大采高液压支架ZY9400研究报告.docx

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大采高液压支架ZY9400研究报告

鉴定资料之四

ZY9400/28/62型大采高强力

高可靠性掩护式液压支架

研究报告

郑州煤矿机械集团有限责任公司

2007年1月

一、项目研制背景

1、项目开发的必要性

综合机械化采煤是煤矿开采技术现代化的重要标志，近二十多年来，世界各主要产煤国家如美国、澳大利亚、南非等为了提高工作面的自动化程度、降低生产成本，都在积极发展适应各自地质条件的高产高效综采设备，使工作面产量纪录不断刷新，取得了举世瞩目的成就。

厚煤层一次采全高高效综采技术是世界煤炭井工生产技术主要竞争领域。

国外主要采矿设备制造商在厚煤层高效综采设备方面形成了以DBT、JOY公司为代表的具有垄断地位的国际采矿设备巨头。

进口厚煤层工作面综采成套设备每套价格在3000～4000万美元，后期配件价格甚至高达原值20～30倍，维修成本高昂，对煤炭企业的持续发展造成严重的负面影响。

国内厚煤层一次采全高综采成套装备已被国外煤机企业“占据先机”，而且正依赖技术优势，开始在国内投资建厂，有长期垄断国内高端煤机产品市场的趋势；同时，鉴于国内在高端产品领域的空白，近年来大幅提高了其产品在我国的销售价格（达30%～40%），加剧了煤炭企业负担，制约了我国综采生产发展。

随着全球经济一体化的加剧，国内煤机装备设计、制造企业正积极参与国际竞争，通过自主研究开发、引进关键元部件、整合国内科技和制造资源，努力使我国煤机装备整体研制水平上一个新的台阶。

我国也是世界煤矿机械生产制造大国，已有部分产品出口国外，本项目在满足国内煤炭生产需求的同时，还可以发挥技术和价格优势，将高端产品打入国际市场，提高我国煤机出口商品国际竞争能力。

晋城煤业集团从上世纪80年代开始采用综合机械化采煤方法以来，先后采用了分层综采和放顶煤综采技术，并取得了较好的经济和社会效益。

2002年又引进了大采高一次采全高综采设备，开始研究适合晋城矿区的大采高一次采全高综采工艺技术，并取得了良好的经济和社会效益，。

实践证明大采高一次采全高综采技术非常适合晋城煤业集团的地质条件，是晋城矿区采煤方法的发展方向.但由于大采高开采所使用的工作面液压支架完全依赖国外进口，设备投资大，配件供应不及时，这上一定程度上影响了大采高一次采全高综采技术在晋城矿区，甚至国内其它矿区的推广应用，为此晋城煤业集团于2003年开始与国内煤机制造单位合作研制国产化ZY8640/25.5/55（5.5m）大采高液压支架,取得了工业性试验的成功，积累了经验。

为了使该矿区3#煤层6m厚煤层开采的资源回收率进一步提高,2004年，提出了6.2m大采高液压支架研发与制造的设想。

2、晋城矿区主采煤层地质条件

晋城矿区受新华夏构造太行山隆起带、断裂带、晋东南山字型构造的影响，构造形态以褶曲为主、断裂次之。

地层倾角3°～15°，一般在10°以内。

褶曲一般为幅度不大，两翼平缓、开阔的背、向斜。

断层以高角度正断层为主，落差一般不大于20m。

晋城矿区煤系地层为石炭系太原组和二迭系山西组，共含煤层16层，煤层平均总厚度为11.49～13.87m。

主要可采煤层为3号、9号和15号煤层。

煤层倾角2～10°，一般5°左右。

其中，3号煤层位于山西组下部，是主要的全区稳定可采煤层。

厚度为4.4-8.86m,平均厚6.03m,煤层倾角一般在10度以内，局部有褶曲，倾角可能增大,属近水平煤层。

区内地质构造简单,断层较少,可能出现无碳柱陷落柱煤层，易于开采。

从井下观测：

3#煤层顶、底部较软、中部较硬。

顶煤1.2米范围内裂隙发育，层理明显。

距底板1.5米处有夹矸，夹矸下有软煤，厚10-20mm,夹矸稳定，而软煤不堪稳定。

顶板岩性主要为泥岩、沙质泥岩、砂岩互层。

底板主要是泥岩、粉砂岩，局部为细砂岩。

从测试结果看

A、3#煤的下部煤层其容重1.363-1.415g/cm3,平均1.393g/cm3,单轴抗压强度15.75-16.49MPa,平均16.17MPa,抗拉强度0.87-1.1MPa,平均1.0MPa,弹性模量248-923MPa,平均487MPa,3#煤的顶煤容量1.502g/cm3,单轴抗压强度15.42MPa,抗拉强度1.77MPa,弹性模量650Mpa.

