朱鵬程

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)機(jī)電管理部，山西 大同 037000）

1 項(xiàng)目概況

6.3 m高可靠性大采高電液控制支架是晉能控股煤業(yè)集團(tuán)提出和需要研發(fā)的重型大采高液壓支架，支架型號(hào)為ZY10800/28/63。該液壓支架要求最大高度6.3 m，能夠?qū)? m厚煤層一次性采全高，支架的工作阻力達(dá)到10 800 kN，同時(shí)要求支架的性能達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)，采用自動(dòng)化電液控制，實(shí)現(xiàn)采煤工作面安全、高效、無人化管理，支架主要結(jié)構(gòu)件壽命達(dá)到和超過歐洲CE壓架標(biāo)準(zhǔn)，即鋼結(jié)構(gòu)件循環(huán)次數(shù)40 000次，推移框架循環(huán)次數(shù)25 000次，側(cè)護(hù)板和護(hù)幫板循環(huán)次數(shù)20 000次，實(shí)現(xiàn)工作面年產(chǎn)1 000萬t以上的目標(biāo)。

對(duì)于高度6.3 m支架，目前國內(nèi)外對(duì)該要求的產(chǎn)品的研發(fā)和使用還比較少，設(shè)計(jì)這樣的大采高液壓支架，支架中心距1 750 m，對(duì)支架的自身穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)的合理性有極高的要求。同時(shí)，這樣高工作阻力的支架，支架的重量需要得到控制，保證支架在井下快速推進(jìn)。

2 支架架型的選擇及參數(shù)優(yōu)化

2.1 支架架型的選擇

大采高支架的設(shè)計(jì)，支架選型是關(guān)鍵，選型的依據(jù)是支架工作面的地質(zhì)情況，ZY10800/28/63型支架研制后主要是供給晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同忻礦，當(dāng)前同忻礦主要開采3號(hào)煤層，井下主要開采設(shè)備有電牽引采煤機(jī)、電液控制液壓支架、刮板運(yùn)輸機(jī)、順槽膠帶等。

3號(hào)煤層厚度為4~6 m，煤層中含1~2層夾矸，煤層結(jié)構(gòu)簡單，傾角1°~5°，水文情況簡單，采用全機(jī)械化長壁采煤法開采，一次采全高，頂板管理采用全部垮落法，工作面設(shè)計(jì)生產(chǎn)原煤能力不小于3 000 t/h。

2.2 同忻礦當(dāng)前使用的架型分析

目前，同忻礦在用主要架型為兩柱掩護(hù)式架型，支架高度從3.5~5.5 m，支架工作阻力從7 600 kN到9 000 kN，單一工作面年產(chǎn)量達(dá)1 000萬t以上，產(chǎn)量達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，同忻礦在兩柱支架的應(yīng)用上具有豐富的經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)前對(duì)于6.3 m高可靠性大采高支架架型選型優(yōu)選兩柱掩護(hù)式支架[1-2]。

2.3 支架參數(shù)的選擇

2.3.1 支架支護(hù)強(qiáng)度的選擇

6.3 m支架所應(yīng)用的8309工作面的工況同同忻礦其他掩護(hù)式支架所應(yīng)用的工況相類同，對(duì)于6.3 m支架的支護(hù)強(qiáng)度的選擇應(yīng)等于或大于類同支架的支護(hù)強(qiáng)度，通過對(duì)同忻礦幾種在用支架支護(hù)強(qiáng)度的對(duì)比分析，確定6.3 m支架支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)不低于1.0 MPa。

2.3.2 支架結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇

6.3 m支架配備進(jìn)口重型采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)，輸送機(jī)槽幫寬達(dá)1 342 mm，在這樣的超大設(shè)備配套和超大采高的工況下，支架要解決以下幾個(gè)問題：

2.3.2 .1支架自身穩(wěn)定及重心問題

超大采高支架的穩(wěn)定是首要前提，要保證穩(wěn)定，在支架參數(shù)選擇時(shí)就已開始考慮，首先是支架的底座，支架底座結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理，整個(gè)支架就有了穩(wěn)定的基礎(chǔ)，支架底座的高度L1和L2（見圖1）隨著支架高度的提高應(yīng)相應(yīng)提高，以保證支架底座、連桿及掩護(hù)梁有合理的長度比值，如表1所示。

