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科研报告1
整体顶梁组合炮采支架改造为
机械化开采液压支架
机炮两用轻型支架
研
发
报
告
中平能化集团机械制造有限公司
2011年7月
目录
一、研发背景3
二、现有使用整体顶梁组合支架的不足分析4
三、改造后的支架的特点6
四、改造前后两种架型的力学分析及性能比较7
五、两种架型的性能比较与使用选型9
六、工作建议10
七、设备技术参数与实施方案11
八、具体安排13
整体顶梁组合炮采支架改造为
机械化开采液压支架
机炮两用轻型支架
一、研发背景
八十年代中期，“有水快流，大中小一齐上”等国家宏观政策的引导下，小煤矿异军突起，遍地开花，许多完整井田被人为分割、破坏，虽经近几年关井压产、清理整顿，但资源储量小,单井生产能力弱，综合开采程度低,资源浪费严重的小矿井仍然存在。
平煤集团按照国务院、河南省政府要求对地方煤矿进行了重组整合，集团公司所托管及兼并重组的大部分煤矿，由于建矿初期，缺乏资金投入，在技术改造上没有达到规范，现有井口及巷道断面小，提升能力低，生产装备水平低，大面积改造费用高，目前上述类型的矿井井下采煤仍然采用单体支柱、滑移支架或整体顶梁作为支护顶板的炮采。
根据国家、省政府及集团公司的要求逐步取消炮采，实现综合机械化开采，由于矿井井田面积小，资源的完整性破坏造成走向长度或工作面短，井下搬家平繁，另一方面由于井口及现有巷道断面尺寸小，体积大的设备不利于在这些矿井使用。
从2009年集团公司井下整改看，综采“三机配套”项目中的采煤机、刮板运输机属新增设备，不存在问题，所使用的12000架整体悬移支架机采满足生产要求是势在必行。
2009年8月至2009年12月，在平煤股份朝川矿做了第一套机采悬移支架配采煤机实验，作为公司技术攻关项目，公司、业务处室领导和朝川矿领导都非常重视，但由于整体顶梁组合支架是一个平行四边形支撑力学机构，支架出现了梁端前倾、前柱钻底、支架卡别和老塘窜矸等现象，继而出现了机道片帮、抽条漏顶问题，不能为采煤机、刮板机提供移动支撑点，最后实验未能达到预期效果。
经我们多方分析研究，问题出在整体顶梁支架上，只须将整体顶梁组合炮采支架自身改造为稳定机构，方可实现综合机械化开采。
为此，我们联合煤科总院专家和天地科技专家经过一年多的努力，已经研发成功“整体顶梁组合炮采支架改造为机械化开采液压支架”成套技术，以下从技术角度及实用性进行分析。
二、现有使用整体顶梁组合支架的不足分析
图1为现有传统整体顶梁技术液压支架的结构示意图，该液压支架由顶梁1、液压支柱2、移动液压缸3、导向移动梁4、挡矸板5组成。
其中导向移动梁4在顶梁1上滑动实现整体顶梁支架前移。
现有技术的该种液压支架虽然减轻支架重量但其仍然存在以下缺陷：
（1）支架在倾角较大的工作面使用时顶板来压易倒架。
（2）支架靠导向移动梁4支撑前移，不能抗顶板来压产生的水平力，不能有效的控制顶板，易造成井下冒顶事故，特别是浅埋深顶板条件下，支架跟不稳定（在长治及晋城地区及东北龙煤发生多次特大伤亡事故禁止使用）。
（3）支架离开托梁倒架，支架本身就是一个不稳定机构。
（4）支架后部设有简易的挡矸装置，不能有效的控制采空区的矸石，造成矸石涌向工作面。
（5）机械化采煤过程中不能更好的实现推移工作面采煤机和刮板运输机。
（6）托梁将工作面支架连在一起，相当一副大支架，前后左右仍是一个不稳定机构。
（7）支架之间上下行程小，对顶板不平适应性差。
（8）支架由于托梁的限制，在实际使用过程中是等劲，主动控制顶板能力差。
（9）采用支柱直接与地板接触，支架容易扎底，引发倒架，主动控制顶板能力差，不能满足软底使用。
（10）支架不能为采煤机及刮板机移动提供支撑点，不能满足机采工艺要求。
图2现有使用整体顶梁组合支架
