板式和开“天窗”式放顶煤液压支架的结构特点。这两类支架都配有双输送机运煤，滚筒采煤机采煤，然后由掩护梁上的窗口或插板放出顶煤。这两类支架的主要区别是：插板式放顶煤液压支架重量较轻，后部空间大，易于排放大块煤，而且输送机置于煤层底板上，便于维修。“天窗”式放顶煤液压支架重量较大，支架整体稳定性好，放煤输送机置于支架底座之上，便于推移和放顶煤。•80年代初期，匈牙利研制成功单输送机前开“天窗”式放顶煤掩护式支架，结构如图1l—6所示，机采煤炭与放落顶煤均用此单输送机运输，在实际运用中，取得了良好的效果。•1982年，煤炭科学研究总院北京开采研究所与沈阳煤炭研究所共同设汁，郑州煤矿机械厂制造的FY400—14／28型放顶煤液压支架是我国首次研制成的放顶煤支架。1984年，在沈阳矿务局蒲河矿投入试验，开始取得了较好的效果，后来因支架稳定性差，工作面发火，中止了试验。虽然没有取得预期的效果，但人仃1已经看到了这种新型支架的前景，从此拉开了设计、研制放顶煤液压支架的序幕，经过我国煤炭科技工作者十几年的辛勤努力，研制•成功数十种放顶煤液压支架。兖州矿务局东滩煤矿使用国产放顶煤液压支架刨造了年产斗10万t高产高效纪录，这标志着我国放顶煤液压支架的设计、制造走在了世界前列。•我国放顶煤液压支架发展从低位放顶煤液压支架的研制开始，经历了高位、中位放顶煤，现在又回到低位放顶煤。最初的放顶煤支架采用的是低位放煤，代表架型是FY400—14／28型放顶煤液压支架，结构如图11—7所示。1987年平顶山矿务局引进了匈牙利VHP—732型放顶煤支架，该支架在缓倾斜工作面试验，最高月产达5．5万t，获得了成功。随即我国研制成高位放顶煤液压支架，结构如图11—8所示。由于其放煤口高、放煤口小，存在顶煤损失大、放煤与采煤机割煤不能平行作业、效率低等缺点，目前除了在个别矿使用外，已基本淘汰。•80年代末至90年代初，我国研制出中位放顶煤液压支架，结构如图11—9所示。这种支架比单输送机高位放顶煤支架有所改进，有两部输送机，割煤、放煤可以平行作业，提高了效率，放煤口比高位放顶煤支架有所降低。随着放顶煤实践的深入，中位放顶煤支架也暴露出一些突出的缺点，主要是放煤口仍然较小，受结构限制，放煤口不能连续，有脊背损失，采出率低，后部空间狭小，维修和清理浮煤不方便，底座前端比压大等。针对中位放顶煤液压支架存在的问题，我国又研制出低位放顶煤液压支架，结构如图11—10所示。早期的低位放顶煤支架是由铺网支架演变而来的，其基本结构和铺网支架类似，只是尾梁加上了插板，用于放煤。低位放顶煤液压支架是目前使用效果较好的架型。北京开采研究所在认真总结综采放顶煤技术成果，分析研究各种放顶煤支架特点和使用经验的基础上，研制出新一代反向四连杆低位放顶煤支架，它是一种结构更加合理，用途更加广泛的新架型。二、高位放顶煤液压支架的特点和适应性•高位放顶煤液压支架是指单输送机、短顶梁、掩护梁开天窗高位放顶煤的掩护式支架，我国已投入使用的这类支架有FYD440—26／32型、ZYF4000—17／32型放顶煤液压支架，结构如图11—11和图11—12所示，技术特征见表11—3。1．高位放顶煤液压支架的特点•(1)支架结构简单，采煤机割的煤和放落的顶煤由一部输送机运出，端头维护空间小，整个工作面设备布置与普通长壁工作面相同，便于维护管理，减少事故发生点。•(2)支架的长度较短，结构紧凑，稳定性和封闭性都较好。•(3)掩护梁放煤口尺寸较大，有利于顶煤的放出，但放煤口位置高，煤炭损失大。•(4)由于顶梁短，放煤口位置距煤壁较近，因此，对煤层冒放性的要求较高。一方面要求梁端顶煤要完整，不冒顶、不片帮；另一方面，在顶梁后即是放煤口，要求顶煤破碎，能顺利放出。•(5)在放煤状态时放煤槽与底座夹角是35°，难以达到40°。试验表明，在钢质表面，干燥的散煤安息角约25”，如果遇上仰采，当仰采角度为10‘时，就开始出现放煤流动不畅，向左右溢出，大部分落在输送机采空侧，严重影响放煤工序的进行和顶煤的运出。•(6)支架在放煤时，正常行人通道基本上被切断，减少了工作面安全出口。•(7)由于是高位放煤，煤尘很大，但支架通风断面小，使得防灭尘工作量大，要求高。•(8)采、放同用一部输送机，本架不能前、后平行作业，影响产量的提高。•高位放顶煤液压支架可分为插底板式单输送机放顶煤液压支架和不插底板式单输送帆放顶煤液压支架。插底板式单输送机放顶煤液压支架底座长，底板比压分布均匀，前端比压小，俯采也能适应。但是，增加设备配套的复杂性和事故率，而且，由于支架底座插在输送帆下面，抬高了溜槽，装煤效果不好，只好增加采煤机跑空刀工序来装煤，不利于产量的提高，放煤状态时无行人通道。