圖1 支架底座高度示意圖

表1 幾種不同支架底座的對(duì)比情況表

從表1數(shù)據(jù)可知，支架高度越高L2的高度相應(yīng)越高，L1和L2的合理提高從結(jié)構(gòu)上提高了支架的絞接穩(wěn)定。同時(shí)掩護(hù)梁在最大高度和最低高度時(shí)的背角（掩護(hù)梁上平面與水平線的夾角）也是影響支架穩(wěn)定的重要因素，背角過大，支架四連桿機(jī)構(gòu)的縱向水平穩(wěn)定性差；背角過小，掩護(hù)梁承載的面積加大，老頂來壓時(shí)，掩護(hù)粱承載時(shí)產(chǎn)生的水平分力增大，影響支架的穩(wěn)定，大采高支架受此因素影響更明顯。下面是幾種支架的掩護(hù)梁背角對(duì)照情況，如表2所示。

表2 幾種支架的掩護(hù)梁背角對(duì)照情況表

大采高支架重心同樣是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，是支架穩(wěn)定性的要素，通過支架參數(shù)的調(diào)整使重心的位置處于支架底座的中心，保證支架升降的穩(wěn)定。

2.3.2 .2支架的雙扭線選擇

第一，保證支架在升降過程中支架的端面距盡可能保持一個(gè)常數(shù)，難度較大，通常設(shè)計(jì)人員是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)調(diào)整曲線變化。從6.3 m支架在不同高度的參數(shù)及雙扭線變化數(shù)據(jù)可知，雙扭線變化從4~6 m變化范圍為40 mm，近似直線，雙扭線理想。

第二，好的雙扭線可以優(yōu)化支架的受力，6.3 m支架雙扭線的變化從上到下的變化是一條從后到前的變化趨勢，支架受到老頂周期來壓時(shí)，支架頂梁存在一個(gè)向前運(yùn)動(dòng)的趨勢，頂板給支架頂梁一個(gè)向老塘方向的摩擦力，這個(gè)力在最大正壓力的工況下為2 100 kN，立柱傾斜布置產(chǎn)生的分力為1 500~2 680 kN，這個(gè)摩擦力可以抵消或減小由于立柱支撐頂梁產(chǎn)生分力而帶來的支架內(nèi)力。

第三，雙扭線的向前變化所產(chǎn)生的頂板給支架頂梁一個(gè)向老塘方向的摩擦力，這力同時(shí)可以減小和改善支架底座前段的比壓，有利于支架的推進(jìn)。

2.3.2 .3支架立柱位置確定

在大采高支架設(shè)計(jì)中，立柱位置的確定是重要考慮因素，立柱在頂梁的支撐點(diǎn)決定著支架整體的穩(wěn)定及性能。6.3 m支架頂梁立柱支撐點(diǎn)的位置確定是根據(jù)大同礦區(qū)礦壓特點(diǎn)確定的，6.3 m支架頂梁的長度比為2.9，通常這個(gè)比值大小在2~2.7之間；6.3 m支架頂梁2.9的比值是一個(gè)大的比值，這樣支架的設(shè)計(jì)難度加大了，但支架的切頂力可達(dá)到7 476 kN，在老頂來壓時(shí)可有效支護(hù)頂板，實(shí)現(xiàn)工作面安全高效生產(chǎn)。

3 6.3 m高可靠性大采高液壓支架研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性措施

1）底座加寬，長度加長，底板面積加大，從根部保證支架的穩(wěn)定，同時(shí)也可減少底座扎底現(xiàn)象。

2）加大立柱中心距。

3）前、后連桿寬度加寬，增大四連桿的抗扭能力。

4）孔軸間隙減小，減少支架橫向和縱向偏移量。

5）加大側(cè)推千斤頂缸徑，增加支架的側(cè)向調(diào)整能力。

6）頂梁前端采用二級(jí)護(hù)邦機(jī)構(gòu)，防止架前冒頂片幫而造成支架失穩(wěn)。

7）支架合力作用點(diǎn)位向后調(diào)整，保證支架總體穩(wěn)定。

3.2 400 mm缸徑立柱研發(fā)

