既有大掩护空间又有通畅行人通道——伸缩杆式放顶煤过渡液压支架

放顶煤液压支架是放顶煤开采方法的关键装备，放顶煤过渡液压支架是用于放顶煤工作面两端过渡段的特殊液压支架，架型的创新和发展是放顶煤开采技术创新和发展的重要条件和标志。放顶煤过渡液压支架的常见架型主要有反四连杆放顶煤过渡支架、正连杆放顶煤过渡支架和单摆杆放顶煤过渡支架式等架型，这些架型在支护效果,结构强度,适应条件以及行人通道安排的各有优缺点，随着煤矿机械化开采步伐的加快以及综合机械化开采认识的加深，这些支架的性能已不能完全满足厚及特厚煤层开采的要求，北京开采所结合近几年的煤层开采特点,在适宜的条件下，紧密联系放顶煤开采工艺，进行了放顶煤过渡支架架型的改进和有益探索，研发了伸缩杆式放顶煤过渡液压支架,为安全高效综采提供设备技术保证。

放顶煤过渡支架用于综采放顶煤工作面机头机尾部过渡段，要为前后部刮板输送机机头机尾过渡段提供安全作业空间，由于刮板输送机机头机尾过渡部分的减速器和电机体积较大，且前后部刮板输送机驱动部一般需平行布置，占用了较大空间，在大型设备配套中常采用反四连杆架型和正四连杆架型放顶煤过渡液压支架，这两种架型各有优缺点，采用反四连杆架型过渡液压支架虽然能够为前后刮板输送机提供了掩护空间，但是受架型结构特点限制，没有足够的行人空间，尤其是在支架处于低位状态时候显得尤为突出,支架顶梁较长，支护强度低，支架高度变化相对较小,整架重量大，特别是大工作阻力情况下支架受四连杆结构限制，强度低稳定性差，支架通风断面小；而采用正四连杆架型过渡液压支架虽有通畅的行人空间，但是在支架处于低位状态时由于斜梁下摆，容易碰后部刮板输送机动力部，导致过渡断面前后溜中心距加大，与中部断面前后溜中心距的差值过大容易导致刮板输送机磨损加剧，另外大工作阻力情况下也存在支架受四连杆结构限制，强度低稳定性差，支架通风断面小的情况。

为了克服这种架型的不足,天地科技股份有限公司开采设计事业部开采装备技术研究所研发设计了伸缩杆导向式放顶煤支架来有效的解决这个问题，这种架型既有传统反四连杆大掩护空间的特点，同时具有正四连杆架型通畅的行人通道，不仅可增大工作面通风断面、降低工作面风阻、缩短放煤时间、提高工作面回收率与单产，而且为通风与放煤提供较大空间，为工作面放煤口附近瓦斯稀释提供保证，有利于工作面实现安全高效生产；为充分利用当前大功率采煤机与输送机创造了条件,为工作面配备大功率后部输送机提供了较为富余的空间，并且有利于顶煤的松动垮落；有效缩短工作面循环时间，加快工作面推进速度。

伸缩杆导向式放顶煤过渡液压支架梁端距稳定，能够为采煤机刮板输送机大功率配套提供足够空间，这种架型既可以用于工作面过渡部分，也可以用于工作面中间部分，适应性好，克服了现有的放顶煤过渡支架的不利因素的状况。可在放顶煤工作面大型设备配套中形成顺畅的行人通道和通风端面,实现放顶煤工作面的安全高效开采.

一、伸缩杆式放顶煤过渡液压支架的运动分析

梁端距一直是衡量液压支架支护性能和掩护空间的重要指标,煤矿安全生产规程将其纳入重要的考核指标,合理稳定的梁端距能够防止顶煤顶板的冒落,有效控制顶煤矿压运动,又能防止采煤机截 割损坏顶梁,在设计支架过程中，需要考虑支架顶梁在有效的支护区域内有利于控制顶板，所以必须严格控制支架梁端变化量。因此无论反四连杆、正四连杆以及单摆杆等架型的放顶煤过渡支架，在架型设计初期，选择优化四连杆力学参数，控制梁端距变化曲线，十分重要，从而保证液压支架使用的可靠性和安全性。

伸缩杆式放顶煤过渡液压支架的稳定机构是采用了双或者单导杆,导杆与底座箱体合理尺寸配合,导杆在箱体上下相对运动过程中,纵向尺寸和横向尺寸不变,从而在理论上保证伸缩杆式放顶煤过渡液压支架在不同高度位置时,支架梁端距是一样的。

伸缩杆式放顶煤过渡液压支架受力运动状态如图所示, 工作高度内保证导杆和箱体一定的重合量, 重合量的大小影响着整个支架的受力状况及其支架对顶底板的适应性，支架顶梁的运动随着导杆的运动而变化，支架升降过程中，导杆竖直角度会发生微小变化，支架设计时必须严格控制这个变化。

伸缩杆式放顶煤过渡液压支架受力分析图

二、ZF15000/28/45伸缩杆式放顶煤过渡液压支架伸缩杆和箱体有限元分析

伸缩杆和外框接触的上沿定义为线面接触，下沿定义为面面接触；外框下表面在三个方向上的位移为0；伸缩杆的下表面在X方向上的位移为0；在伸缩杆上表面施加水平力：伸缩杆和外框的材料通常选用27SiMn, E=2.06e5MPa,泊松比取为0.3。