为更好的解决上述问题，中平能化集团机械制造有限公司和平顶山市申联机械制造有限公司从2010年2月开始共同对全国多个矿务局进行调研，在总结朝川矿经验的基础上，达成合作意向，共同与北京髙九华教授解决了整体顶梁机械化采煤问题，同时向国家知识产权局申请了专利保护，专利号为ZL2011200715237、ZL2011200857346，设备简易结构如下。
图3将现有整体顶梁组合支架改造后的机采支架
三、改造后的支架的特点
本液压支架他是介于整体顶梁组合支架及综采支架之间的一种新型支护产品，其结构简单，投资少，适应多种地质条件，满足国家机械化开采要求，使用过程中它具有整体顶梁支架的灵活方便性又具有综采支架推留与移架的稳定性和可靠性，特点如下：
（1）支架结构简单重量轻，具有整体顶梁支架的安装运输搬家的灵活性。
（2）支架既可以炮采也可以配有采煤机机械化开采，满足国家产业政策需要。
（3）支架的顶梁与底座之间采用摆杆平衡千斤顶，使支架按照弧线上下运动，支架梁端距变化小，调高范围大，抗水平分力强，增加了支架纵向横向稳定性，使支架成为一个独立体，可以单独使用，稳定性好。
（4）支架的顶梁与底座之间采用摆杆平衡千斤顶，提高了支架的初撑力及工作阻力以及切顶能力，确保支架支撑效果。
（5）支架中部有摆杆平衡千斤顶连接顶梁与底座，下部有底座及推杆，即抗击水平力又抗侧向力，整体稳定性好。
（6）支架的推杆安装在底座中间滑动，底座移动液压缸的两端分别底座和推杆相连接，推杆与刮板输送机相连接，在推移液压缸的作用下完成工作面推留和移架，具有综采性质，同时起到相互导向作用。
（7）支架具有整体顶梁结构简单的特点，更适应煤层薄厚变化大的特点。
（8）支架可以每架独立使用也可以多架组合一起使用。
（9）可以将现在使用的整体顶梁组合支架直接改为机械化开采。
（10）改造费用低，原有支架顶梁支柱照常采用，只需加工底座、推杆及推移油缸等即可完成。
为让使用者进一步了解本产品使用可靠性与优点，下面从结构和受力分析上加以分析与说明。
四、改造前后两种架型的力学分析及性能比较
为了更好的说明改造的优点，下面从支架力学方面分析说明：
∑Q
α
顶梁
AB
F1F2·
DC
支柱1支柱2
图4
∑Q
α
液摆杆βF3
F1F2
支柱1支柱2
图5
如图4所示，为使用的托梁结构和滑块结构的整体顶梁支架，当顶板来压时，顶板的来压通常为砌体梁的传递，与水平成一定角度a，支柱1和支柱2与顶梁为绞接点，A和B，下端直接支撑在地面，为自由状态，当整个工作面在顶板合力∑Q作用下，顶板压向支架造成支架前倾。
支架要平衡稳定则满足：
在竖直方向
满足支撑。
在水平方向上，
，就生产水平力。
如图4所示，支架的支撑为理想的平行四边形即A、B、C、D组成，在
作用下，四点转动，支架倒向煤壁，最后以煤壁为限位点，支架停止运动，因此，目前国内生产的整体顶梁无论是托梁机构，还是滑块导杆机构，还有后面加有大工作阻力支柱的支架。
只要是支柱下端不固定，四根或多根支柱中心线平行，就是一个不稳定的结构。
如图5，改造整体支撑式支架：
在竖直方向
垂直支撑。
在水平方向上
水平。
支架采用液压平衡摆杆千斤顶，产生向后的水平力
克服了顶板产生的水平分力及支架前倾产生的水平分力，同时液压支架平衡摆杆千斤顶上下腔锁死后为刚性杆件，它限定了支架自由运动，使支架按照摆杆的长度为圆弧运动，力学满足
。
采用液压摆杆后，可以看成：
（1）液压摆杆产生
的水平力，抵抗顶板产生的水平力，使支架由自由状态变相对静止状态。
（2）液压摆杆产生的
向上的分力，提高了支架的支撑力和工作阻力，起到切顶作用。
（3）液压支架平衡摆杆千斤顶上下腔锁住后为刚性杆件，它限定了支架自由运动，使支架按照摆杆的长度为圆弧运动，使顶梁和底座相对稳定为一体。
以力学分析看，经改造的整体支撑支架的上述力学优点，是目前国内已使用的整体顶梁支架不具备的。