B、3#煤伪顶，局部不稳定，岩性为炭质泥岩，厚0.3-0.5m,容重1.974g/cm,单轴抗压强度10.41MPa。

C、3#煤层直接顶，厚12-15m,岩性为页岩、砂页岩、局部砂岩互层顶板。

3#煤直接顶均为泥质胶结，浸水后软件系数为0.363,故该顶板遇水后极不稳定。

D、3#煤层老顶，为灰色粗砂岩，容量2.645g/cm3,单轴抗压强度51.5MPa,抗拉强度8.44MPa,弹性模量9688MPa。

E、3#煤底板，为砂质页岩，容量2.565g/cm3,单轴抗压强度41.45MPa,抗拉强度6.24MPa,弹性模量1609MPa。

#煤底煤比压测定结果：

（1）、距煤底板0.7m处，容许比压25.36MPa。

（2）、距煤底板1m处，容许比压14.68-21.36MPa,平均18.02MPa。

（3）、距煤底板1.5m处，容许比压12.01-13.35MPa，平均12.68MPa。

（4）、距煤底板2m处，容许比压18.69MPa。

全矿区构造为简单型，适合采用大采高工艺进行大规模综合开发，有利于建设大型高产高效矿井。

寺河矿地质综合柱状图如图1所示。

图1寺河矿地质综合柱状图

3、国内外相关技术现状及发展趋势

世纪之交的十多年间，以长壁高效综采为代表的煤炭井工开采技术取得前所未有的新进展。

高效综采发展主要体现在以下三方面：

一是综采工作面生产能力大幅度提高，采区范围不断扩大，出现了“一矿一面”年产数百万吨煤炭的高产高效和集约化生产模式；二是高效综采装备和开采工艺不断完善，推广使用范围不断扩大，中厚煤层开采、厚煤层一次采全高开采和薄煤层全自动化生产等技术和工艺取得巨大成功；三是高效综采装备的研制开发取得新的技术突破，年生产能力已经达到10Mt，并实现了综采工作面生产过程自动化，大型综采矿井技术经济指标已经达到大型先进露天矿水平。

鉴于我国煤炭为主的能源结构和当前煤炭需求快速增长，高效综采也将成为能源开发技术重要的竞争领域。

3.1、国外技术发展情况

二十世纪末期以来，高新技术不断向传统采矿领域渗透,美、澳、英、德等国家采用了大功率可控传动、微机工况监测监控、自动化控制、机电一体化设计等先进技术适应不同煤层条件的高效综采大型设备。

新型综采设备在传动功率、设计生产能力大幅度增加的同时，设备功能内涵发生重大突破，并实现了综采生产过程的自动化控制。

在适宜的煤层条件下，采煤工作面可实现年产8～10Mt，矿井的年产可突破10Mt，出现了“一矿一面、一个采区、一条生产线”的高效集约化生产模式。

近年来，国外已经有多处矿井综采工作面突破年产量10Mt大关。

美国长壁综采工作面的产量一直处于世界领先地位。

在美国现有的长壁综采工作面中，有15％的工作面平均班产超过6000吨，相当于年产400多万吨水平，个别工作面月产已超过80多万吨，所配备的液压支架工作阻力大部分在7000~8000KN，个别达到9800KN，有87．5％的工作面配备电液控制系统，配套设备均为大功率电牵引重型采煤机组和大功率、大运量、高可靠性刮板运输机。

澳大利亚近十多年来综采技术发展很快，长壁工作面数量成倍增长，部分工作面产量达到了300～400万吨，为使综采工作面产量持续增长，近几年来，澳大利亚采取了一系列措施，包括改革劳动制度，采用各种新设备、新技术，综采工作面优选世界各国先进的重型高效装备，实现一井一面、集中化生产。