根据液压支架技术条件，取最大摩擦系数值0.3计算纵向和横向受力状态。

纵向受力状态位移和应力整体分布：

伸缩杆和箱体的整体应力分布图

伸缩杆的应力分布图

箱体的位移分布图

箱体的应力分布图

横向受力状态位移和应力整体分布：

伸缩杆和箱体的整体应力分布图

箱体的应力分布图

三、ZFG15000/28/45型伸缩杆式放顶煤过渡液压支架结构特点

ZFG15000/28/45型伸缩杆式放顶煤过渡液压支架

ZFG15000/28/45伸缩杆导向式放顶煤过渡液压支架吸收了前述放顶煤过渡支架的结构优点,是一种新型的放顶煤工作面过渡段支护设备，能满足采煤机截割高度，具有尾梁放顶煤功能，采用伸缩导向式稳定机构，在前排立柱与导向机构之间设置通畅的人行通道。

伸缩杆导向式放顶煤过渡液压支架底座与顶梁之间通过铰接箱式断面的伸缩杆稳定机构，实现支架升降过程的直线导向和纵横向稳定。这个伸缩杆直线导向稳定机构前后分别铰接有4根立柱，4根立柱成两排对称布置。伸缩杆直线导向稳定机构由两个铰接于顶梁的箱式断面的导向杆插入两个与底座一体的箱体内，组成支架的导向稳定机构。在该导向稳定机构与两个前立柱之间设置足够的人行通道，从而克服了反四连杆放顶煤过渡液压支架架间没有人行通道和正四连杆放顶煤过渡液压支架斜梁低位容易磕碰动力部的缺陷。

箱式断面的伸缩杆采用钢板焊接的矩形杆件，或采用圆形无缝钢管，其一端设有连接孔，与顶梁通过销轴铰接。伸缩杆插入底座上的伸缩箱内间隙配合，底座上的伸缩导向箱可以是设置在两侧的双箱，也可以是设置在中档部位的单箱，伸缩箱体可以是单级伸缩，也可以是双级伸缩。伸缩箱体直线导向稳定机构所占的空间不受支架高度变化影响，而正四连杆或反四连杆放顶煤过渡支架其稳定机构受支架高度变化影响较大,特别是支架在低位状态时影响最大。

伸缩杆导向式放顶煤过渡液压支架放煤机构和低位放顶煤支架结构相似，大功率设备配套情况下,顶梁后端若配置大尾梁大插板结构难以满足掩护空间需要，故尾梁后部设计有摆梁机构，尾梁通过尾梁千斤顶支撑于底座上,通过摆梁的旋转和插板的伸缩实现放煤作业。

由于后部控顶悬伸距离较大，为获得足够的支撑力宜配置大缸径尾梁千斤顶，两根尾梁千斤顶对称设置在伸缩杆导向式放顶煤过渡液压支架中心线两侧，尾梁千斤顶在底座上的铰接点布置于底座中档。

顶梁一侧部设有顶梁侧护板，供架间密封和防倒之用。顶梁侧护板通过导向杆与顶梁内的侧推千斤顶铰接，借助于侧推千斤顶的伸缩而伸缩。铰接于顶梁前端的前梁，在前梁千斤顶的推拉下绕着铰接点上下摆动；插入前梁内的伸缩梁，在伸缩梁千斤顶的推拉下在前梁内移动；与伸缩梁铰接的护帮机构包括护帮千斤顶、护帮板，在护帮千斤顶、长杆、短杆的共同作用下摆动；铰接于顶梁后端的尾梁一侧设有尾梁侧护板，供架间密封和防倒之用，在尾梁与尾梁侧护板之间铰接有侧推机构，结构和作用同顶梁侧推机构；放煤机构主要包括铰接在顶梁后端的尾梁（大配套会铰接摆梁机构）、尾梁千斤顶、插板和插板千斤顶；遇到底板软的地质条件，在底座前端中部设有抬底机构。

四、伸缩杆导向式放顶煤过渡液压支架的适应性

伸缩杆导向式放顶煤过渡液压支架在设计时，要综合考虑配套设备、人行空间以及操作和运输便利等因素，尽管厚煤层放顶煤工作面支架高度不受煤层厚度变化的制约，但还是要考虑伸缩杆导向式放顶煤过渡液压支架的调高幅度及适应矿井整体运输的要求，确保伸缩杆导向式放顶煤过渡液压支架工作高度经济、合理。

伸缩杆导向式放顶煤过渡液压支架具有正四连杆放顶煤中间液压支架和反四连杆放顶煤过渡液压支架的双重特点，即可用于放顶煤过渡部分也可用于放顶煤中间部分，通过两组相对运动的一级或两级滑移直线导向机构，不仅增加了稳定机构强度，特别是应用于工作面过渡部分时在立柱和导向机构的前部或者后部增加了行人通道，增大工作面通风断面、降低工作面风阻，有利于工作面放煤口附近瓦斯稀释，为提高工作面生产效率提供了基本保证；结构紧凑，重量轻，结构稳定性好，操作维护方便，为放顶煤煤层实现安全高效开采提供了条件。