大采高綜放開采使工作面一次可采厚度最高達(dá)到20m,，工作面生產(chǎn)能力突破1000萬t/a,。大采高綜放的技術(shù)核心是大采高綜放液壓支架，本文重點(diǎn)介紹國家科學(xué)進(jìn)步一等獎(jiǎng)項(xiàng)目,，“十一五”國家科技支撐計(jì)劃課題《特厚煤層大采高綜放開采關(guān)鍵技術(shù)及裝備》的核心內(nèi)容——5.2m大采高綜放液壓支架的設(shè)計(jì),，該大采高綜放液壓支架將綜放工作面割煤高度由當(dāng)時(shí)的小于3.5m加大到小于5m。

1,、大采高綜放工作面概況

塔山煤礦3～5#層8105工作面為大采高放頂煤工作面,，工作面設(shè)計(jì)長度207 m；工作面走向長度為2800 m,；煤層厚度變化范圍11.7 m～15.39 m,，為極復(fù)雜煤層，5～14 層夾石,，煤層硬度中等以下,；直接頂為細(xì)－中砂巖，厚4.96 m～8.21 m ,，硬度f =10.7,；基本頂為30 m 以上粉砂巖，硬度f =11.6,。工作面生產(chǎn)能力為1000萬t/a,。工作面傾角≤10o，工作面走向傾角≤±6o,。皮帶巷：5500×3600mm（凈寬×凈高）,；回風(fēng)巷：5500×3600mm（凈寬×凈高）。

2,、大采高綜放工作面配套設(shè)備

大采高綜放工作面使用的成套設(shè)備不是孤立的“ 單機(jī)”,， 而是結(jié)構(gòu)上相互配合和聯(lián)系，作業(yè)上需要協(xié)調(diào)和配合, 且具有較強(qiáng)的配套要求和較高的可靠性要求,。 “設(shè)備,、選型、配套”三者缺一就可能導(dǎo)致放頂煤工作面生產(chǎn)效率低下,、經(jīng)濟(jì)效益差的結(jié)果,。因此，正確的選型配套是高產(chǎn),、高效、經(jīng)濟(jì)和安全的前提和保證,。

大采高綜放工作面設(shè)備的配套是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量目標(biāo)的重要物質(zhì)基礎(chǔ),，為滿足塔山煤礦煤層賦存條件及工作面年產(chǎn)10Mt的要求,，必須優(yōu)化選擇工作面設(shè)備，發(fā)揮工作面最大生產(chǎn)能力并實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn),。采煤機(jī),、刮板輸送機(jī)和液壓支架之間在生產(chǎn)能力、設(shè)備性能,、設(shè)備結(jié)構(gòu),、空間尺寸以及相互連接部分的形式、強(qiáng)度和尺寸等方面,，必須互相匹配,，才能保證各設(shè)備正常運(yùn)行,，實(shí)現(xiàn)工作面高產(chǎn)高效,。經(jīng)過優(yōu)化,、計(jì)算和比較,，8105大采高綜放工作面配套設(shè)備如表1,。

表1 8105大采高綜放工作面配套設(shè)備

3,、大采高綜放液壓支架的關(guān)鍵技術(shù)

3.1　大采高綜放液壓支架的工作阻力需要提高

研究表明,，綜放液壓支架采高加大后,，圍巖活動(dòng)范圍在工作面橫向,、縱向明顯擴(kuò)大,，礦壓顯現(xiàn)明顯加劇，5.2m大采高綜放液壓支架應(yīng)提高其工作阻力,，以增加支架前端及后端對(duì)頂板巖梁滑落失穩(wěn)和回轉(zhuǎn)失穩(wěn)的支護(hù)要求,。

3.2　大采高綜放工作面煤壁片幫控制

眾所周知，煤壁片幫是煤體在礦山壓力作用下,，煤體破碎后滑塌下來的一種礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象,。由于大采高綜放工作面煤壁高、自穩(wěn)性差,，大多已處于破碎狀態(tài),，易于發(fā)生煤壁片幫冒頂，從而給安全生產(chǎn)帶來隱患并影響綜放工作面正常推進(jìn),，如何有效控制煤壁片幫是大采高綜放工作面能否安全高效開采并取得良好經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵,。

控制大采高綜放工作面煤壁片幫措施主要有：（1）提高綜放液壓支架的初撐力，提高其主動(dòng)支撐頂板的能力,，以減輕頂板（煤）對(duì)煤壁的垂直作用,，這是保持煤壁完整、抑制片幫的最積極,、最有效的措施之一,；（2）帶壓移架及時(shí)支護(hù)頂板（煤）使頂梁與頂板（煤）接觸良好，可以減小煤壁前方支承壓力,，從而可以避免煤壁片幫的發(fā)生或減輕煤壁片幫程度,；（3）綜放液壓支架設(shè)置護(hù)幫板,，使用護(hù)幫板并使其靠緊煤壁可以增加煤壁的側(cè)向約束力，煤壁片幫程度則會(huì)減??；（4）異常情況下控制煤壁片幫措施。當(dāng)工作面已發(fā)生片幫或冒頂,，或遇到異常帶時(shí),，采取適當(dāng)降低采高、減少采煤機(jī)截深或加固煤壁的方法,，并提高采煤機(jī)牽引速度,，減少片幫程度；（5）條件允許情況下采用俯斜開采,，俯斜開采可以減輕煤壁片幫程度,。

