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（平顶山煤矿机械厂，河南，平顶山 467001）
摘要：介绍我国大倾角厚煤层开采状况，分析其开采技术及方法，并有针对性的设计一种新型的液压支架。
关键词：大倾角厚煤层；开采技术；新型液压支架 1 国内外发展现状
在我国情况，自放顶煤开采方法问世以来，这种低成本、高效益的煤炭生产技术在我国得到了突飞猛进的发展和广泛地普及。二十世纪九十年代以来，综采放顶煤采煤法在全国很多矿井得到试验和应用，并取得了显著的经济技术效果，其中兖州煤业集团、潞安矿务局等先进的局矿的最高单工作面年产量也达到了国际先进水平，大多数局矿都因此而摆脱了生产的被动局面。靖远煤业有限责任公司也先后在大水头煤矿、魏家地煤矿和红会一矿等不同条件下成功地应用了综采放顶煤采煤法，取得了良好的经济效益。
与综采放顶煤开采技术同步发展的生产设备的研制水平也达到了很高的水准。就放顶煤开采技术及其装备而言，我国技术水平代表着国际最高水平。随着综放工艺技术的发展，国内已开发出了许多不同结构型式的放顶煤液压支架，目前以正四连杆低位放顶煤和反四连杆低位放顶煤以及单摆杆轻型放顶煤等型式的支架使用最多，基本上满足了国内不同开采地质条件、不同的生产条件以及不同的设备投资能力的局矿的生产要求。
这些支架结构型式都是从四柱支撑掩护式综采液压支架的基础上演变发展而成的，但由于结构有所不同，使用上各具优缺点和不同的适应性；采用四连杆机构的支架具有良好的横向稳定性和较强的抗偏载能力，所不同的是正四连杆支架的放煤和过煤空间较小，而反四连杆支架的放煤和过煤空间较大，但架内没有行人通道和作业空间。四连杆型式的放顶煤支架多为大中型煤矿采用。
针对许多小型矿井有限的开采条件和设备投资能力，上世纪九十年代开发出的具有结构简单、重量轻、造价低廉等特点的单摆杆综放支架较好地解决了这类矿井生产技术落后的问题。 2 主要研究内容和意义
在国内有相当部分的煤炭资源，就煤层厚度和煤质的物理特性来讲，具有良好的放顶煤开采性。但实施综放开采的条件比较差，要么是大工作面开采所剩的边角煤或残采煤，或者是因复杂的地质构造而不能形成规模型的长壁工作面，还有因生产规模和投资能力所限，不能装备较大型的综放工作面。这些情况下，一般都采用投资较为经济的单摆杆放顶煤支架——即所谓轻型支架。由于单摆杆机构抗偏载能力较弱，因此而限制了这种架型对开采煤层地质条件的适应能力。通过对现有的单摆杆综放支架的技术参数、使用条件的统计分析和调研，可以得出如下几点结论：
① 工作阻力不能过大，一般不大于3000KN；
② 支架高度不能过高，最大高度一般都小于2600mm； ③ 采用小配套，纵向尺寸较短；
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④ 四柱支撑，架内作业空间较小；
⑤ 适用中软煤层的水平或近水平开采工作面，一般倾角不超过12°。
大鹏工贸有限责任公司所开采的煤炭资源在靖远煤业有限责任公司大水头煤矿的井田范围内，煤炭资源的赋存情况、生产能力和投资能力与上述情况相似。但其特殊条件是煤层倾角较大，普通的单摆杆支架因存在上述不足而不能适应。
针对以上问题，研制能适应较大倾角、满足较大采高和较大配套设备并具有优良性能的轻型放顶煤支架是本项目的研究内容。 3 技术方案论证 3.1 工作面围岩地质条件
大鹏工贸有限责任公司所开采的煤炭资源在靖远煤业有限责任公司大水头煤矿的井田范围内，大水头矿的边角煤、不适合大工作面作业的资源都归大鹏工贸有限责任公司开采。其特点是煤质较松软、煤层较厚，采用长壁综放开采方法时工作面倾角较大。
顶板 直接顶板岩性为浅灰色泥岩——沙质你眼，厚3.5～4m，呈薄层状，水平层理发育，破碎易冒落。分层开采区与顶板为全部垮落、黄泥灌浆后形成的再生顶板，即金属网假顶。
