7m 液压支架的设计与工业性试验研究

落国祥

（山西王家岭煤业有限公司，山西 忻州 036600）

1 项目概况

厚度7m 左右的煤层在我国有着丰富的储量，分布十分广泛。在神华神东矿区、赵庄矿、王家岭煤矿、安太堡矿以及陕西一些矿区均有7～8m 厚的煤层。在我国已发展采高6m 左右煤层大采高综采成功的基础上，为了进一步加大采高，应尽量实现7m 左右厚煤层见顶见底开采，以真正实现一次采全高，安全可靠实现大采高综采工作面高产高效，促进煤炭科学技术发展，提高矿区开采的经济效益。王家岭煤矿进行了7m 左右厚煤层大采高开采的调查研究，并提出针对22303 工作面煤层赋存条件开发7m 支架，进行以7m 支架为代表的综采成套设备研究，工业性试验结果理想。

2 7m 液压支架的设计及技术参数确定

2.1 支架工作阻力及支架支护强度的确定

根据拟用7m 支架煤层赋存条件的分析，依据大采高液压支架工作面矿压特点和支架工作阻力及支架支护强度确定方法，结合配套断面设计要求，对支架纵向稳定性的优化设计，确定支架工作阻力为17000kN，支架的平均支护强度为1.41～1.44MPa。

2.2 支架结构高度

（1）液压支架：中部支架，ZY17000/32/70D型 掩 护 式 液 压 支 架，139 架； 过 渡 支 架，ZYG17000/29/62D 型掩护式过渡支架，4 架（回风巷、运输巷各2 架）；端头支架，ZYT17000/27/55D 型掩护式端头支架，8 架（回风巷、运输巷各4 架）。

（2）采煤机：最大采高为6.8m，装机功率为3000kW。

（3）刮板输送机：槽内宽1350mm，装机功率不小于3×1200kW。

（4）泵站：单台支架所需流量不小于1500L/min，供液压力不低于31.5MPa。

支架采高由顺槽的4.4m 过渡到中部的6.8m（过渡段的相邻支架间高差为240mm）。运输巷布置4架端头支架、2 架过渡架、1 架中部支架，回风巷、运输巷的支架对称布置。端头支架的工作高度为4.4～4.64m，过渡支架的工作高度为4.88～5.12m，中部支架的工作高度为5. 36～6.8 m。

因此，端头支架的结构高度为2.7～5.5m，过渡支架的结构高度为2.9～6.2m，中部支架的结构高度为3.2～7.0m，支架的高度比较合理，能满足工作面的正常支护要求。

2.3 支架的主要技术参数、性能及结构特点

（1）支架型号：ZY17000/32/70D 型两柱掩护式液压支架（如图1 所示）。

图1 ZY17000/32/70D 型两柱掩护式液压支架

（2）支架高度：3200～7000mm。

（3）工作阻力：17000kN（43.3MPa）。

（4）初撑力（增压后）：12370kN（14923kN，38MPa）。

（5）支护强度（f=0.2，H=5.0～7.0m）：1.41～1.44 MPa（如图2 所示）。

图2 7m 支架不同高度与支护强度的关系曲线

（6）支架中心距：2050mm。

（7）移架步距（有效行程）：865（960）mm。

（8）移架/推溜力：1546/745 kN。

（9） 对 底 板 平 均 比 压（f=0.2，H=5.0～7.0m）：2.77～2.79MPa（如图3 所示）。

图3 7m 支架不同高度对底板比压的关系曲线

（10） 前 端 对 底 板 最 大 比 压（f=0.2，H =5.0～7.0m）：1.79～3.42MPa。

（11）控制方式：电液控制。

（12）单台支架完成一个工作循环时间：理论计算9.21s。

（13）支架宽度：1950～2200mm。

（14）支架单重：不大于63t。

（15）支架 运输 尺寸（长× 宽× 高）：9400mm×1950mm×3200mm。

（16） 立 柱 规 格： 大 缸 外 径/ 内 径，Φ580/500mm（材料27SiMn）（如图4 所示）；中缸外径/内径，Φ465/360mm（材料27SiMnA）；活柱外径，Φ320mm（实心）（材料27SiMn）。

图4 7m 支架立柱结构

通过以四连杆机构受力最小、纵向尺寸最紧凑为目标函数进行充分优化设计。支架前连杆的最大受力为工作阻力的51.5%，后连杆的最大受力为工作阻力的45.5%。前、后连杆的受力曲线如图5 所示。

图5 7m 支架不同高度前、后连杆的受力曲线

2.4 支架主要结构特点

（1）支架采用整体顶梁带1100mm 的伸缩梁结构形式，并设有增压增力复合三级护帮机构，伸缩机构和护帮机构互相独立。

（2）每个立柱下腔上设两个安全阀，一个流量为500L/min，另一个流量不小于2000L/min，提高立柱的反应速度和抗冲击能力。考虑目前国外该阀现状，建议采用两个流量为1350L/min 的安全阀。

（3）支架设3 个人行通道，即立柱前、立柱后部的上下通道。其中，立柱后部下通道宽大于600mm，高2000mm；立柱后部上通道宽大于600mm，带护栏，每隔5 架和两端设置上下过渡梯。

2.5 过渡支架和端头支架的情况

过渡支架和端头支架的结构形式和中部支架类似，只是根据配套使用情况将支架的结构高度、顶梁长度、顶梁形式等做相应调整。

3 7m 支架的工业性试验研究

3.1 工作面概况

王家岭煤矿22303 工作面埋深129～280m，基岩厚度为120～250m，顺槽掘进时留有顶煤沿底板掘进。直接顶厚0.96～4.2m，以粉质泥岩为主；直接底厚0.85～15.25m，以泥岩、粉岩为主。以王家岭煤矿22303 工作面为开采对象，设计7m 支架综采成套设备进行初步工业性试验。

3.2 工作面综采成套设备选型

22303 工作面长301m，推进长度为4965m，共使用152 台支架。其中机头机尾端头架使用ZY12000/28/55 型液压支架7 台，机头机尾过渡架使用ZY12000/28/63 型液压2 台，中部使用ZY16800/32/70 型液压支架143 台。工作面采煤机为JOY 公司7LS7 型采煤机，工作面运输设备为DBT3×1000型刮板输送机，中部槽为西北奔牛1.2m槽宽、2.05m长中部槽，配套DBT公司522型破碎机，带式输送机选用SSJ160/400/3×500 型带式输送机。

3.3 工业性试验及效果分析

王家岭煤矿22303 工作面于2016 年12 月31日投入生产，采取一日三班工作制，白班检修4h，生产4h，中班和晚班各生产8h。初步试验累积推进400m，过煤量为110×104t。

该工作面试验期间采高为6.2～7.0m，采煤机牵引速度为5m/min，每刀煤约2200t，最高日产2.2×l04t。经矿压观测得知：工作面推进距开切眼63m 时，顶板初次来压，支架下缩量大，最大下缩量位于第102～131 架之间，其下缩量高达1.2～1.3m；周期来压步距为13～17m，压力相比采高6.2m 时无明显变化。

ZY16800/32/70 型液压支架基本满足7m 工作面使用要求，但是该支架也存在以下问题：护帮、伸缩梁动作慢；护网不可靠；一级护帮油缸不易更换；部分油缸接头座、阀座、主进回液管焊接质量差。这些都需要在以后的设计中进行改进。