英国和德国是世界上综采技术装备最先进的国家，由于受其煤层赋存条件的限制，其高产高效工作面纪录不如美国和澳大利亚，但世界著名的采煤机械公司主要集中在德国和英国。

近年来，由于国际采矿业市场的不景气和激烈竞争，导致各公司的相互兼并，形成几个大跨国公司。

为占领市场，各公司不断开发新技术、新产品。

世界主要采矿设备制造商在综采设备方面展开了激烈的竞争，导致了煤机企业的兼并重组，形成了以德国的DBT、Eickhoff和美国JOY公司为代表的国际采矿设备厂商，基本垄断了综采设备高端产品市场。

从国外厚煤层综采工作面情况可以看出，

（1）工作面尺寸大，工作面长度225～305m，工作面推进长度普遍在2500m以上，最高达到5000m。

（2）采煤机功率大部分在1000KW以上；支架工作阻力在8500～11700之间；刮板输送机功率在2×600～3×1150KW之间。

（3）美国全部采用两柱掩护式支架，澳大利亚大部分采用两柱掩护式支架。

（4）大部分工作面采用自动化控制系统。

（5）采用高工作阻力、大功率、高可靠性的设备保证工作面高效安全生产。

3.2国内技术发展情况

目前国内1.7～3.5m中厚煤层开采及其支护技术日趋完善，且液压支架已成系列产品。

6m以上的厚煤层及特厚煤层的放顶煤开采及支护技术经过近20年的发展在国内也已经大面积推广应用，其相应的支护技术及支护设备也相当成熟，但对于4～6m厚的煤层一次采全高开采技术及支护技术还是起步阶段，针对5m左右煤层的开采，目前国内有两种开采方法：

一是使用一般综采支架一次采3.5m～4m左右，丢顶煤或丢底煤，造成资源浪费；二是采取小采高分两层采，生产效率低，投资大。

若用放顶方法开采，采放比太小，顶煤回收时煤矸率太高，所以该类煤层回采综合效益最好的办法是一次采全高，选用大采高支架配大功率的采煤机及运输机，可以实现的高产高效，目前，神华、晋城煤业公司引进的大采高设备主要是德国DBT和美国JOY公司的产品。

随着对引进设备的消化吸收和液压支架技术的发展，国内近几年在大采高掩护式液压支架的设计、检测等方面都有了很大的提高，为成功研制大采高支架提供了可靠的技术保障。

郑煤机集团生产的ZY8640支架，ZY7600支架目前在晋城、神华已批量投入使用，价格低于引进的设备。

这些支架研制成功，填补了我国该类支架的空白。

液压支架在综采成套设备中比重最大，占总投资的50%-70%，而且实现国产化难度较小、收效最大。

就煤机制造业当前状况来讲，经过几十年特别是近几年的发展，我国在技术上、材料上、工艺装备水平及加工能力与国外大大缩短了差距，具备了制造高性能液压支架的条件，郑煤机集团从上世纪90年代中期开始研究液压支架用高强度钢板极其焊接问题，经过几年的发展，σs=450Mpa、σs=550Mpa的高强度钢板焊接工艺已经成熟，在国内设计生产的液压支架中已普遍推广应用，σs=690Mpa的高强度钢板的焊接工艺也已经解决，开始在国产支架中采用，并且获得成功。

为成功实施大采高、大工作阻力两柱掩护式液压支架的本土化奠定了基础。

从总体上看，国内已经具备了设计和生产大工作阻力、大采高液压支架的能力。

3.3、综采工作面液压支架与国外比较存在的主要差距

近几年，国内液压支架设计与制造技术迅速提高，但大采高液压支架总体技术与国际先进水平还有一定差距，国产液压支架与进口支架在结构件选材、焊接工艺技术及质量控制、液压密封元件、电液控制系统等方面存在急需解决的技术难题，见表1。

