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液压支架支护与抽架一体化回撤装备创新设计及应用研究

2024-06-11 48 上传者：管理员

摘要：以往煤矿综采工作面液压支架回撤过程中存在顶板支护效果差、支架抽架困难等问题，导致液压支架回撤作业安全事故频发、回撤效率低下。针对以上情况，创新设计一种新型液压支架支护与抽架一体化回撤装备，该装备包括回撤支架、辅助支撑装置、抽架装置等部分，每个部分针对回撤过程中存在的问题优化设计，提高回撤作业整体效率和安全性。该一体化回撤装备在兖矿能源鲍店煤矿8304工作面液压支架回撤中进行应用，12 d时间内顺利完成120架液压支架回撤，对比以往回撤效率提高85%，工作效率高，用人少、安全系数高，而且有效降低职工的劳动强度，实现综采工作面液压支架回撤全机械化作业。

关键词：
创新设计
回撤装备
实际应用
支护抽架一体化
液压支架
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综采工作面开采设备回撤是煤炭开采过程中的关键环节，其直接关系到整个矿井的生产效率以及工人的安全。液压支架是煤矿综采工作面开采中的关键设备，主要是对工作面起到支撑和稳定作用，液压支架质量占据工作面设备总质量的82%左右，液压支架回撤是工作面回撤的关键。液压支架传统单通道单翼回撤工艺存在回撤作业区顶板维护困难、待拆除支架抽架难、绞车钢丝绳易崩断等现象，导致工作人员劳动强度大、自动化程度低、安全事故频发等问题，影响工作面回撤效率。针对以上情况，创新设计一种新型支护与抽架一体化回撤装备，可实现一次性快速移架到位、加强顶板支护、快速准确抽架到位，可自动前移，实践应用效果理想。

1、传统液压支架回撤工艺及存在的问题分析

1.1 传统液压支架回撤工艺

以往传统液压支架采用单通道单翼回撤工艺，如图1所示，该工艺主要分为撤除作业区顶板支护工艺和等待撤除支架的抽架、转向、拉移工艺。撤除作业区顶板支护通常依赖于原始方法，使用木垛、单体液压支柱+工字钢梁或者直接利用工作面液压支架进行顶板支护。待撤除支架的抽架方式主要使用“矿用绞车+牵引钢丝绳+回转轮或液压之间抽架机”进行，待撤除支架的转向和拉移方式主要采用“矿用绞车+牵引钢丝绳”实施。

图1 传统液压支架单通道单翼回撤工艺

1.2 传统液压支架回撤工艺存在的问题分析

第一，传统液压支架回撤工艺中的支护方式存在不足，撤除作业区顶板不稳。木垛、单体液压支柱+工字钢梁等支护方式虽然在过去的工作环境中能够提供必要的顶板支持，但工作面回撤导致作业环境复杂化，对安全要求更高，这些传统支护方式开始显现出多方面的不足。例如木垛的使用不仅劳动强度大，而且在顶板承受较大压力时容易变形或破碎，不能保证长期的稳定性和安全性。

第二，回撤支架直接使用工作面液压支架存在明显不足。工作面液压支架移架步距一般在0.8 m左右，支架中心距一般在1.75 m左右，每撤走1台液压支架回撤支架需移架2次以上，多次移架及反复支撑顶板不仅会延长支护作业时间，还不利于待撤除作业区顶板的维护；工作面液压支架直接用于顶板支撑，可能无法适应复杂的地质条件。在承受不均匀压力或遭遇不稳定的顶板时，这些支架可能会失效，导致顶板坍塌和其他安全事故；在多变的工作面环境中，工作面液压支架可能无法满足特定条件下的支撑需求，如撤除通道宽度变化、顶板材料不同等。

第三，采用绞车+牵引钢丝绳进行抽架的传统方法确实存在若干安全和可靠性问题。在具体操作中，钢丝绳在受力时容易发生断裂，这种断裂不仅可能导致作业中断，而且断裂的钢丝绳可能会突然弹飞，造成严重的安全隐患，甚至可能导致人员伤亡和设备损坏。

第四，采用液压支架抽架机进行抽架操作存在一些局限性，特别是在速度和空间利用方面。速度慢：液压支架抽架机在操作过程中，液压系统的反应时间和动作执行速度可能相对较慢，这会延长整个撤架过程的时间，影响生产效率。占用空间大：液压支架抽架机通常体积较大，需要占用更多的作业空间，这在空间有限的矿井中尤为不利。灵活性不足：液压支架抽架机的重量和体积限制了其在狭窄或复杂工作面的灵活性和机动性。设备复杂性：液压系统的复杂性可能导致维护困难和成本高昂。

2、液压支架支护与抽架一体化回撤装备的总体设计

面对传统液压支架回撤工艺中存在问题，从顶板支护、抽架2个方向着手，对液压支架回撤现场工况的调研分析基础上，创新设计液压支架支护与抽架一体化回撤装备，在实现顶板支护和抽架操作的高效整合，显著优化传统回撤工艺。该装备如图2所示，主要包括3架回撤支架、推移衡梁、加长衡梁、辅助支撑装置、抽架装置、待撤除支架等部件。

