大采高超前液压支架结构设计及应用

芦丽婧

（晋能控股集团大同泰宝密封有限公司，山西 大同 037305）

1 基本概况

煤峪口矿4302 工作面位于下二迭统山西组三段下煤层中，与4306 为平行的两个工作面，相距约400 m。总体是沿平面分布的灰色中砂岩，其厚度区间在19～54 m，平均厚度为36.5 m。直接顶厚度在1.6～5 m 之间。4302 工作面皮带槽断面尺寸宽4.4 m、高3.2 m，其轨道槽断面尺寸宽4.2 m、高3.5 m。其煤层厚度不一，区间在3.6～5 m，平均厚度为4.3 m。煤层普氏硬度f=1～3，沿巷道倾角在1°～ 9°之间，平均倾角为4°。随着工作面的推进，在发生初压和周期压后，基本顶发生断裂，悬吊梁长度不断增加，其重力也随之增加，导致巷道严重变形，发生侧倾现象，巷道内煤柱和煤壁有不同程度破坏。超前液压支架需要不断地对巷道顶板进行支护，顶板变形断裂将严重影响支护效果[1]。因此，有必要为巷道设计更好的支护方式，提高支护作用，保证安全高效生产。

2 超前液压支架总体方案设计

由于煤峪口矿4302 工作面中超前支架的位置不一，所以支架与支架间结构也不一样，结构差异造成液压系统也随之变化。为了易于煤矿巷道的支护工作，选择型号为FHD320（40）/31.5 的换向阀作为超前支架液压控制系统的电控部分。超前液压支架可帮助立柱千斤顶实现推移和升降功能。除推移和立柱千斤顶为电控外，其余千斤顶均为手动实现（如：调梁千斤顶，后调架千斤顶，内、外侧护千斤，底调架千斤顶等），选用换向阀型号为FHS80/31.5Z[2]。

超前液压支架的结构是“一主两副”，一主指的是主架，两副指的是两个副架底座。支架的顶梁为铰接结构，由于顶底板厚度不均匀，铰接结构能够帮助支架达到更好的支护效果。顶梁的运动轨迹为“双纽线”，可使支架所占空间更小。超前液压支架共有八根立柱千斤顶作为支撑，主架有四根，每个副架有两根；支架上设置有四根连杆保证稳定性，可以抵消水平力对超前液压支架带来的影响。支架副架的后顶梁上安装有伸缩梁或挑梁千斤顶，实现了支架控顶面积的增加。顶梁内侧和外侧分别安装了护顶板，边侧护板收起时向下垂直，打开后挑平。轨道顺槽内的超前液压支架当中的空间可供设备附件通过及人行走，设备运输时要将底调千斤顶拆除。轨道顺槽超前液压支架远离机尾端，用锚固支架代替链条和推移拖架。锚固支架的中间设置四连杆机构，其底座与顶梁为整体结构，推移千斤顶的步距为1.7 m。

3 大采高超前液压支架结构设计

3.1 超前液压支架顶梁设计

工作面支架设计与超前液压支架不同，支架支护方式为并排支护，超前液压支架支护方式不是并排方式，而是在横向使用单架的方式对顶板进行支护。为了防止支架出现不协调，不平衡的状况，要加强其关联性。因此，在顶梁的设计中，应尽量降低顶梁承受的重量[3]，同时要保证顶梁强度。矿井罐笼的最大承重为20 t，允许进入的设备附件最大尺寸为高2.5 m、长2.7 m、宽1.5 m，允许运输的零件最大长度约为4 m，而超前液压支架的单架长度约为11 m。为保证超前液压支架能进入罐笼，分析其结构特点，设计为“一主两副”结构，主梁支护约4 m，前副梁2.7 m，后副梁3.3 m，总长约10 m。顶梁为分体式，中间连接的是调架千斤顶，宽度可按照顺槽变化进行调节，宽度为0.65 m，顶梁调架千斤顶行程为0.86 m，顶梁两侧的侧板支撑场板，顶板总支撑宽度为2.77 m。

3.2 超前液压支架底座设计

与顶梁设计类似，为了防止支架出现不协调、不平衡状况，设计超前液压支架底座时，将支架底座高度设计为1.5 m，保证其稳定与关联性，采用分体式铰接结构。底座总长度8.15 m，主座3.66 m，前底座2.39 m，后底座2.1 m。推移千斤顶的作用是连接不同的架子，底座短于顶梁长度的部分是为了给推移千斤顶预留移动空间，分体式底座之间的连接是通过底座调架千斤顶执行。调架千斤顶行程为0.6 m，底座设计宽度1.1 m，底座总宽度为3.22 m。底座需要留下很多空间，便于人员及附件设备的通过及设备的安置。超前液压支架底座设计特征能达到顺槽对支护的需求。