表1　国内外大采高液压支架技术比较

比较项目

国外

国内

设计理念

采用两柱掩护式结构，工作阻力大，可靠性耐用性高

采用两柱或四柱支撑或掩护式结构，功能完善、经济，也注意可靠性

设计方法

采用的CAD三维仿真、有限元分析等现代设计方法

采用的CAD三维仿真、有限元分析等现代设计方法

结构件选材

多选用高强度、高韧性优质钢材，其抗拉强度从800MPa到1000MPa

使用高强度优质钢材WH70、CF80等，抗拉强度从600MPa到800MPa

密封材料

选用高级聚胺酯树脂密封材料，制造工艺水平高

国产聚胺酯树脂密封材料不过关，制造工艺水平不高

焊接工艺

焊接采用负氩等离子焊接工艺，焊后整体回火消除焊接应力

焊前预热，焊接采用CO2气体保护焊接工艺，焊后整体回火消除焊接应力

供液系统

采用多泵并联大流量环行供液系统，流量达到500l/min以上，设置多级高精度过滤装置，保证了电液控制系统工作可靠性

采用两泵并联大流量环行供液系统，流量低，过滤系统简单，过滤精度低

二、项目研制方案及技术路线

1、适用条件：

用于单一煤层开采工作面，煤层倾角不大于10°。

适用工作面采高范围为3.5-6.0m；厚煤层一次性采全高，作用于每架支架上的顶板压力不超过9400KN。

上下顺槽尺寸为5.5×3.25m（宽×高）工作面长225m。

配套设备：

采煤机:

SL500（EKF公司）1台

输送机:

42mmAFC（JOY公司）1台

转载机:

（山西煤机公司）1台

中间支架:

ZY9400/28/62（郑煤机集团）115架

排头支架：

ZYT9400/25.5/55（郑煤机集团）6架

过渡支架：

ZYGT9400/25.5/55（郑煤机集团）2架

过渡支架：

ZYG9400/25.5/55（郑煤机集团）12架

2、设计指导原则

2.1、针对晋城煤业集团煤层的赋存条件，并满足其今后发展的要求，充分研究、消化进口支架的设计理念和结构特点，吸收其先进、合理的部分，与我国的设计、制造优势相结合，采用国际化集成，使该支架的研制技术先进、可靠性高。

6.2m大采高液压支架的设计由郑煤机集团公司承担。

2.2、满足晋城煤业集团公司所提技术性能要求和专家论证意见，重点解决支架对顶底板的适应性、稳定性和顶板、煤壁片帮的管理。

2.3、运用计算机辅助设计手段对四连杆机构进行参数优化、受力分析和结构强度有限元分析，提高支架的支护能力和抗扭能力，改善支架受力状态。

在保证可靠性条件下，减轻支架重量。

2.4、参照欧洲EN液压支架标准和MT312—2000标准，制定出新的试验标准，循环疲劳试验51000次，保证支架的适应性和高可靠性。

2.5、电液阀及一些重要阀、立柱、千斤顶密封件等国内不能解决的从国外引进，保证整架可靠性。

2.6、根据我国钢材及加工工艺等方面的实际情况，为满足结构件强度和支架的可靠性，选用目前国内质量可靠的钢材、采用先进且成熟的加工工艺方法，并对特殊工艺进行专题研究和试验，最终达到总体设计要求和目的。