图2 液压支架支护与抽架一体化回撤装备示意图

回撤支架：3架结构设计，提供坚固的顶板支护，大大提升顶板稳定性和作业安全性；设计考虑了各种顶板条件，确保在不同工况下均能提供可靠支撑。辅助支撑装置：与单体液压支柱相配合，用于加强撤除作业区采空侧顶板的辅助支撑，特别是在顶板条件不佳的区域，提供额外的安全保障。抽架装置：紧密与回撤支架相连，设计用于高效地执行抽架操作，并能够随回撤支架的移动自动前移，从而减少了对额外空间的需求，并提高了抽架速度。护顶钢钎输送装置：这一装置能够在必要时提供顶板的临时支护，保护作业人员免受可能的顶板垮塌影响。推移横梁：用于支撑结构的前移，保障了撤除过程中的连续性和效率。加长横梁：提供了设备在不同宽度的撤除巷道中使用的灵活性，从而适应各种矿井结构。

这些部件的集成化设计，不仅提升了回撤作业的效率，还通过减少设备占用的空间和操作的复杂度，降低了工人的劳动强度。整个装备布置经过精心规划，每个部件在整个系统中都发挥着不可或缺的作用，共同构成了一个高效、安全且可靠的回撤系统。

3、液压支架支护与抽架一体化回撤装备各部件设计分析

3.1 回撤支架的创新设计

3.1.1 针对回撤支架存在的问题设计思路分析

以往采用工作面液压支架做为回撤支架使用，移架步距较小，一般在0.8 m左右，以往每撤走1台支架回撤支架需2次以上移架，无法一次性移架到位。针对该问题，考虑设计一种专用的移架步距大的回撤支架，可实现一次性移架到位置。能及时地对撤除作用区顶板进行支护，为支架的调向提供回转空间。

3.1.2 回撤支架的创新设计

根据兖矿能源集团回撤巷道顶板条件的特点和液压支架的特点，设计了大移架步距的ZZ6800/20.5/40型回撤支架。该支架的突出特点如下。大移架步距：该回撤支架能够以大步距一次性移动到位，极大地缩短了支架移动时间，提高了回撤作业的效率，这种设计减少了多次微调的需求，降低了作业的复杂性。对称底座与抽架连接装置：底座的对称设计和集成的抽架连接装置确保了支架在移动时的稳定性和对待撤除支架的快速连接能力；设计使得支架系统更加灵活，能迅速适应各种工作面的需求。护顶钢钎输送机构：顶梁上设有的护顶钢钎输送机构可以有效提供顶板的临时支护，这对于保护作业人员和设备，防止破碎的岩石落下至关重要。固定大侧护板：顶梁两侧的固定大侧护板设计可以有效地对采空侧进行挡矸操作，减少了落石对作业人员的潜在威胁，提高了作业面的整体安全性。

3.2 抽架装置的创新设计

3.2.1 针对抽架装置存在的问题设计思路分析

以往采用单通道单翼回撤工艺时，抽架方式主要使用“矿用绞车+牵引钢丝绳+回转轮或液压之间抽架机”进行。该抽架作业存在抽架时间较长，抽架力量不够，无法顺利完成对质量近80 t的大采高重型支架的抽架。从抽架过程中的快速抽架及需要足够大的抽架力2方面考虑，设计一种快速强力抽架装置，有效提高支架回撤工艺中抽架工序的效率和安全性。

3.2.2 回撤支架的创新设计

针对以往支架抽架难的问题，创新设计了一种快速强力抽架装置，如图3所示，主要由圆环链、转向轴、滑轮、接链盒、抽架梁、连接耳轴和抽架千斤顶组成。

主要结构特点如下。抽架梁的设计：采用箱型结构梁设计，这种设计不仅结构简单，而且强度高，能够承受重型支架带来的大负荷。抽架千斤顶的适应性：抽架装置通过更换不同抽架千斤顶，能适用于不同的工作面和支架类型；不同抽架千斤顶的主要技术参数能够满足多样化的作业需求。连接方式的灵活性：耳轴用于将抽架机构与回撤支架连接，使抽架梁能够上下自由摆动，以适应回撤巷道底板的不同起伏，提供了额外的适应性和灵活性。自动前移功能：抽架梁能够随回撤支架的前移自动前移，这一特性极大地简化了操作流程，提高了作业效率。一次性快速抽架：装置的设计允许一次性快速、准确地完成抽架到位，显著减少了整个撤架过程所需的时间。连接安全性：待撤除的支架与抽架千斤顶之间采用圆环链连接，连接方式既方便又安全，减少了因连接失败可能导致的安全事故。

