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1、8.8 m 液压支架设计与制造关键技术研究 高有进 郑州煤矿机械集团股份有限公司 摘 要： 针对 8.8 m 大采高液压支架大缸径立柱材料空白, 现有加工制造装备等难以满足用户要求的现状, 在架型设计、支架中心距确定、立柱缸径选定与制造、高强钢材料开发与焊接工艺研究等方面进行研究, 最终确定了 ZY26000/40/88D 架型, 支架中心距达到 2.4 m, 立柱缸径 600 mm, 并形成了优选的加工制造工艺, 有效保证了产品品质, 与钢厂合作开发了 ZMJ06 高强钢材料, 屈服强度达到 890MPa, 有效减小了支架质量, 整架质量控制在 100 t 以内。目前 8.8 m 液压支架已
2、经顺利通过了国家实验室型式试验检测, 效果良好, 为下一步批量生产做好了技术储备。关键词： 8.8 m 液压支架; 制造工艺; 大缸径立柱; 高强钢材料; 作者简介：高有进 (1963) , 男, 河南郑州人, 教授级高级工程师, 博士, 现任郑州煤矿机械集团股份有限公司副总经理、总工程师。E-mail:收稿日期：2017-03-11基金：郑州市重大科技专项资助项目 (152PZDZX001) Study on design and manufacturing key technology of 8.8 m hydraulic powered supportGAO Youjin Zhengzh
3、ou Coal Mining Machinery Group Company Limited; Abstract： According to the status of a cutting height 8.8 m hydraulic powered support existed no material of the large diameter cylinder leg, available processing and manufacturing equipment and others would hard to meet the requirements.A study was co
4、nducted on the powered support type set up, the powered support central distance determination, the leg cylinder diameter selection and manufacturing, the high strength steel material development and welding technique study and other aspects. Finally, the ZY26000/40/88 D mode powered support was det
5、ermined, the central distance of the powered support was 2.4 m and the cylinder diameter of the lag was 600 mm. An optimized processing and manufacturing technique was formed to effectively ensure the product quality. The ZMJ06 high strength steel material was jointly development with steel company.
6、 The yield strength was 890 MPa, would effectively reduce the weight of the powered support and the total weight of the powered support could be controlled within 100 t. At present, the 8. 8 m high cutting hydraulic powered support was successfully passed the test of the national certification organ
7、ization and the excellent effect had made a good technical reservation for the late batch production.Keyword： 8.8 m hydraulic powered support; manufacturing technique; large diameter cylinder leg; high strength steel material; Received： 2017-03-110 引言煤炭作为我国的主要能源, 在现有能源结构中占据主导地位, 但是煤炭生产普遍存在自动化程度低、回收率
8、低、安全事故频发等问题, 严重制约着我国煤炭工业的可持续发展。为此, 国家在中长期科学和技术发展规划纲要 (20062020) 中指出:“要重点研究开发煤炭高效开采技术及配套装备”、“加强对能源装备引进技术的消化、吸收和再创新”。2009 年, 郑州煤矿机械集团股份有限公司 (以下简称郑煤机集团) 和神华集团共同开发了世界上第 1 台 7 m 高液压支架, 支撑高度为 3.27.0 m, 支架的工作阻力达到 16 800 k N, 中心距达到 2.05 m。7 m 大采高综采技术经过在神东等矿区 9 个工作面的应用, 已经日臻成熟, 为超大采高综采技术积累了丰富的经验1。许多学者、支架研发设计