地板 煤层直接地板为深灰色细纱岩，较坚硬，厚2～3m。 煤层 为一层煤，呈单斜构造，倾角在20°~32°之间；煤层厚度西厚东薄，厚度2~17m；煤层底板之上有1~3层累夹矸，厚度0.2~2m。 煤层硬度系数0.4~0.7m。
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井田内断层对工作面回采没有大的影响，但煤层厚度变化较大、上部灌浆不好及局部遗留的原始煤柱等对回采有一定影响。 3.2 主要配套设备及其技术参数 采煤机 MGD150—NW(单滚筒)
采高：2~2.8m；截深：600mm；单滚筒直径：φ1600mm； 牵引速度：0~6m/min
运输机（前、后部相同） SGZ630/90
运输能力：400T/h；中部槽规格：1500×630×254 转载机 SZZ630/90 运输能力：500T/h 3.3 基本架——YFQ1800/17/28 3.3.1 结构设计
根据大鹏工贸有限责任公司所属的煤炭资源情况、设备投资能力和生产技术水平等，确定采用轻型单摆杆放顶煤液压支架进行小型的长壁式综合机械化放顶煤开采应是最经济、最科学的。为解决单摆杆支架对较大倾角的适应性问题，并使支架设计的更轻、作业空间更大，在吸收两柱掩护式支架优良特点的基础上，通过大量的分析和论证，项目组大胆地提出了两柱单摆杆式低位放顶煤的架型结构，如图1所示。其特点是：
① 采用单排两柱支撑，取代常规的两排四柱支撑结构。使支架的纵向长度缩短，立柱向前倾斜布置，支撑合力作用位置向煤壁靠近，更适合于在较松软的煤层中使用。
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② 在摆杆与底座之间连接有平衡千斤顶，用于调节和控制顶梁在升降运动过程中的姿态和纵向稳定性。
③ 底座上摆杆的连接耳座、立柱的柱窝以及平衡千斤顶的耳座等在底座的中部，这不仅使底座的前端比压大大减小，而且在纵向长度缩短的情况下，立柱前部与输送机之间有很宽敞的人行通道和作业空间；在后部形成比较大的放煤和过煤空间。
平衡千斤顶的另一个重要作用就是提高支架抗偏载能力和增强横向稳定性。由于单摆杆机构的横向宽度较窄，在横向载荷的作用下连接轴孔之间的间隙会使顶梁与底座之间产生较大的偏摆量，并在摆杆和底支座上造成较大的扭矩和弯矩，因此，相对而言承受横向载荷与偏载的能力差。两根平衡千斤顶对称地连接在摆杆和底支座的两侧，承载状态下，其上下两腔用液控双向锁进行闭锁，由此对摆杆起到了辅助支撑的作用，而且因两千斤顶的支撑宽度较大，使其能够承受大的横向载荷。本支架两根φ125/70的千斤顶可产生220KNm的
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辅助支撑偏载力矩。其结果使支架能在较大倾角的工作面使用；支架的工作高度和工作阻力都可以相应的提高；大大拓宽了这种架型的使用范围。在几个工作面生产试验中，最大倾角达到了30°，这在国内单摆杆支架的使用中是以前从未有过的，由此可以充分肯定平衡千斤顶在此所起的积极作用。
在大倾角工作面使用时，除了增强支架自身的抗偏载能力和横向稳定性外，防倒防滑是必须考虑的问题。支架顶梁上的侧护板和底座上的调架机构本身具有一定的防倒防滑作用。另外还有设置有防倒防滑辅助装置。顶梁上立柱的前面有两个对称的防倒座，防倒轴套上防倒千斤顶连接头后插入防倒座中，左右架的连接头之间接上防倒千斤顶。靠防倒千斤顶上架对下架起到牵制的作用。 3.3.2 主要参数的确定
工作阻力 单摆杆支架的工作阻力受抗偏载能力的制约，不能过大。就此而言，两柱掩护式单摆杆支架与普通的单摆杆支架相比，因平衡千斤顶的作用，工作阻力可增加800~1000KN。然而，支架额定工作阻力是依开采煤层的矿压情况而确定的，参考大水头矿已开采工作面的矿压显现情况，根据大鹏有限责任公司所属煤炭赋存情况和开采方法等因素，本支架的工作阻力选定为1800KN。