不插底板式单输送机放顶煤液压支架前端对底板比压大，特别是在较大截深时，要求底板坚硬。使用这种支架，采煤机装煤效果好，提高了有效工作时间；放煤状态时人行道基本畅通，通风断面大。2．高位放顶煤液压支架适应性•高位放顶煤液压支架顶梁短，在软煤层中使用有可能因顶煤冒空使顶梁失去有效的支撑，而且作为掩护式支架，前端对底板比压大，尤其是不插底式放顶煤液压支架，易发生扎底，因此，高位放顶煤液压支架主要用于缓倾斜厚煤层中。在急倾斜煤层条件下，矿山压力较小，煤的冒放性好，且不易发生片帮，在水平分段使用高位放顶煤液压支架是可行的，不适合在软煤层中使用。高位放顶煤液压支架对以下地质条件比较适应：•(1)煤层硬度系数f=1．5—2，煤的层节理比较发育；•(2)煤层厚度不宜太厚，以6—8m为宜，以利于顶煤的破碎。如果煤层节理裂隙发育良好，开采厚度可以增加。•(3)布置工作面和制定采煤工艺时，避免仰采或减小仰采，使仰采角度不大于10°，保证顺利放煤。•(4)底板抗压入强度较大，顶板能随采随冒，保证工作面推进速度和较高的采出率。•由于高位放顶煤支架对复杂煤层条件的适应性差，以及结构上不可克服的缺陷，该种支架目前已很少使用，属于已被淘汰的架型。三、中位放顶煤液压支架的特点和适应性•中位放顶煤液压支架是指双输送机运煤，在掩护梁上开放煤口，中位放煤的支撑掩护式液压支架。已投入使用的中位放顶煤液压支架，单铰接式的有ZFSG4400／16~8型放顶煤液压支架，四连杆式的有FYC400／16~8型放顶煤液压支架，结构形式如图1l—13和图11—14所示，技术特征见表1l—4。1．中位放顶煤液压支架的特点•中位放顶煤液压支架曾经是我国使用较广泛的放顶煤液压支架，其特点如下：•(1)支架稳定性和密封性好，抗偏载和抗扭能力大，不易损坏。•(2)放煤口距煤壁较远，有助于工作面前方顶煤的维护。支架顶梁长，有利于反复支撑顶板，增加顶煤的破坏程度。•(3)由于采、放分别使用两部输送机，可以实现平行作业。•(4)受放煤口尺寸的限制，架与架之间有三角煤放不下来，即所谓“脊背损失”，同时放煤口容易发生大块煤堵塞现象，放煤效率较低。•(5)后输送机放在支架底座上，后部空间有限，大块煤通过困难，并且移架阻力较大。•(6)掩护梁不能摆动，二次破煤能力差。中位放顶煤液压支架又分为四连杆式和单铰接式，四连杆式支架的最大特点是，支架在调高范围内，顶端的运动轨迹为双扭线，其水平方向的变化量很容易控制在100mm以内，这使支架在调高幅度较大的情况下能有效地控制梁端距。同时．在帧斜煤层条件下．四连杆机构的抗扭性能要优于单铰接机构。单铰接式支架的顶端运动轨迹是—条圆弧，在支架调高范围内，顶端的运动轨迹变化比较大，可达到500mm以上，故在普通综采支架上基本不用，但在放顶煤开采条件下使用，因为其机采采高变化不大，所以，在此高度范围内，梁端距变化不大，从而发挥了结沟简单，封闭性和稳定性好的长处，而且与四连杆机构相比，后部输送机具有较大的过煤和维修空间。2．中位放顶煤液压支架的适应性•中位放顶煤液压支架的适应性较强，在各种煤层条件下均有成功的实例，取得了良好的技术经济效益，普通的缓倾斜中硬厚煤层都可选用中位放顶煤液压支架，特别是在矿压显现剧烈．有悬顶危险的条件下，中位放顶煤液压支架适应性较好。在软底板条件下，由于支架底座前端比压大，易出现“扎底”现象，移架困难：目前，中位放顶煤液压支架已逐渐波低位放顶煤液压支架取代，原有的中位放顶煤液压支架除了——部分还在使用外，有的玻改造，有的已报废四、低位放顶煤液压支架的特点和适应性•低位放顶煤液压支架是—种双输送机运煤，在掩护梁后部铰接—个带有插扳的尾梁，低位放煤的液压支架，一般为四柱支撑掩护式，这类支架有一个可以上、下摆动的尾梁(摆动幅变45°左右)，用以松动顶煤，并维持一个落煤空间。尾梁中间有——个液压控制的插板，用以放煤和破碎大块煤，具有连续的放煤口。已投入使用的代表性低位放顶煤液压支架：肓小插阪式的ZFSB3600/17/28型放顶煤液压支架，大插板式的ZFSB4000/17/28型放顶煤液压支架，结构如图1l—1．低位放顶煤液压支架特点•低位放顶煤液压支架的原始形式是FY400／14／28型放顶煤液压支架，经过在放顶煤实践中不断探索和改进，现在发展成以ZFSB3600／17／28型放顶煤液压支架为代表的低位小插板放顶煤架型和以ZFSB4000／17／28型放顶煤液压支架为代表的反向四连杆式低位大插板放顶煤架型。这两种架型适应性强，是目前放顶煤的主导架型，具有良好的推广前景，主要特点如下：•(1)由于放煤口低并且连续，放煤效果好，没有脊背损失，采出率高：•(2)和其它放顶煤支架梁型相比，从煤壁到放煤口的