3.3　大采高綜放液壓支架的穩(wěn)定性

支架的穩(wěn)定性是決定5.2m大采高綜放液壓支架成功與否的關(guān)鍵。為保證穩(wěn)定性重點(diǎn)研究了能提高支架橫向和縱向穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)和結(jié)構(gòu)型式,。采取的主要措施主要有：

(1) 優(yōu)化四連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)

利用液壓支架參數(shù)可視化動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件,，優(yōu)化支架的四連桿結(jié)構(gòu)，選擇的雙紐線變化小, 從高到低近似一條向前傾斜的斜線,。當(dāng)頂板下沉支架承載時(shí), 支架頂梁對(duì)頂板產(chǎn)生了一個(gè)向前的摩擦力, 有利于防止架前冒頂和煤壁片幫,；同時(shí)使液壓支架在工作高度范圍內(nèi)受力良好，減小立柱,、連桿,、掩護(hù)梁的水平受力，這對(duì)保證支架的穩(wěn)定性至關(guān)重要,。

(2) 提高支架的初撐力

5.2m大采高綜放液壓支架應(yīng)選取較高的初撐力,，這是因?yàn)槌鯎瘟哟笫沟弥Ъ苤鲃?dòng)支撐頂板的能力加強(qiáng)，可有效地保證頂板的完整性,，為此5.2m大采高綜放液壓支架選擇的初撐力為工作阻力的85 %,，保證頂板和頂梁可靠地接觸，并有足夠的摩擦力,，這對(duì)增加支架的穩(wěn)定性大有好處,。

(3) 加大支架的中心距

把5.2m大采高綜放液壓支架的中心距加大到1.75m，同時(shí),，盡量加寬支架底座的寬度,，增加底座和底板的接觸面積，加大立柱的橫向中心距,，加寬連桿寬度,，這是因?yàn)殡S著工作面的傾角變化，大采高支架由于高度加大原因，重心很容易偏至底座邊沿,，甚至超出底座邊沿,，增加了支架橫向不穩(wěn)定因素。

(4) 減小軸孔間隙和徑向間隙

支架各部件之間通過銷軸鉸接,，軸孔之間存在著一定的配合間隙，在底座和連桿,、連桿和掩護(hù)梁,、掩護(hù)梁和頂梁、立柱和頂梁及底座之間都存在著間隙,。這些間隙過大,，即使在工作面水平狀態(tài)下，頂梁和底座也會(huì)發(fā)生錯(cuò)位,，若工作面稍有傾角,，這些間隙就會(huì)累加起來，使支架重心和合力作用點(diǎn)發(fā)生偏移,，導(dǎo)致支架產(chǎn)生傾斜,、扭轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)倒架,，隨著工作高度的增加,，這些情況更加嚴(yán)重，所以在支架的設(shè)計(jì)過程中,，只要制造工藝條件允許,，就要盡量減小各部件之間的軸孔間隙和徑向間隙。例如結(jié)構(gòu)件配合理論間隙由傳統(tǒng)的8～10 mm 減小到6～8 mm,，軸孔理論間隙由傳統(tǒng)的1～2 mm減小到0. 75～1 mm,。

(5) 增大前梁千斤頂缸徑，設(shè)置二級(jí)護(hù)幫裝置

隨著采高的增加,，煤壁壓力增大,，特別容易發(fā)生冒頂和片幫，一旦出現(xiàn)這種情況,，支架不能正常接頂,，更容易發(fā)生倒架事故，為此應(yīng)加強(qiáng)頂梁前端的護(hù)頂能力,，由于5.2m大采高綜放液壓支架采用頂梁加旋轉(zhuǎn)前梁的結(jié)構(gòu),，特采用兩個(gè)φ200大缸徑前梁千斤頂，以增大前梁前端支護(hù)能力[[i]],；為此應(yīng)增加護(hù)幫板的長度,，選用二級(jí)護(hù)幫裝置，采用護(hù)幫板并使其靠緊煤壁可以增加煤壁的側(cè)向約束力,，煤壁片幫程度則會(huì)大大減小,。

3.4　新型雙前后連桿中通式大空間放頂煤支架穩(wěn)定機(jī)構(gòu)