另一方向从支架推移看：
如图4所示，支架成自由状态，没有力的作用点。
当将采煤机、运输机与支架相连，产生的力同样使支架矢稳。
另一方面，顶板的压力通过顶梁到四根支柱，底板比压极大，软底时支架扎底，造成支架失稳，初撑力不足，顶板支护力不够，管理顶板能力低。
如图5新型支架，由于采用底座及推移装置，液压摆杆使支架的顶梁和底座成为相对一体，顶板的合力通过支柱和液压摆杆传到底板，同时产生一个较大的
摩擦力阻力，为移架提供支点，这是现有的国内两种支架不具备的。
另一方面，顶板的压力通过支柱等传到底座与底板接触，由于底座面积较大，因此，支架的底板比压较小，支架不扎底，对顶底板适应性强。
五、两种架型的性能比较与使用选型
从支架受力分析看，改造后支架明显优越于现在的整体顶梁支架。
从结构看，现在国内所使用的整体顶梁支架都是一个不稳定的结构，不能单独使用，即使连在一起，也一样是个不稳定机构（在山西晋城、长治发生3次支架失稳特大事故，已禁止在山西使用），而液压摆杆支架是一个稳定机构，他克服了其他两类支架不足。
可以单独使用也可以整体使用。
从结构看，现在国内所使用的全部类型的整体顶梁支架都不能实现全面机械化开采，而液压摆杆支架是一个稳定机构，他可以“炮采”也可以“机械化开采”
从结构看，现在国内所使用的全部类型的整体顶梁支架靠立柱支撑地面，底板比压大容易扎底，且支架形程小对顶板不平适应性差，造成支架不能更好的支护顶板，而液压摆杆支架是一个稳定机构，行程大对顶板不平适应性高，底板比压小以保证初撑力，更好的管理顶板。
为了便于使用和进一步了解经过改型后的优越性，根据煤矿井下21实际项要求做详细的比较，见下表。
改造前后两种整体顶梁支架性能优势比较
序号
比较内容
现有整体托梁组合支架
改造后机采支架
1
稳定性
无底座的平行四边型不稳定机构
有底座摆杆立柱交叉支撑是稳定机构
2
支架间连接
靠整体托梁横向稳定
可用托梁、滑块也可以什么都不用稳定
3
独立使用稳定性
不能单独使用
能单独使用
4
主动管理顶板能力
被动管理顶板
主动管理顶板
5
主动切顶能力
弱，没有主动性
主动切顶性强
6
抗水平力
不能抗顶板水平力，前后倒
液压摆杆产生水平力能抗顶板水平力
7
底板比压
大，支柱扎底，不能满足软底板
小（有底座）适应软底板
8
对不同类型顶板适应性
适应性差
适应性强
9
行人空间
支架行人空间大
支架行人空间大
10
推移运输机
不能推移运输机，不能满足机采
能推移运输机，能满足机采与综采相同
11
端头配套性
端头配套性相对难度大
端头配套性相对难度较小
12
有效通风面积及防尘
有效通风面积大
有效通风面积大
13
支架的结构件受力稳定性
支柱接地，倒向煤壁
自身平衡稳定
14
移架速度
快
最快
15
适应煤层的厚度
3.05米以下
5米以下
16
对采煤工艺适应性
只能炮采
可以炮采也可以机采
17
对厚煤层的适应性
不可以改为放顶煤支架
把挡矸板换放煤尾梁可以改为放顶煤支架
18
维修费用
高
低
19
操作难易程度
较难
容易
20
支护工作环境的安全性
在来压大的情况倒向煤壁，一般
安全
21
井下搬家及二次安装
整体解体，慢
即可整体又可以解体搬运，快
六、工作建议
1、结论：
从现有的支架分析看，具有较大的市场前景，有推广使用价值，会为公司创造较大的经济与社会效益。
（1）北京蓝畅公司从2008～2010年，销我公司9000架左右，获利2500万元左右。
（2）北京宇田公司从2009～2010年，销我公司2000架左右，获利500万元左右。
2、该项技术为独立知识产权，可以技术转让，转让标准可参考现有使用的整体顶梁发明人李庆斌与“北京诚田-营业收入5%”“北京宇田营业收入5%”“北京蓝畅营业收入8%”“北京希诺1000元/架”北京辉越1000元/架”转让标准与发明人沟通。
3、合作方式：
