高河能源ZC8500/22/40型充填液压支架设计

刘少兵

(山西潞安煤炭技术装备有限责任公司，山西 长治 046204)

高河能源为了解决严重的“三下”压煤问题，实现绿色开采，延长矿井服务年限，决定进行充填开采项目试验。充填液压支架既要起工作面承载支撑顶板的作用，又要为割煤、充填工序提供作业空间，同时抵抗充填液压支架后方充填浆料侧向压力、密封煤层顶底板与支架间的间隙，保障人员安全，是影响充填开采效率和安全保障的关键设备，设计合理高效的充填支架尤为重要。

1 采高及工作阻力确定

1.1 支架高度及宽度

选定的3 号充填开采煤层厚度6.2～7.5 m，采用分层平均开采，先采上层再采下层，分层开采厚度 3.1～3.75 m，最大分层开采厚度 3.75 m。参考 MT/T556-1996《液压支架设计规范》规定：液压支架最大高度：Hmax=Mmax+(200-600)；最小高度：Hmin=Mmin-(500-800)。结合液压支架高度参数优选系列，考虑下分层开采和运输的需要，选取液压支架最大高度4.0 m，最小高度2.2 m。匹配刮板输送机溜槽长度选定支架中心距为 1.5 m，支架结构宽度为 1.43～1.6 m。

1.2 支架工作阻力确定

充填开采工作面液压支架一方面对顶板采空区和待充填区进行有效支护，控制充填浆料形成有效支撑前的顶板下沉量；另一方面在充填时，有效抵抗充填浆料的侧压力，保证隔离安全。支架工作阻力根据二者较大值确定：

1) 利用充填浆液侧向力确定工作阻力[1]。充填液压支架与顶板、底板之间的摩擦阻力应大于充填浆料的侧向压力，公式如下：

式中：P为支架工作阻力，kN；ρf为充填浆料密度，取19 kN/m2；L为充填浆料未凝固斜长；L=(Q×h)/(M×B)；f为顶梁顶板摩擦系数，取 0.2；α为工作面倾角，取8°；Lp支架中心距，取1.5 m；M为煤层采高，取最大值3.75 m；Ks为系数，一般为0.6～0.85，本文取0.75；Q为充填泵输送流量，取500 m3/h；h为浆料初凝时间，取2 h；B为充填步距，1.6 m。

将各参数代入上式计算得：P=8 336 kN。

2) 采用倍数岩重法计算。倍数岩重法计算公式[2]：

q=n×M×γ

式中：q为支护强度，kN/m2；M为工作面采高，取3.75 m；γ为岩石容重，取27 kN/m3；n为不同条件下的岩重倍数，取n=7。

经计算：q=708 kN/m2，考虑支护强度1.2倍富裕系数，支护强度确定为850 kN/m2。

支架工作阻力值主要取决于支护强度和支护顶板的控顶面积S。选取S=l×Lp=5.9 m×1.5 m=8.85 m2(l为支架支护顶板长度)，则支架工作阻力P=q×S=7 523 kN。

根据计算结果，同时类比高河能源综放工作面液压支架工作阻力，综合选定支架架型为ZC8500/22/40型充填液压支架。

2 充填液压支架基本结构组成

如图1所示，充填液压支架为四柱支撑式，由顶梁、铰接前梁部分、稳定四连杆机构、尾梁、底座部分、推移机构和隔离板部分等主要结构件组成。顶梁受力通过四连杆传递至底座，是支架的主体结构件；顶梁后部铰接尾梁，可掩护待充填区工人密封隔离辅助作业和支护待充填区顶板；隔离板与顶梁通过连接杆铰接，通过隔离抬升千斤顶动作，可作整体抬升运动，密封顶梁与顶板间隙；下隔离板通过下隔离千斤顶动作密封底座与底板间隙，实现充填区域的整体密封。

图1 充填液压支架基本结构

3 充填液压支架设计要点

1) 隔离密封机构。相比较其它矿井的固体充填，高河能源采用混合浆料充填法，充填液压支架本架与邻架、顶梁与顶板、底座与底板之间都属于硬面接触密封，没有其它辅助措施做不到有效隔离防漏，当混合浆体进入结构件内部凝固后结构就不能正常动作，强制动作将导致支架结构件损坏。因此，特提出了柔性挤压隔离法，该方法原理如图2所示。上、中、下隔离板搭接高度可自动调整，上隔离板上部、下隔离板下部布置柔性材料，进行挤压密封，更好地适应顶底板高低不平，隔离板外挂塑料布实现充填浆料与充填支架的分隔，满足充填工艺需求。

图2 充填隔离原理

2) 柔性密封材料的应用。本次设计充填支架在顶板和底板密封时没有使用调研时岱庄、许厂煤矿使用的一次性密封材料，而是采用可以多次重复利用的纤维材料，该材料强度高、柔性好，破损替换方便，有效防止隔离板与顶板和底板缝隙浆液泄露，隔离辅助工作量少，减轻劳动强度。

3) 特殊的尾梁结构。顶梁后端铰接悬臂尾梁，采用倒梯形结构，移架摩擦阻力小，尾梁在隔离板后面悬长1.4 m，宽度0.7～0.75 m，是支架宽度的一半，设计充填步距1.6 m，实现支架对待充填区及时有效的支护功能。采煤、隔离和充填过程中，尾梁不回转，一直保持对充填区有效支护作用，充填隔离时支架尾梁保持支护顶板状态，没有顶板安全隐患，待充填区也不需要临时单体柱支护。

4) 三级隔离板机构。隔离板由两级向下的伸缩隔离板和底座下隔离板组成。上隔离板通过连接杆与顶梁连接，利用隔离抬升千斤顶升降上隔离板，内带伸缩式中隔离，为顶板隔离创造空间条件，不需要降架隔离；中隔离板伸缩缝口朝下，即使出现个别漏浆，浆液也进入不了隔离板伸缩腔，隔离机构动作不受膏体影响；下隔离板固定在底座后部，沿底座导轨上下滑动，并能承受充填浆液较大的推力。

5) 换向阀操作机构前后分开布置。充分考虑采煤和充填不同工序的需求，将手动换向阀进行前、后分开布置，主换向阀布置在前立柱上，主要负责割煤工序，实现护帮、立柱、推移、前梁、侧护等千斤顶的动作；副换向阀布置在底座后端，主要负责充填工序，实现尾梁、隔离、抬升千斤顶的动作。前后互不干涉，避免人员在支架前后来回走动，提高了安全性，降低了工人劳动强度小。

4 结 语

样架组装完成后相关部门和矿方对其进行了评审，认为支架设计总体技术先进，综合考虑了开采条件、充填面岩移特殊性、地表沉陷控制对充填前顶板下沉量要求，比较好地解决了现有膏体充填支架和隔离方法的不足，能够满足高河煤矿膏体充填开采要求。