矿山机械专题-3-液压支架和工作面刮板输送机的现状与发展

液压支架的现状与发展赵继云1.国内液压支架技术现状•我国在１９６４年由太原分院和郑州煤机厂设计７０型迈步式自移支架，从此开始了液压支架的国产化道路。•１９８４年，北京开采所、沈阳所、郑州煤机厂在沈阳蒲河矿进行我国第一套放顶煤液压支架的工业性试验，继而研制了多种低位、中位和高位放顶煤支架，成功地在缓倾斜厚煤层和急倾斜厚煤层水平分层工作面使用。•１９９０年后，国产液压支架得到了全面的发展，到１９９８年止，全国已建成８８处高产高效矿井，其中１４处矿单个工作面的单产达１５．７２万ｔ／月，原煤生产人员效率达９．１６ｔ／工，综采机械化水平达４９．３２%，达到了世界先进水平。（1）我国液压支架的基本架型１）ＺＺ系列支撑式支架该系列支架切顶能力强，稳定性好，支护强度大，易于操作。支架的工作阻力为２０００～１００００ｋＮ，支架高度０．９～４．７ｍ，一般在工作面倾斜１５°以上时配防倒防滑装置。支架的结构特点为:立柱呈Ｘ、Ｖ型布置，两柱支顶、两柱支掩或四柱支顶；顶梁为整体、楔型或铰接型，有前伸缩梁或挑梁；有长短两种掩护梁；底座有整体分体、半钢性分离底座，可设抬底座机构；单侧活和双侧活侧护板或不设侧护板，侧护板有全封闭或半封闭两种，型式为直推式或合页式；本架或邻架操作。２）ＺＹ系列掩护式支架该系列支架采高范围大，支架长度短，相对成本低，操作灵活。支架的工作阻力为１８００～６０００ｋＮ，支架高度０．７５～３．８ｍ。其结构特点为:两立柱支顶，个别有另一柱支撑掩护梁代替平衡千斤顶；整体和铰接或楔型顶梁，有前挑梁或伸缩梁；整体分体、半钢性分离底座，设抬底座机构；本架或邻架操作。（２）不同采煤方法中使用的国产液压支架１）缓倾斜厚煤层一次采全高支架大采高支架总共１０余种，大多为ＺＹ型掩护式支架，少数为ＺＺ型支撑式支架，支架高度２～５ｍ，工作阻力３２００～１００００ｋＮ。支架结构特点:各铰接孔间隙小、制造精度高、支架稳定性好，支架侧推力大，充分考虑防倒防滑，有调架机构，有很好的护帮机构，一般有伸缩梁，能即时支护和防片帮，多为本架操作。２）缓倾斜薄煤层液压支架由于薄煤层支架对其空间有严格要求，所以整体顶梁尽可能薄且较长；推杆中长；立柱可以Ｘ型布置；支架前部有宽度不少于５００ｍｍ的空间，从而保证行人安全；邻架操作。３）大倾角煤层一次采全高液压支架对倾角为２５°～４５°的煤层来说，液压支架应有较大初撑力和工作阻力，各铰接孔间隙要小，制造精度要高，以保证支架的稳定。支架应有可靠的防倒防滑和调架装置，活动侧护板应有较大行程和推力，支架与采煤机道之间需设防砸安全挡板，底座应设脚踏板或扶手。这种支架多为ＺＹ掩护式，邻架操作。４）厚、特厚倾斜煤层分层铺网支架架型为ＺＺ支撑式、ＺＹ掩护式和垛式，有铺顶网和铺底网之分，可采用架前铺联网或架后铺联网方式，机械或手工操作，其中手工联网又分横联和竖联两种方法。这种支架的特点是工作阻力稍大、掩护梁和底座中有充足的空间，便于使用。多为本架操作。５）特厚煤层放顶煤液压支架ａ．高位放顶煤支架放顶煤支架按放煤位置可分高位、中位和低位三种。高位放顶煤支架高度１．５～３．５ｍ，工作阻力２０００～５６００ｋＮ，为邻架操作，也可用于缓倾斜和倾斜特厚煤层水平分层开采。支架结构特点:顶梁较小，为小托梁，有伸缩梁或小挑梁；掩护梁较长，开天窗，上面有放煤槽，放煤角度大于３５°；前立柱为两柱或单柱，后立柱为单柱、三柱（或两柱），均支撑在掩护梁上，为便于增大放煤角度和放煤窗口，另可设置一根立梁；托梁侧护板多为双侧活动式，若是硬煤则需设钻机钻孔位置。高位放顶煤支架为单运输机式，有单铰接和四连杆两种，底座可插底或不插底。缺点是煤尖大，放煤点高，支架底座前端比压大，放煤时工作面行人受阻，安全出口减少。ｂ．中位放顶煤支架•该类支架为双运输机式，可用于缓倾斜和急倾斜特厚煤层水平分层采煤。掩护梁开天窗，天窗有插板和回转式两种。四立柱可全部支在顶梁上，或将其中两柱支在顶梁、另两柱支在掩护梁上。