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摘要：多用途充填液压支架是在充填支架的基础上进行设计与改进。冀中能源股份有限公司邢东矿根据工作面的实际情况提出：要求充填液压支架在不升井的情况下实现充填材料高水和矸石的转换并实现电液控制系统。为满足矿方要求，本课题在充填液压支架的设计上打破传统的设计思维，根据矿井的具体情况设计符合矿方要求的ZC5160/30/50型多用途充填液压支架。

关键词：充填液压支架;多用途;安全开采;

Abstract： The multi-purpose filling hydraulic support is designed and improved on the basis of the filling support. According to the actual situation of working face， the xingdong mine of Jizhong Energy Co.， LTD proposed that the filling hydraulic support should realize the conversion of high water and gangue of filling materials and realize the electro-hydraulic control system without lifting the well. In order to meet the requirements of ore， this topic breaks the traditional design thinking in the design of filling hydraulic support. Zc5160/30/50 is designed according to the specific conditions of the mine  Multi-purpose filling hydraulic support.

Key words： filling hydraulic support; Multi-purpose; Safe mining;

充填液压支架是在煤矿开采工作中解决在水体、铁路、建筑物下压煤开采所面临的坍塌问题，以及采煤过程中产生的矸石污染环境问题的重要支撑设备。在充填过程中，充填液压支架的设计成功与否，决定着充填的效果的好坏，甚至影响着充填工作是否能够正常进行，因此在采煤充填任务中，充填液压支架的设计至关重要。

1、多用途充填液压支架设计的背景

1.1工作地质条件

本课题研究的充填液压支架是基于邢东矿的具体地质条件设计的，其工作面地质条件如下：

（1） 开采高度：3.2-4.8m

（2） 煤层倾角： ≤15°

（3） 煤层顶板：Ⅰ、Ⅱ级老顶，1、2类直接顶板

（4） 煤层底板：直接底，抗压强度大于2.0MPa。

1.2现有充填液压支架存在的问题

现有充填液压支架只能单独满足于高水充填或者矸石充填的使用要求，在既需要高水充填又需要矸石充填的工作面工作时，两种充填支架互换需要升井，操作困难，严重影响工作进度，降低生产效率，为井下安全生产带来严重威胁，且两套充填支架使采煤所需的成本增高。

2、多用途充填液压支架设计的要求

多用途充填液压支架的选择应当遵循以下原则：

（1）液压支架在不升井的情况下可以实现充填材料高水和矸石的转换。

（2）液压支架的架型结构与实际工作面的开采条件相适应。

（3）液压支架对顶板的支护强度与工作面顶板破断运移规律相适应。

（4）液压支架的最低高度和最高高度的确定与工作面煤层厚度相适应。

（5）液压支架的电液控制系统控制的支架跟机移架循环周期与实际采煤工作面的采煤进度相适应。

（6）液压支架的运输尺寸、运输方式及支架重量与矿井的运输条件相适应。

（7）支架通风断面与工作面通风要求相适应。

3、支架主要技术参数

型式：                             充填液压支架

型号：                             ZC5160/30/50

工作阻力：                         5160KN（P=42MPa）

高度：                             3000～5000mm

宽度：                             1430～1600mm

中心距：                           1500mm

初撑力：                           3870KN（P=31.5MPa）

支护强度：                         0.55MPa

底板比压：                         2.98MPa

泵站压力：                         31.5MPa

操纵方式：                         电液控制

4、多用途充填液压支架结构设计

多用途充填液压支架设计应考虑：支护强度与工作面矿压相适应;支架结构与煤层赋存条件相适应;支护断面与通风要求相适应;推移连接装置与采煤机、刮板输送机、后部充填等设备相匹配;电液控制系统的安置。在此基础上，还需结合邢东矿采煤工作面的实际开采地质条件和采煤工艺要求，因此，本课题研究的多用途充填液压支架还需满足一下性能要求：

（1）多用途充填液压支架必须具备合理的调高范围;

（2）多用途充填液压支架为采煤及行人提供足够的工作空间;

（3）多用途充填液压支架需利用计算机软件通过模拟和分析设计出合理的四连杆机构使支架结构合理，安全系数高，并且还需在保证支架的安全性、稳定性的前提下，改善支架的受力状态，提高支架的支护能力，通过合理的结构设计，实现液压支架的轻量化设计;