技术转让与整体组装相结合。
签订技术转让合同，办理安标手续。
加工采用现有的购进组装和部分加工相结合，充分利用社会资源为公司服务，扩大销售。
七、设备技术参数与实施方案
1、ZH2200/17/25直接改造机采样机1
（1）技术参数
支架高度：
1.7～2.5m支柱数量：
4根
支架中心距：
1m支柱缸径：
125mm
支架工作阻力：
2200Kn支柱工作阻力：
500Kn
支架初撑力：
1745Kn摆杆支柱工作阻力：
250Kn
支护强度：
0.68Mpa摆杆支柱数量：
1根
（2）实施方案
利用现有的ZH2000/17/25带有托梁支架直接改造，保持原有托梁机构。
制造：
底座1台、摆杆支柱1根、125推移油缸1根及配应的十字头和销轴。
（3）实施目的
将现有使用的组支架直接改为机械化采煤。
井下直接改造为机械化开采支架
2、ZH2200/17/25直接改造机采样机2
（1）技术参数
支架高度：
1.7～2.5m支柱数量：
4根
支架中心距：
1m支柱缸径：
125mm
支架工作阻力：
2200Kn支柱工作阻力：
500Kn
支架初撑力：
1745Kn摆杆支柱工作阻力：
250Kn
支护强度：
0.68Mpa摆杆支柱数量：
1根
（2）实施方案
去掉托梁改侧护板机构,全部制造。
（后面是一个260mm宽的伸缩箱体）
（3）实施目的
直接生产机采和炮采两用满足现有矿井状况。
井机械化开采和炮采两用轻型支架
3、ZH2800/17/25直接改造机采样机3
（1）技术参数
支架高度：
1.7～2.5m支柱数量：
4根
支架中心距：
1.25m支柱缸径：
140mm
支架工作阻力：
2800Kn支柱工作阻力：
600Kn
支架初撑力：
1745Kn摆杆支柱工作阻力：
250Kn
支护强度：
0.71Mpa摆杆支柱数量：
2根
（2）实施方案
去掉托梁改侧护板机构,全部制造（后面是一个400mm宽的伸缩箱体）。
（3）实施目的
直接生产机采和炮采两用满足现有矿井状况，降低工作面安装搬家的支架数量。
例如：
100米工作面，中心距1米的支架用100架，中心距1.25米的支架用80架。
八、具体安排
为满足国务院、省政府及集团公司逐步取消炮采的产业政策要求，解决现有矿井井田面积小，井口及巷道断面小机械化采煤问题，我们建议由集团公司出面组织，公司下属煤矿及机械厂配合，作为专项课题研究：
（1）将现有使用的整体顶梁组合支架从煤矿拉回改造20架。
（2）根据现有专利技术再做10架。
（3）由中平机械公司提供采煤机及刮板输送机。
（4）上述设备到位后在中平机械公司做设备地面试运转实验。
（5）实验达到要求开始对公司所使用的全部整体顶梁组合支架分批改造。
具体安排
1、与专利持有人签订技术转让使用合同。
2、完善图纸（结合本公司液压件）。
3、每台制造一台样机完善图纸。
（1）样机1完善后，完善图纸，制作10台。
（2）样机2完善后，完善图纸，制作10台。
（3）样机3完善后，完善图纸，制作3台。
（4）样机1和2共同地面与采煤机、刮板输送机做联合试运转。
（5）联合试运转调试后请“中国煤炭工业学会”“煤炭科学研究总院”““全国各大产煤集团公司、矿务局”专家评审。
（6）制造2个采煤工作面工业性试验。
（7）全国推广会。
2010年8月完成样机全部样机，与申联公司和东联公司合作，在平顶山中平能化机械制造公司（东联本厂）车间完成专家评审。
采煤机：
中平能化机械制造公司（申联）（1台）。
刮板机：
中平能化机械制造公司（东联本厂）（1台）。
支架:
中平能化机械制造公司（天地聚能配合）（20架）
为简化程序，可以委托发明人将全部样机造好拉平顶山展示。
李总：
后面是一个箱型伸缩杆，与单摆杆相似，解决侧向稳定。
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