支架高度 支架的高度决定了采高范围，对厚煤层开采来说应适当地提高支架的工作高度，一方面可以增大采放比例，有利于顶煤的回收；另一方面可以增大作业空间，为作业人员创造较为舒适的空间环境；在低位放顶煤开采中能增大后部运输机的运煤通道和维护作业空间。
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综合考虑人机工程学的问题、经济性问题、煤层条件、配套设备的空间几何尺寸、搬家运输以及生产的可靠性和安全性等诸方面的因素。支架高度取1700~2800mm，放顶煤生产高度2300~2600mm。 3.3.3 支架的主要技术参数和特征
●架型： 两柱单摆杆轻型低位放顶煤支架 ●支架高度： 1700~2800 mm ●支护宽度： 1500 mm ●工作阻力： （P＝35 MPa）1800 KN ●初撑力： （P＝25 MPa）1272 KN ●支护强度： （平均） 400 KN／m2 ●对底板比压： （平均） 0．8 MPa ●尾梁最大摆动角度： 71° ●操纵方式：手动本架
●运输尺寸：（长×宽×高） 4950× 1420× 1700 图2、图3是反应支架承载性能的特性曲线。
35003000有效工作阻力(KN)250020001500100050001700190021002300250027002900支架高度(mm)
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图2 支架在不同高度时的工作阻力
图3 支架在最大高度的承载能力区 承载能力(KN)25002000150010005000-1100-900-700-500-300-100平衡千斤顶受压平衡千斤顶受拉100300500700900110013001500载荷作用点距立柱支点的距离（mm) 3.4 过渡支架——YFQG1800/17/28
全套设备除基本架以外，还包括过渡支架、端头支架。由于在工作面的端头和过渡区，设备繁多、关系复杂，良好地处理端头和过渡区的支护以及支架与转载机和运输机的关系可以使工作面设备更好地发挥能力。为此，针对基本架的特点，专门研制了与基本架相配套的过渡支架和端头支架。 3.4.1 过渡支架的结构
过渡支架所处位置，正好与前后输送机的机头和机尾发生关系，而前后输送机的驱动电机和减速器布置在靠近支架侧，要使前后运输机的中心距在全工作面长度内一致，在运输机的过渡段必须设置特殊结构的支架——过渡支架。过渡支架的设计主要考虑了以下几个方面的问题：
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① 为了减小基本架的纵向长度和前后运输机的中心距，过渡支架的底座箱上部结构的纵向尺寸应尽可能地减小；
② 后尾梁要有较大的掩护范围和调节高度，保证后部输送机的移动、运行空间和较大的过煤空间；
③ 应具有放煤功能。
与基本架相对应，也采用单摆杆机构。所不同的是，为加大后部空间用两排四柱结构，取消了摆杆与底座间的平衡千斤顶。顶梁通过铰轴与后尾梁连接，之间有一对平衡千斤顶可调节和控制尾梁的姿态和高度，并保证支架的纵向稳定性。尾梁体内设置伸缩插板，可进行放煤的控制。其它如顶梁、底座的结构与基本架相似。见图4所示。
图 4 过渡支架结构
3.4.2 过渡支架的主要技术参数和特征 ●架型：四柱单摆杆放顶煤
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●支架高度： 1700－2800 mm ●支护宽度： 1500 mm ●工作阻力： （P＝35 MPa）1800 KN ●初撑力： （P＝25 MPa）1272 KN ●支护强度： （平均）400KN／m2