在5.2m大采高綜放液壓支架的設(shè)計(jì)中,，創(chuàng)新性提出了新型雙四連桿中通式大空間放頂煤支架穩(wěn)定機(jī)構(gòu)（已申請(qǐng)專利）。前,、后連桿的結(jié)構(gòu)對(duì)支架的抗扭起到至關(guān)重要的作用,，采用“前雙、后雙”的連桿結(jié)構(gòu),，避免采用傳統(tǒng)放頂煤液壓支架“前雙,、后單”的結(jié)構(gòu)，前后連桿的剛性大大加強(qiáng),，前后連桿受力變形量隨之減小,，進(jìn)而減小了頂梁、掩護(hù)梁相對(duì)底座的偏移量,，增加了大采高綜放液壓支架的穩(wěn)定性,。同時(shí)，在前后連桿間形成了較大的行人通道,，通過此行人通道維修人員可到達(dá)支架后部進(jìn)行維修作業(yè),；操作人員可隨時(shí)觀察放煤情況、控制放煤過程,，可提高放煤的精度和回采率,。

3.5　前梁-伸縮梁運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)選用V型槽導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

支架前端的護(hù)頂性能是5.2m大采高綜放液壓支架需研究解決的關(guān)鍵技術(shù)之一，為使支架具有良好的護(hù)頂性能,，支架前梁設(shè)計(jì)了帶大行程的內(nèi)伸縮式伸縮梁, 通常通過控制伸縮梁兩邊梁外側(cè)與頂梁邊主筋內(nèi)側(cè)間的距離來導(dǎo)向的,，往往由于加工的原因造成誤差，致使伸縮粱在伸縮過程中經(jīng)常遇到蹩卡現(xiàn)象,，影響支架的護(hù)頂性能,，為了徹底解決這一問題，在5.2m大采高綜放液壓支架前梁-伸縮梁運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中擯棄了常規(guī)的導(dǎo)向結(jié)構(gòu),，采用了V型槽導(dǎo)向結(jié)構(gòu),，實(shí)踐表明，采用V型槽導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的伸縮梁運(yùn)動(dòng)靈活自如,。

3.6　采用抗沖擊立柱

實(shí)踐和理論證明大采高放頂煤液壓支架常常受到?jīng)_擊載荷,，為了保證工作面的高效安全，大采高放頂煤支架所用的立柱必須具有抗沖擊性,，為了提高立柱的抗沖擊能力,，主要常用以下方法。

1,、增加旁路安全閥,，增大安全閥流量，在支架受到?jīng)_擊載荷時(shí)迅速泄液；

2,、盡可能增大立柱內(nèi)部緩沖液體（介質(zhì)）的體積,，以提高立柱緩沖性能；

3,、合理設(shè)計(jì)立柱結(jié)構(gòu),，減小立柱受沖擊時(shí)的壓縮剛度，延長立柱沖擊振動(dòng)周期,；

4,、選擇合理的立柱型式，優(yōu)先采用雙伸縮立柱,，其次采用單伸縮立柱，盡量避免采用單伸縮加機(jī)械加長桿立柱,。

4,、大采高綜放液壓支架技術(shù)參數(shù)

（1）架型： 四柱支撐掩護(hù)式低位放頂煤支架

型號(hào)： ZF15000/28/52

支架結(jié)構(gòu)高度： 2800～5200 mm

支架寬度： 1660～1860 mm

支架中心距： 1750 mm

初撐力： 12778KN（P=31.4MPa）

支架工作阻力： 15000 KN（P=36.86MPa）

支護(hù)強(qiáng)度： 1.41Mpa

移架步距： 800mm

泵站壓力： 31.4MPa

操縱方式： 本架操縱

（2） 立柱

型式： 雙伸縮（4根）

缸徑： 360/270mm

柱徑： 340/230mm

（3）推移千斤頂

型式： 普通雙作用（1根）

缸徑： 200mm

桿徑： 120mm

（4）一級(jí)護(hù)幫千斤頂

型式： 普通雙作用（1根）

缸徑： 125mm

桿徑： 85mm

（5）二級(jí)護(hù)幫千斤頂

型式： 普通雙作用（2根）

缸徑： 63mm

桿徑： 45mm

（6）前梁千斤頂

型式： 普通雙作用（2根）

缸徑： 180mm

桿徑： 115mm

（7）側(cè)推千斤頂

型式： 普通雙作用（4根）

缸徑： 80mm

桿徑： 60mm

（8）尾梁千斤頂

型式： 普通雙作用（2根）

缸徑： 180mm

桿徑： 115mm

（9）插板千斤頂

型式： 普通雙作用（2根）

缸徑： 100mm

桿徑： 60mm

（10）后溜千斤頂

型式： 普通雙作用（1根）

缸徑： 140mm

桿徑： 85mm

（11）伸縮千斤頂

型式： 普通雙作用（2根）

缸徑： 100mm

桿徑： 60mm

5、結(jié)語

5.2m大采高綜放液壓支架將目前綜放工作面割煤最大高度由3.5m提高到5m,，為14～20m的特厚煤層實(shí)現(xiàn)安全,、高產(chǎn)、高效,、高回收率開創(chuàng)了新的技術(shù)途徑,；為特厚煤層礦區(qū)建立千萬噸級(jí)以上礦井建立了良好的技術(shù)和裝備保證；我國類似條件的特厚煤層儲(chǔ)量較豐富,，推廣應(yīng)用前景十分廣闊,。