支架的立柱是支架動(dòng)力的核心，這次6.3 m支架需研發(fā)400 m缸徑大立柱，這對(duì)支架制造單位來說是一次巨大的挑戰(zhàn)和技術(shù)提升。第一，首先需要和國內(nèi)鋼廠合作開發(fā)超大口徑的支架用管材；第二，需要和機(jī)床企業(yè)聯(lián)合開發(fā)出適合加工超大管徑的機(jī)床設(shè)備；第三，需要改造現(xiàn)有的電鍍設(shè)備，以適應(yīng)大型電鍍件的要求；第四，需要采用國際上最好的密封元件。通過努力攻關(guān)目前這些技術(shù)難關(guān)得到一一解決，400 mm缸徑高品質(zhì)立柱順利研發(fā)出來。

3.3 高強(qiáng)度鋼板及超高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用

6.3 m支架從強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)需要，需采用大量的高強(qiáng)度板材及超高強(qiáng)度板材，高強(qiáng)度板的概念過去通常是60公斤級(jí)的Q460板材或是70公斤級(jí)的Q550板材，對(duì)于更高級(jí)別的板材在支架設(shè)計(jì)上從未應(yīng)用。近兩年，國內(nèi)煤炭企業(yè)迅速發(fā)展，對(duì)于強(qiáng)力支架的需求帶動(dòng)國內(nèi)支架制造企業(yè)產(chǎn)品的研發(fā)，目前80公斤級(jí)板材、90公斤級(jí)板材、100公斤級(jí)板材在高端支架產(chǎn)品得到廣泛的應(yīng)用。鄭煤機(jī)集團(tuán)公司研發(fā)的高度鋼板的應(yīng)用和焊接工藝已經(jīng)成熟配套，6.3 m大采高支架的結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)大量的應(yīng)用了80公斤級(jí)、90公斤級(jí)、100公斤級(jí)的超高強(qiáng)度板材。這種超高強(qiáng)度板材應(yīng)用從基礎(chǔ)和源泉保證了支架安全性和可靠性。

3.4 程序化電液自動(dòng)控制

現(xiàn)代化的高端支架需配置先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)，支架的自動(dòng)控制技術(shù)目前在國內(nèi)處于初級(jí)階段，液壓支架的自動(dòng)化電液控制在發(fā)達(dá)的采煤國家得到普遍應(yīng)用，國內(nèi)的高端液壓支架近兩年開始應(yīng)用電液自動(dòng)控制，6.3m大采高支架采用的是電液控技術(shù)，自動(dòng)化控制程度達(dá)到國際先進(jìn)水平。

自動(dòng)化電液控的工作原理及主要功能：采用機(jī)電一體化，根據(jù)采煤工藝編程，實(shí)現(xiàn)液壓支架單架手動(dòng)動(dòng)作、單架自動(dòng)動(dòng)作、成組自動(dòng)動(dòng)作和跟機(jī)自動(dòng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)地面通訊和遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，通過菜單顯示、修改控制參數(shù)并采集諸如壓力、位移數(shù)據(jù)，具有本架閉鎖及故障自動(dòng)診斷顯示功能。通過支架控制器核心器件，控制電液先導(dǎo)閥并通過主換向閥實(shí)現(xiàn)立柱、千斤頂動(dòng)作。系統(tǒng)在電磁閥和控制器上設(shè)有單個(gè)手動(dòng)操作，可實(shí)現(xiàn)本架和鄰架的手動(dòng)操作；工作面控制系統(tǒng)設(shè)有聲音報(bào)警、急停裝置。全工作面在順槽采用集中控制，并通過接口轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)井下、井上通訊[3-4]。

4 結(jié)語

6.3 m高可靠性大采高液壓支架是一個(gè)高品質(zhì)的現(xiàn)代化支架，在ZY10800/28/63支架的研發(fā)過程中，采用先進(jìn)的三維設(shè)計(jì)和有限元分析手段進(jìn)行支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析，同時(shí)得力于新材料、新工藝、新手段應(yīng)用。當(dāng)前ZY10800/28/63支架已在同忻礦8309工作面得到了實(shí)踐應(yīng)用，支架平均采高6.3 m左右，支架的穩(wěn)定性和可靠性經(jīng)受住了井下生產(chǎn)的考驗(yàn)且性能良好，支架選型合理，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。