●对底板比压： （平均）0．8 Mpa ●操纵方式：手动本架 3.5 端头支架——DT5400/20/30 3.5.1 端头支架的发展状况
端头支架布置在下顺槽，处于顺槽巷道与工作面的交界区。前后输送机在这里与转载机交叉布置；顺槽的巷道支护与工作面的支护要在这里过渡；这里又是人员和物料进出工作面的必径之路。因此，端头的维护作业是保证任何综采工作面顺利推进的重点和难点所在，特别是综采放顶煤工作面。
在任何条件下的放顶煤工作面，在其运输端头，由于设备多且关系复杂、作业空间狭小、顶板状态不良等因素，使得综放工作面端头的支护问题一直是摆在生产管理部门和科研部门的一大难题。针对不同开采地质条件，有各种型式的端头支架不断问世，有左右架型式、有全长整体结构型式、还有一主两副的主副架型等等。端头支架的工作阻力最高已超过20000KN，自身重量达100 T以上，宠大、笨重的结构使操作、移架和搬运及其不便。还有一共性的问题就是采用推移横梁为拉移支点，经常造成推移装置和转载机的损坏。移架速度问题
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更是生产中的突出问题。 3.5.2 主要解决的技术问题
本项目所研究的放顶煤端头支架要求实现以下功能： a. 有效地支护顶板，保证设备、人员的安全。
b. 合理地处理支架本身与转载机和前后输送机之间关系。 c. 支架行走要方便、灵活、省时。
d. 应保证坚硬大块煤体的顺利通过。 e. 端头支架前部应具有替棚支护的功能。
f. 能与能与工作面YFQ1800/17/28型低位放顶煤压支架、YFQ1800/17/28型低位放顶煤过渡支架一起配套使用，形成一套完整的用于小型综放工作面的轻型支护和放顶煤开采设备。
端头支架处于下顺槽巷道中，在放顶煤开采中是全煤巷道。大鹏公司的资源范围内，煤质比较松软，一般的支护方式下，巷道容易变形、冒顶。锚网支护技术成功地解决了顺槽巷道支护难的问题，在这种情况下，巷道比较稳定，压力较小，给工作面端头支护和端头支架的设计和使用创造了较为良好的条件。
基于上述条件和要求，通过充分的调研和论证，认为针对本端头支架所要研究的关键技术内容有：
a. 解决大尺寸的设备配套，大空间的过煤通道与较低的巷道空间的矛盾。
b. 在解体运输条件下，单个部件的运输尺寸必须满足使用矿井的运输条件。
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c. 支架自身的行走和转载机推移方式。
d. 性能应能满足使用矿井综放开采条件的要求。 3.5.3 端头支架的结构设计
因此，提出并成功设计和实施了一种新型的端头支架——DT5400／20／30型放顶煤端头液压支架，如图5所示。它由前架、左后架和右后架等三个独立的单元组合而成。前架的左右底座骑跨在转载机溜槽的两侧与连杆间形成890 ×1100的龙门，转载机溜槽铺设在地板上从龙门通过并延伸至后架尾部。左、右后架为完全对称的两个独立体。各自的底座分别安座在转载机溜槽的两侧。后架一侧顶梁上安装侧护板，另一侧安装护帮板，侧护权和护帮板视工作面方向可以相互调换安装。
其突出的特点是前后架和转载机的推移连接方式，前架左、右底座的前端分别通过推移千斤顶与转载机相连，左、右后架的前底座又通过推移千斤顶与前架的左右底座相连。转载机和后架都以前架为支点推移，转载机与支架互为导向。前架推移转载机，转载机拉前架，前架又分别拉移左、右后架，如此交替前移。每次可移动步距1200mm，移动一次可保证工作面设备完成两个割煤循环，节省了端头作业的时间。工业试验表明这种推移方式有如下优点：
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图 5 端头支架的结构