3、所采用的技术路线

3.1、调查研究国内外同类地质条件下综合机械化采煤工作面及综采设备的现状、存在问题及发展趋势，完成项目可行性论证；

3.2、分析目前国内外高产高效工作面的特点及技术装备情况，结合矿区的特点，确定项目实施地点、工作面布置及设备选型原则。

3.3、根据国内外综采设备的发展现状，确定能满足工作面生产能力要求的采煤机、运输机及其它配套设备；

3.4、分析目前国内外同类地质条件下所使用的综采液压支架的特点，结合晋城矿区的具体地质条件，确定合适的液压支架架型；

3.5、研究设计工作面液压支架的初步方案，广泛论证，深入探讨，确定支架的最终方案及其主要参数；

3.6、完成工作面总体配套设计；

3.7、调查研究支架液压控制系统的现状及性能，确定能满足要求的液压支架液压控制系统；

3.8、完成液压支架与液压控制系统的配套设计；

3.9、优化液压支架结构并进行液压支架结构件强度计算，完成液压支架设计；

3.10、样机试制、评审及试验，完善设计；

3.11、设备验收并进行地面联合试运转；

3.12、井下工业性试验；

3.13、完成项目技术鉴定。

三、ZY9400／28／62型液压支架设计

1、支架的总体参数（技术特征）

1.1、型式两柱掩护式液压支架

支架高度（mm）2800～6200

额定工作阻力（KN）9400（P=41.4MPa）

初撑力（KN）7140（P=31.5MPa）

平均支护强度（MPa）f=0.2时1.08～1.11

平均底座比压（MPa）f=0.2时2.09～2.25

支架中心距（mm）1750

支架宽度（mm）1650～1850

运输的外形尺寸（mm）7790×1650×2800

移架速度（s）单台支架完成一个工作循环时间8-10s

人行道宽度（mm）立柱后侧大于600mm（底部）

推移行程（mm）960（移架有效步距865mm）

两立柱中心距（mm）940

1.2、立柱（2个）

型式双伸缩式

高度（mm）2186～5498

行程（mm）3312（1660+1652）

初撑力（mm）3570（P=31.5MPa）

额定工作阻力（KN）4700（P=41.4MPa）

立柱内径／外径（mm）380/440

中缸内径／外径（mm）280/360

活柱直径（mm）260

1.3、平衡千斤顶（1个）

内径／外径（mm）200/245

活塞杆直径（mm）140

行程（mm）565

额定推力／拉力（KN）1300/663（P=41.4MPa）

1.4、推移千斤顶（1个）

型式倒装

内径／外径（mm）165/203

活塞杆直径（mm）100

行程（mm）960

推溜力／拉架力（KN）426/673

1.5、侧推千斤顶（4个）

型式内注液

内径／外径（mm）80/102

活塞杆直径（mm）60

行程（mm）200

推力／拉力（KN）157/69

1.6、抬底千斤顶

型式内注液

内径/外径（mm）140/168

活塞杆直径（mm）100

行程（mm）260

推力／拉力（KN）485/237

1.7、伸缩梁千斤顶（2个）

内径/外径（mm）100/121

活塞杆直径（mm）70

行程（mm）800

推力（KN）247

拉力（KN）126

1.8、一级护帮千斤顶（2个）

内径/外径（mm）100/121

活塞杆直径（mm）70

行程（mm）415

工作阻力（KN）P=38MPa298

拉力（KN）126

1.9、二级护帮千斤顶（2个）

内径/外径（mm）63/83

活塞杆直径（mm）45

行程（mm）330

推力（KN）98

拉力（KN）47

2、支架的结构特点

2.1、支架工作阻力

支架工作阻力大小直接影响支架的支护能力，根据寺河矿矿压观测要求支护强度>1MPa，按照德国SL500采煤机、JOY42mm输送机配套，工作阻力达9400KN，支护强度1.08MPa左右，双伸缩立柱缸径φ380mm，立柱装有500L／min大流量安全阀，以适应顶板来压的变化。

2.2、采用整体顶梁前端带内伸缩梁，前端梁端力283吨。

伸缩梁上设有二级护帮机构，由两级千斤顶控制，一级护帮板采用小四杆机构，护帮板挑平后可上翻3°以上，护帮板收回时顶梁体前端的厚度约410mm，中间支架护帮高度2500mm。

两级护帮千斤顶都安装双向锁、安全阀。

当采煤机采完煤后及时将伸缩梁和护帮千斤顶伸出，护帮板支护住煤壁，以防止煤壁片帮。

拉架时先收回伸缩梁和护帮板，然后拉架。

2.3、掩护式支架的平衡千斤顶对支架的顶梁受力及支架对顶板的支撑和维护起到关键作用，在支架的设计过程中，重点考虑保护平衡千斤顶不受损坏，支架在最大高度时顶梁可下摆15°角；在支架的顶、掩梁处增加限位装置，使支架的顶梁与掩护梁之间的夹角在175°时，平衡千斤顶行程留大于有30mm余量。

2.4、平衡千斤顶平衡力矩

两柱掩护式支架平衡千斤顶在支架承载时，通过承受拉压力的变化起到调节支架合力作用位置，改善顶板控制效果的作用。

当顶板比较完整，顶梁后部压力较大，需增大承载及切顶能力时，平衡千斤顶承受拉力，并将支架合力作用位置后移，增大支架后部承载及切顶能力。

当顶板较破碎，顶梁前部压力较大，需较大承载能力时，平衡千斤顶承受压力，并将支架合力作用位置前移，增大支架前部承载能力，设计中尽量提高平衡千斤顶承载能力，选用了φ200缸径平衡千斤顶，增大平衡力矩，提高支架合力作用位置调节能力和适应范围。