图3 抽架装置结构示意图

3.3 辅助支撑装置的创新设计

3.3.1 支撑问题及设计思路

从兖矿能源集团井下工作面液压支架回撤巷道的实践可知，占比达到95%的回撤巷道顶板较破碎，采空侧回撤支架降架过程中顶板会紧随之间降架而下沉。主要原因有：顶板本身的不稳定性；支架撤除引发的应力释放；撤出作业中的震动引发。顶板下沉会影响回撤支架的正常移架，增加作业的危险性。以往针对顶板下沉问题，一般在采空区侧采用单体液压支柱进行辅助支护，支护效果一般，同时单体液压支柱的安装和回撤劳动强度大，操作过程中存在安全隐患。传统的单体液压支柱需要人工进行移动和安装，这不仅劳动强度大，而且在操作过程中存在安全隐患。

解决思路如下：①提前规划和评估。降架作业前进行详细的顶板稳定性评估，根据评估结果规划支撑措施。②加强临时支撑。在撤除作业进行之前和过程中，通过临时支撑设施如工字钢、木梁或专门设计的顶板支撑装置加固顶板。③使用辅助支撑装置。开发的辅助支撑装置，如自动前移的单体液压支柱，能够随着回撤支架的移动同步提供稳定的支撑，避免顶板下沉。④缓慢有序的撤架过程。控制撤架速度和顺序，确保在任何时候顶板都有足够的支撑。⑤监测与预警系统。安装先进的监测设备，实时监控顶板的移动和裂缝的发展，一旦检测到下沉迹象，立即采取措施。

3.3.2 辅助支撑装置的创新设计

经多次现场实验，设计了一种实现单体液压支柱自动前移的创新辅助支撑装置，创新辅助支撑装置实现了单体液压支柱的自移，对采空区一侧进行辅助支护，解决顶板不断下沉问题。

创新辅助支撑装置结构如图4所示，主要有连接头、圆环链、拉移千斤顶、单体液压支柱安装筒、支撑座等部件。连接头和圆环链：构成装置的连接系统，确保单体液压支柱与装置之间的紧密连接，同时允许一定程度的灵活性以适应不同的作业环境。拉移千斤顶：提供必要的动力，使得单体液压支柱能够根据撤架进度自动前移。单体液压支柱安装筒：用于固定单体液压支柱，确保在顶板下沉时支柱的稳定性。支撑座：为单体液压支柱提供稳定的支撑平台，确保在移动过程中支柱的垂直性。

图4 辅助支撑装置结构示意图

当撤架作业进行过程中需要对采空侧顶板加强支护时，创新辅助支撑装置为单体液压支柱提供固定安装座，并可以实现单体液压支柱的自动回撤，工作劳动强度小，安全隐患较少。

4、实践应用及效果分析

液压支架支护与抽架一体化创新回撤装备设计及制造完成后，在鲍店煤矿8304工作面液压支架回撤中进行实践应用。8304工作面推进长度1 405 m，宽度205 m，使用的液压支架型号为ZY6800/19.5/40，重量为22.8 t。为提高8304工作面液压支架回撤效率，应用了液压支架支护与抽架一体化创新回撤装备。该创新回撤装备应用后，回撤过程中撤架作业时因设计有创新辅助支撑装置能及时地对采空侧顶板采用单体液压支柱进行加强支护，采用大移架步距设计回撤支架能够在一次操作中快速移架到位，大幅度提高了撤除作用区顶板支护效果，快速强力抽架装置的应用能实现待撤除支架时准确抽架到位，设备可自动前移。应用该创新回撤装备，在12 d时间内顺利完成了8304工作面120架液压之间的回撤工作，无一起安全事故发生。对比以往采用传统的单通道单翼撤除工艺，撤除效率提高了85%，工作效率高，用人少，安全系数高，而且有效降低了职工的劳动强度，实现了综采工作面液压支架回撤全机械化作业。

5、总结

创新设计了一种新型液压支架支护与抽架一体化回撤装备，该创新回撤装置关键成果如下。①顶板支护效果显著提升。通过改进支撑技术，新开发的装备提供了更为稳定和可靠的顶板支撑，有效减少了顶板崩塌风险，提高了作业的安全性。②抽架操作的效率和准确性增强。创新的抽架装置使得对待撤除支架的抽取变得更加迅速和精确，大大降低了整个撤除过程的复杂性和时间消耗。③工人劳动强度的显著降低。自动化和半自动化的设计特点减少了工人的物理劳动，从而降低了作业过程中的劳动强度。④撤除作业的整体安全性和效率提升。装备的应用不仅提高了作业的安全性，也显著提高了工作效率，确保了煤矿生产的连续性和稳定性。

该回撤装备在鲍店煤矿8304工作面液压支架回撤中进行应用，12 d时间内顺利完成120架液压支架回撤，回撤效率高，自动化程度高，用人少，安全系数高，具有较好的经济安全社会效益。新型液压支架支护与抽架一体化回撤装备对于提升整个煤矿井下辅助运输系统的安全标准具有重要意义，为避免矿井事故提供了更有效的技术手段。

参考文献:

[1]代卫卫,陈建荣,方明阳.大倾角工作面液压支架撤除技术研究[J].煤炭科学技术,2020,48(3):140-146.

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文章来源:陈明信,辛忠旺.液压支架支护与抽架一体化回撤装备创新设计及应用研究[J].科技创新与应用,2024,14(17):6-9.