连杆型式有单铰接和四连杆两种。邻架操作或部分邻架部分本架操作。该种支架若被用于三软煤层时应采用侧护板全封闭式结构，为了降低对底板比压，底座面积需尽量加大，可采用全封闭或半封闭结构。顶梁分整体和铰接两种，少数带挑梁，一般有伸缩梁，便于立即支护。支架工作阻力为３０００～６０００ｋＮ，支架高度１．５～３ｍ。•中位放顶煤支架受力状态好，抗扭能力强，不易倒架，煤尘少。缺点是放煤点高，底座长，调架困难，后运输机置于底座上，位置高，人工清浮煤劳动强度大，且由于掩护梁开天窗，放大块煤时窗口很容易被堵塞。ｃ．低位放顶煤支架低位放顶煤支架的放煤口位于掩护梁下方，后部运输机直接放在底板或底座后部的拖板上。由于放煤口三面敞开，不丢脊背煤，回收率相对较高；煤尘小，放煤口大，不易堵塞；根据要求，可在每组支架放煤口的下风侧和靠工作面一侧各装４个喷头，支架放煤或移架时，本架支架或者相邻支架的喷雾自动打开灭尘。支架顶梁长，反复支撑，放煤效果好，便于维修和操作。ｄ．轻放支架这种双运输机轻放支架可用于特厚煤层中工作面长度不太规则的断层边角带和残余煤柱的开采，工作阻力为１８００～２５００ｋＮ，支护强度０．５～０．５８ＭＰａ，支架高度１．６～２．４ｍ，重量５．７～８．２５ｔ，中心距１．２５～１．５ｍ。其结构特点为:掩护梁和顶梁为一整体，带挑梁或内伸缩前梁，仰俯采角一般为±１５°；连杆为单摆杆；整体大侧护板或小侧护板。由于该类支架同时具备放顶煤支架、铺网支架和普通ＺＺ型支架的使用功能，且重量轻，便于安装、增减和运输，所以使用效果良好。６）难采煤层液压支架•三软煤层液压支架该类液压支架要求底座面积尽量大并具备抬底座功能，采用底座半封底或全封底以降低底板比压。顶梁要具备立即支护功能，带伸缩梁或伸缩梁加挑梁，其侧护板应使支架处于全封闭状态，多为邻架操作。•两硬煤层液压支架该类支架多为ＺＺ型，要求工作阻力大，切顶力大，顶梁为整体、楔型和铰接前梁带挑梁式，掩护梁需尽量短，与水平夹角大，底座为半钢性分体式，安全阀应有足够的流量以抵抗顶板冲击。邻架或本架操作。2、国外综采液压支架状况美国、澳大利亚等发达国家的煤矿实现是高产高效发展模式，高投入高产出。设备为大功率、高可靠性全自动化的综采设备，其综采液压支架供货商主要是DBT公司和JOY公司，由于具有设计、整体配套制造和能够提供多种综采设备，而具有最强的实力，其液压支架的研究和制造水平处于国际领先，所设计和生产的液压支架具有下列特点：•液压支架以二柱掩护式为主，支架结构简单、实用、动作少；•液压支架强度高，选材好，无论液压件和结构件具有较高的寿命；•液压支架过人、吊装等细节设计考虑细致；•液压支架工作阻力较大，且具有一定的富裕。由于二柱掩护式的立柱缸径较大，支架中心距大都为1.75m；•液压支架使用电液控制，移架速度控制在8秒以内，加快工作面的推进速度，实现高产，支架与运输机、采煤机等综采设备实现自动化联控。3.我国综采液压支架与国外的差距国内液压支架通过引进、消化、发展，现在具有较高的设计制造水平。且架型多、品种全，适用各种地质条件和各种采煤方法的支架都有，很多架型处于国际领先水平。•由于具有平面受力分析和模拟压架三维有限元分析手段，支架设计水平与国外相比并不落后，甚至超过国外；•国外支架结构件大都采用70公斤级强度板或部份采用80公斤级强度板，国内近几年也采用较量多，但由于国内钢板曲强比太小；钢板综合机械性能与国外比差距很大，这个因素是影响支架重量的主要因素；•国内高强度焊丝及焊缝成型与国外存在差距；•国内不能生产电液阀，其阀的加工及寿命在支架方面与国外差距最大；•国内密封件虽然采用了聚氨脂，但聚氨脂的配方及可靠性较国外差，国外聚氨脂“O”形圈大量使用，立柱、千斤顶密封采用整体软硬不同的密封形式。