2.5、底座前、后过桥处强度

支架底座为刚性中部全开档结构，有利于浮煤排出及推移机构的拆装。

底座前、后过桥处受力较大，且前、后过桥主要用来承受扭矩。

考虑国内焊接制造工艺并吸收现有成功的支架底座前桥结构，把前过桥改为δ60＋δ60两个高强板贴焊的整体型式，在两个内主筋上开120mm宽的槽，把整体前过桥嵌在里边。

后过桥上、下盖板为δ30，并将箱形加高，加强前、后过桥的的抗扭能力。

2.6、推移装置为倒拉长推杆形式，推移千斤项缸径φ165mm，拉架力为673KN。

整体推杆强度高，底座前端拆装。

推移千斤顶行程为960mm，保证有效步距865mm，推移千斤顶缸径φ200mm，活塞杆直径φ140mm，在压力为31.5MPa时推溜力504KN、拉架力989KN，可完全满足推溜和拉架的需要，保证快速移架。

活塞和活塞杆采用半环连接方式，便于拆装维修。

推溜腔设置液压锁和安全阀，防止运输机拉架时倒退实现自动锁定。

2.7、主要连接销轴的强度

顶、掩梁铰接销轴，前、后连杆和底座、掩护梁铰接销轴受力较大，受力状况复杂，所用销轴均为φ160mm；销轴材质抗拉强度为=1250MPa，屈服强度为=850MPa，可靠性大大提高。

2.8、

2.9、四连杆机构

四连杆机构即前连杆、后连杆与掩护梁、底座之间的孔轴间隙控制在0.75mm,通过整体镗加工来保证，档距间隙10mm。

通过减小孔轴间隙及结构件的轴向间隙达到保证支架整体的稳定性。

2.10、在支架底座前过桥后面，设置有抬底装置，抬底千斤顶缸径为φ140抬底力为485KN。

以适应底板变化抬起底座前端,快速移架。

2.11、支架有双人行通道,支架立柱后行人通道的宽度大于600mm。

有利于安全生产。

2.12、支架结构件采用Q690、Q550、Q460材料，减少支架重量，保证支架可靠性，大销轴及主要受力销轴采用35CrMnSiA材料。

2.13、采用电液控制，每架支架一个控制循环时间在8秒左右。

2.14、有大于60Kg部件均设有起吊环或孔，方便使用、维修时吊装。

2.15、顶梁后端侧护板圆弧包裹，实现全封闭不漏矸。

2.16、液压支架前端设有自动喷雾系统

3、支架的主要结构件受力分析与安全系数

3.1、二维平面力系的受力分析

利用计算机软件分别对伸缩梁、顶梁、掩护梁、前连杆、后连杆、底座进行了受力分析计算，以保证各部件都有足够的强度。

（1）伸缩梁：

伸缩梁断面安全系数：

n=1.33

（2）顶梁：

顶梁柱窝处断面安全系数：

n=1.49

顶梁柱窝前1200mm处断面安全系数：

n=2.08

顶梁前端框口处安全系数：

n=1.59

（3）掩护梁：

掩护梁前连杆处断面安全系数：

n=2.86

掩护梁前连杆前200mm处断面安全系数：

n=2.96

（4）前连杆：

前连杆绞接处挤压断面安全系数：

n=4.15

前连杆绞接处抗拉断面安全系数：

n=2.6

（5）后连杆：

后连杆绞接处挤压断面安全系数：

n=4.04

后连杆绞接处抗拉断面安全系数：

n=2.54

（6）底座：

底座柱窝处断面安全系数：

n=1.85

底座柱窝后330mm处断面安全系数：

n=1.818

3.2、三维应力的受力分析

利用先进的三维应力分析软件对顶梁、掩护梁、前连杆、后连杆、底座、进行集中载荷，偏载和扭转应力分析。

借助三维有限元应力图显示的应力大小，对关键零部件结构强度采取补强措施。

三维计算：

偏载时顶梁应力图（1.1倍）

偏载时掩护梁应力图（1.1倍）

偏载时前连杆应力图（1.1倍）

偏载时后连杆应力图（1.1倍）

底座扭转