a. 导向性好，支架不易走偏，。 b. 左右推力均衡，转载机不会偏摆。
c. 转载机的推移力大，在底板条件较好的情况下，可省去转载机的牵引绞车。
d. 这种推移形式可与工作面割煤、后部放顶煤平行作业，因而可最大限度地提高设备的开机率。 3.5.4 主要参数
a.工作阻力 回采巷道锚网技术的使用会大大提高巷道的支护性能，相应的减轻对端头支架工作阻力的要求。借鉴大水头矿综放工作面所用设备性能参数和使用情况，在综合考虑各因素的基础上确定5400 KN的端头支架工作阻力，其中后架1880 KN，前架3760 KN，后架的工作阻力比前架的大的多是因为后架支护面积大且其位置处
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于顶板跨落变形区。
b.支架高度 端头支架的高度由巷道高度、工作面开采高度和底座过煤高度、配套设备的安装运行空间等因素确定。在满足解体搬运及巷道支护高度的条件下，经优化设计确定支架的最低高度2000mm，最高高度3000mm。
c. 拉架力 端头支架的后架处于顶板跨落变形区，移架状态一般为带压移架。带压负荷按有效支护面积100 KN/m2 考虑，则所需的拉架力为698 KN，设计两根φ180/φ105的推移千斤顶，在25MPa泵站工作压力下可实现2×420 （840）KN的拉力。前架的初撑力1270 KN，可产生的支点自锁力762 KN。前架的支点自锁力和推移千斤顶的拉架力都能满足拉后架的要求。（以上参数计算中支架与顶底板的摩擦阻力系数按0.3计）。 3.5.5 端头支架的主要技术参数和特征
●架型： 前、后架（后架分为左右架）形式
●支架高度： 2000~3000 mm ●支护宽度： 2200 mm ●总支护长度： 8300 mm ●工作阻力： （P＝37MPa）5400 KN ●支护强度： （平均） 296 KN／m2 ●移架步距： 1200 mm
●操纵方式：手动本架
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4 结论
YFQ1800/17/28新型两柱掩护式单摆杆放顶煤轻型液压支架及其配套的YFQG1800/17/28型过渡支架和DT5400/20/30型放顶煤端头支架配套在地面与其它设备成功地进行了联合试运转并于2002年初开始下井，已成功用于多个小型工作面 ，工作面倾斜长度为30-35m，煤层倾角在25°~35°，期间，最高日产量2500多吨，最高月产近4万吨。
总结该项目实施过程中所解决的各项技术问题和各项试验结果得出以下主要结论：
① 放顶煤支架（包括四连杆支架和单摆杆支架）采用两柱掩护式结构是完全可行的。它不仅能更好地适应松软煤层条件，而且可以为人、机创造更为合理、宽敞的作业空间。
② 基本支架中的平衡千斤顶为使单摆杆支架能在较大倾角条件下成功地使用起到了非常积极和关键的作用。
③ 过渡支架和端头支架的的设计是成功的，架型结构合理，支护性能良好。能很好地满足端头部位转载机和前、后两部输送机相互配套关系。完全彻底地解决了左、右架型式的端头支架所造成的转载机左右偏摆及其损坏问题。移架速度特别快，移架作业可以与工作面生产同步进行，大大地提高了整个工作面的生产效率。
总之，该放顶煤支架的技术参数和性能达到了目标要求，完全适应较大倾角的小型厚煤层综采放顶煤工作面的生产条件。该成套支架的设计、制造是成功的，处理关键问题的技术途径行之有效。创造性
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的构思和科学的设计制造，为进一步推广放顶煤开采技术成功地开发出了一种新的架型结构，进而拓宽了单摆杆支架的使用范围。因此，该项目具有较为广阔的推广应用前景。
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