（4）多用途充填液压支架通过结构优化，提高支架的稳定性和抗扭能力。

基于上述设计思路，多用途充填液压支架的具体结构如下：

1、为实现填充功能，在前顶梁尾端增设了后顶梁及后立柱，后顶梁上设置可铰接摆梁千斤顶的铰接孔，同时，还配合设置有后探梁，后探梁上有可悬挂刮板运输机和隔板的装置，底座尾部设置有连接座，连接座分为三个铰接孔，在矸石充填作业时，如图4.1所示，后探梁上悬挂用于输送矸石的刮板运输机，摆梁千斤顶一端与后顶梁铰接，另一端与摆梁铰接，为增大摆梁的转动角度，摆梁与底座连接座最上方的铰接孔铰接，通过摆梁千斤顶的伸缩可实现摆梁的角度变化，从而适应不同角度的充填要求;在高水充填作业时，如图4.2所示，底座连接座可通过托座和连杆连接伸缩挡板，后探梁上悬挂隔板，伸缩挡板按照支架的实际掩护高度伸缩，与隔板之间形成一个封闭的空间，以利于后面挂包充填，从而能实现高水充填功能。为实现高水充填液压支架和矸石充填支架的功能转换，与底座连接的摆梁和伸缩挡板进行互换，由于摆梁和伸缩挡板尺寸较小，在支架的掩护空间下，完全可以实现井下互换，极大提高了采煤工作的安全工作效率。

2、前后顶梁整体式结构，设置全长侧护板，提高顶板覆盖率，改善支护效果，减少架间漏矸。侧护板为双侧活动侧护板，以适应左右工作面互换，使用时固定一侧。

3、支架前顶梁采用整体式结构带伸缩梁和一二级护帮板结构，为了提高支架的适应性，前顶梁采用两侧均设置活动侧护板。使用时，根据实际开采要求，设置一侧活动，一侧固定，如图4.3所示。

4、支架前顶梁采用整体式结构，整体式顶梁可靠性高，结构简单，便于加工和装配，并且整体式顶梁相对于分体式顶梁对顶板载荷的平衡能力好，前端支撑力大，如图4.4所示。

5、支架的四连杆机构为正四连杆机构，包括上连杆、前连杆、后连杆，其中上连杆选用Y字形结构，前/后连杆均为单连杆结构，增大了支架下的活动空间，为增大液压支架四连杆机构的抗弯能力和抗扭能力，支架是上连杆及前后连杆均使用高强度板，如图4.5所示。

6、多用途液压支架的推移杆采用整体式推移杆结构，刚性好;推移行程为900mm，推移千斤顶选用普通倒装形式，能满足支架拉架力大和推溜力小的使用要求。

7、底座为刚性底座，中部底板开裆，有利于浮煤、矸石的排出，如图4.7所示。

5、多用途充填液压支架在开采循环工艺中的应用

5.1充填开采工艺

1、高水充填开采工艺

超高水材料包式充填原理是：利用超高水材料的流动性，在充填支架后侧支撑起若干个立方体形的充填包，然后将超高水材料注入其中。待超高水材料凝固成具有一定支撑强度的固体，从而达到支撑采空区顶板，防止采空区顶板跨落的效果。本支架采用“三刀一充”工艺，即采煤支架推移三个步距后进行一次充填作业。

2、矸石充填开采工艺

将矸石材料转载到吊挂在充填液压支架后顶梁的刮板输送机上，再将刮板输送机上的矸石材料堆落在后顶梁的掩护空间内，再由充填液压支架的夯实装置将矸石捣实，从而实现采煤工作面的充填。

5.2多用途充填液压支架在工作面的布置

ZC5160/30/50型多用途充填液压支架适用于走向长壁后退式开采，且采用充填技术对采空区进行充填的工作面，该支架是针对冀中能源股份有限公司邢东矿的具体地质条件和生产要求而设计的，也可用于条件相似的其他矿区。

多用途充填支架是为实现邢东矿在开采充填过程中满足在不升井的条件下实现超高水材料包式充填和矸石充填的转换而专门设计的。在高水充填时，为实现在充填过程中方便挂包、三面挡包、成形包体，保护包体、支撑顶板等。因此，本课题研究的多用途充填液压支架包括中间架、左隔板支架和右隔板支架三种。在布置工作面时，工作面的两端分别放置左右隔板支架各一架，在其中间每隔7个中间架设一对左右隔板支架。通过中间架和左右隔板支架的合理布置，使隔板起到了支撑充填包、成形充填包的作用，使充填包凝固成立方体，并保证充填包不挤压、不被撑破。在矸石充填时，在运输巷和运料巷口处放置端头液压支架，在端头液压支架之间放置矸石充填液压支架，矸石充填液压支架后探梁上悬挂刮板运输机，当矸石等充填材料刮板运输机的漏矸孔掉落后，由矸石充填液压支架的摆梁进行充填夯实。

6、结语

针对冀中能源股份有限公司邢东矿的具体地质条件和生产要求而设计的ZC5160/30/50型多用途充填液压支架操作简单，可靠性高，满足矿井充填与开采工艺互不影响的要求，也实现了高水充填液压支架和矸石充填支架在不升井的情况下完成转换的要求，有效地控制了上覆岩层的整体下沉量，保持足够的充填空间。在充填效果良好的情况下，可有效控制地表因开采沉陷，保护矿区的生态环境，改善因采矿对环境造成的污染，改善矿山安全生产条件，实现不搬迁采煤，从而节约采矿成本。

参考文献

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