1.1技术性能以国内外大力发展的掩护式液压支架为例:国产支架的最大工作阻力为6000kN，立柱最大缸径为价320mm，支护强度0.9一1.OMPa，支护高度5m，支架间距1.5m;而国外同类支架的最大工作阻力达12000kN，立柱最大缸径480mm，支护强度1.4~1.5MPa，支护高度6m，支架最大间距2m1.2控制系统国产液压支架的控制方式主要是手动液压控制（国外20世纪70年代的控制方式），单架支架的移架速度为15s左右。虽然我国从20世纪80年代起就对液压支架的电液控制系统进行了研究，但在系统设计和电磁阀、传感器及其它关键元部件的性能、可靠性等方面距实际应用仍有相当大的差距。目前，国外液压支架几乎全部采用电液控制技术，其移架速度可达5~8s。1.3液压元件（1）国产液压支架安全阀的额定流量一般为100L/min，而国外支架安全阀的流量已达500L/min。由于国产安全阀流量小，在顶板压力增大时，容易造成立柱鼓胀，这是国产支架损坏的一个重要原因。（2）国产液压支架液压阀多以45钢为基础材料，加表面镀锌（防锈）处理，其防锈能力一般为3~6个月;而国外支架液压阀多使用铜合金壳体和高强度不锈钢阀芯，阀件不存在锈蚀问题。国产支架液压元件的密封件多为橡胶制品，使用寿命为2年左右;而国外支架的密封件多采用高分子复合材料，其使用寿命可达5年。（3）液压阀的耐久性试验远低于国外标准。如操纵阀的耐久性试验，国内要求为5000次，而国外标为20000次以上。4.国内支架提高水平所采取的措施•选用WCF-80优质板和进口部份板；•保证焊前预热焊后热时效处理提高焊缝质量；•阀的加工全部在加工中心进行加工，阀采用锥刚性密封，既提高了流量，又保证了精度；•关键密封件进口；•电液阀及控制系统与国外联营，因德国有很多公司被DBT所挤压，又具有很好的技术实力，合作能够实现。5.液压支架电液控制系统的应用现状及发展趋势•国外最早在20世纪70年代开始开发研制液压支架用的电控系统，80年代开发研究工作进入实质性应用的阶段。到了20世纪90年代，液压支架电液自动控制技术已经成熟，工作性能和可靠性已能满足使用要求，因而发展十分迅速，成为发达产煤国家综采工作面液压支架的标准控制装备。•据不完全统计，目前已有近300多个综采工作面使用电液控制液压支架，主要集中在美国、澳大利亚、德国、中国、斯洛文尼亚、南非、俄罗斯、波兰、墨西哥、加拿大等国家。•液压支架电液控制系统在美国、澳大利亚、德国等煤炭生产发达的国家已经得到了普遍的应用，而在国内的神东集团、兖矿集团、铁煤集团、开滦集团也得到了成功的应用，取得了很好的技术经济效果。•液压支架电液控制系统是实现综采工作面高产高效的关键技术设备，也是今后的发展方向，这是我国国民经济快速发展和煤炭生产高产高效集约化发展的需要，是煤炭生产技术发展进步的必然结果。5.1液压支架电液控制系统的优越性液压支架电液控制系统是具有单片机、传感器等电子装置和液压回路控制部件的、可以根据生产需要而控制液压支架自动动作的系统。优点：1）将液压支架的降架、拉架、升架、推移前部输送机、拉后部输送机、收护帮板、伸护帮板、喷雾洒水及放顶煤等动作由原来的人工手动操作改为电液自动控制、程序化操作，能够与高效采煤机相匹配加快工作面推进速度，显著提高采煤工作面的生产效率；2）可以实现跟机自动化作业、降低工人的劳动强度，改善工人的劳动条件、减少工作面的操作人员，改变煤矿生产落后危险的社会形象。3）可以解决特殊地质条件和困难生产条件下的生产工艺问题，例如在薄煤层工作面人员无法在工作面内操作的条件下，可以实现无人化工作面（需与刨煤机系统配合使用）；4）可实现多架同时推输送机并可定量推进，保证输送机缓慢弯曲，避免中部槽连接处产生过大的应力，延长输送机的寿命，同时可以保护工作面输送机的平直性，实现工作面的平直推移；5）易于实现带压移架，对于保护顶板的稳定性和防止冒顶事故非常有利；6）可以较好地控制了支架初撑力，显著地改善支护效果和工作面管理水平。5.2主要供应商的基本情况•目前，在国际市场上以德国DBT公司、JOY公司和德国MARCO公司的产品占主导地位。美国、澳大利亚以DBT公司、JOY公司为主（基本上各占50%），德国以MARCO公司为主