3.3 超前液压支架立柱设计

单伸缩立柱自动化程度低，配有加长杆立柱，根据立柱伸缩比，其不能满足超前液压支架的支护需求。选用型号为ZCZ15000/24/45 的迈步式超前液压支架，可以满足支护需求，采用的是双伸缩立柱[4]，最大支架高度Hmax为4.5 m，最小支架高度Hmin为2.4 m。

顺槽支护中的重点受力来自垂直于水平线的方向，水平力小，重点造成机构来自立柱。立柱支撑过程中与竖直方向的角度设计为3°～7°，帮助立柱承载更大的垂直力。顶梁与底座的每个支架采用8 根立柱，采用铰接结构，角度向外倾斜，可平衡水平力。每根立柱受力为1875 kN，选用双伸缩立柱，立柱最大长度3.81 m，全部收缩长度1.72 m，行程2.1 m，其外缸内径0.25 m，外径0.3 m，中缸1.33 m，外径0.2 m，内径0.16 m。

3.4 超前液压支架推移机构设计

顺槽内空间开阔，超前液压支架的推移装置放置在两个支架间，仅通过推移千斤顶连接。为了实现更有效的移架，在设计超前液压支架时，选取的千斤顶缸径为Φ230 mm[5]。

4 应用分析

为了测试上述设计方案的可行性，在4302 工作面的两个顺槽内安装了超前液压支架并进行调试，型号为ZCZ15000/24/45。4306 工作面的支护采用的是单体液压支柱，在各个顺槽中距离煤壁100 m 处布置固定观测站，观察两个工作面的支护效果，并进行分析和对比。在观测开始时，顺槽移近量不大，观测频率也不用过高。随着煤矿的不断开采，工作面断面的移近量也不断增大，观测频率也随之增加。图1 ～图4 为四个断面的收敛形图。

图1 4302 工作面轨道顺槽断面收敛形图

图1、图2 为4302 工作面的两个顺槽断面收敛图，前者为轨道顺槽，后者为皮带顺槽。可以看出，两个断面顶底和两帮的移近量不大。图1 的顶底板和两帮的移近量分别为28 mm、17 mm，图2 的顶底板和两帮的移近量分别为33 mm、23 mm。

图2 4302 工作面皮带顺槽断面收敛形图

图3、图4 为4306 工作面的两个顺槽断面收敛图，前者为轨道顺槽，后者为皮带顺槽。可以看出，轨道顺槽顶底板和两帮的移近量分别为67 mm、56 mm，皮带顺槽顶底板和两帮的移近量分别为82 mm、80 mm。两个工作面的增长率类似，但在距煤壁20～40 m，两帮移近量增长率小于顶底板的，在20 m 范围内，顶底板移近量增长率小于两帮的。

图3 4306 工作面轨道顺槽断面收敛形图

图4 4306 工作面皮带顺槽断面收敛形图

经过对两个工作面的观测得出，在距煤壁40 m处，顺槽断面移近量会有明显变化，为确保支护安全，需要对支护设备展开安全检查。顶底移近量增长率变化小，顶底移近量的增长率会直接影响到两帮，增长率从小到大。若出现两帮移近量很大状况，两帮可能会出现片帮现象，就需要对两帮进行支护。4302 工作面采用的超前液压支架的移近量明显低于4306 工作面。特别是4306 工作面的皮带顺槽顶底最大移近量为88 mm，可能是有转载机和其他大型设备，单体液压支柱无法支撑顶板，单体液压支柱数量减少，支撑力差的原因，导致断面收缩增加。

5 结论

1）使用“一主两副”迈步式的超前液压支架作为巷道的支护，满足了顺槽煤层赋存条件，保证超前液压支架与端头液压支架合理的配合，对往后的设计具有指引作用。

2）工作面支架支护方式为并排支护，超前液压支架在横向使用单架方式对顶板进行支护，因为超前液压支架之间稳定性较差，为了防止支架出现不协调，不平衡的状况，在超前液压支架设计中增大底座尺寸，来降低其重心，加强稳定性。

3）通过应用分析得知，采用超前液压支架支护工作面两帮和顶底移近量都低于单体支柱的移近量，在距煤壁40 m 处，顺槽断面移近量有明显变化，顶底移近量增长率变化小，两帮的移近量增长率由小变大，说明超前液压支架可以满足两顺槽的支护需求。