9、人员对超大采高开采技术与装备进行了研究与探讨:文献2-5介绍了大采高技术发展及适应性;文献6-7分别提出了顶板结构模型法计算确定支架工作阻力和基于煤壁控制的大采高工作面支架工作阻力确定方法;文献8-10对大采高工作面煤壁片帮及控制技术进行了探讨;文献11-12对典型超大采高 7、8 m 液压支架进行了静力学和疲劳分析, 为结构可靠性设计提出了一种方法;文献13-14对超大采高支架稳定性进行了研究分析;文献15阐述了 6.2 m 大采高设备的选型与研发过程。虽然一次采全高可以减少巷道掘进和工作面铺网等工作量, 降低开采成本, 提高了资源采出率, 但采高进一步增大, 工作面矿压显现将明显, 片帮和
10、冒顶倾向加剧。神东矿区现有 8 m 以上的厚煤层储量 19.8 亿 t, 其中上湾煤矿就有2.1 亿 t, 若将工作面采高提高至 8 m, 资源采出率将提高 20%以上。针对神东矿区部分 8 m 以上的特厚煤层采用 7 m 支架开采资源采出率不足的现状, 进行了 8.8 m 超大采高液压支架的研制。8.8 m 液压支架无论是最大支护高度、立柱工作阻力、立柱缸径、立柱寿命、结构件可靠性、支架总质量、支架中心距等都属世界首创, 对设计结构、材料要求、制造工艺、加工装备等都提出了更高的要求。1 8.8 m 液压支架设计难点及研究方向1.1 设计难点8.8 m 液压支架研制具有以下显著特点。1) “高
11、”:支护高度再度突破, 8.8 m 采高将再次刷新综采高度的世界记录。2) “大”:设备在既有大型设备上向超大型设备发展, 设备中心距由现有 2.05 m 突破到 2.40 m, 立柱缸径由530 mm 增至600 mm。3) “新”:项目成套技术为新技术, 采煤机、刮板输送机、液压支架、支架搬运车都需要重新研发。4) “难”:高度的突破不仅是尺寸的放大, 从超大采高顶板控制、设备稳定性到抗冲击超大缸径立柱研制, 项目难点多, 需要在理论、技术、手段、测试、集成方面进行系统性攻关。1.2 技术研究方向针对研发 8.8 m 超大采高液压支架的难点, 根据预研及与用户研讨论证, 最终确定以下攻关方
12、向16。1) 超大采高支架可靠性研究, 包括超大采高液压支架结构件可靠性设计, 高强度、抗冲击和耐疲劳设计研究。2) 液压支架高强度新材料开发及应用研究, 高强度新材料焊接工艺性研究。3) 超大型液压支架结构件焊接变形及焊接应力控制研究, 主要包括不同高强板的合理匹配性研究, 大型结构件焊接、变形控制的工艺性研究。4) 超长、超大缸径立柱研制, 主要包括超长、超大缸径立柱设计和稳定性分析研究, 大缸径立柱密封结构形式及密封材料研究, 高强度耐锈蚀缸筒新材料研究, 高耐腐蚀镀层关键技术研究。5) 大流量液压系统匹配性研究。2 8.8 m 液压支架选型及设计关键技术2.1 液压支架选型设计选型原则
13、是“本质安全、提高资源采出率、高产高效”。设计关键点是采高、支护强度和中心距。采高主要考虑煤层地质情况, 配套采煤机高度, 资源采出率等。支护强度主要根据顶板结构模型法计算, 结合神东矿区近年来支架实际使用情况采用经验类比法测算, 通过 FLAC 数值模拟软件计算工作面在不同采高条件下的煤壁片帮和顶板下沉量这 3 个方面确定。1) 顶板结构模型法计算。12401 工作面顶板结构模型如图 1 所示。图 1 12401 工作面顶板结构模型 Fig.1 Roof structure model of No.12401 working face 下载原图按文献17中提到的综采工作面合理支护强度计算方法
14、, 计算 12401 工作面与支架支护强度, 结果见表 1。由表 1 可知, 顶板结构模型法计算支护强度不低于 1.73 MPa。表 1 12401 工作面顶板压力和支架支护强度计算结果 Table 1 Roof pressure and supporting intensity calculation results of No.12401 working face 下载原表 2) 经验类别法。根据该矿区不同时期, 特定开采高度条件下所用支架理论计算支护强度和实际测得的支护强度, 如图 2 所示, 预测 8.8 m 支护强度在 1.65 MPa 以上。图 2 不同采高支架理论计算支护强度和实
15、测支护强度 Fig.2 Theoretical calculation support strength and measured support strength with different cutting height 下载原图3) 数值模拟法。针对 12401 工作面煤层赋存条件, 根据文献2所构建的 FLAC数值模拟模型, 确定顶板下沉位移与工作面支架支护强度之间存在的规律:当支架支护强度小于 1.6 MPa, 支架支护强度的增大对控制顶板下沉作用较为明显;而当支架支护强度大于 1.6 MPa 时, 支架支护强度的增大对控制顶板下沉作用逐渐减弱, 并逐渐趋于稳定。数值模拟表明, 该煤
16、层超大采高综采工作面合理支护强度不应小于 1.6 MPa。4) 支架主要参数的确定。根据以上 3 种方法, 综合分析并论证, 确定支架支护强度不小于 1.7 MPa;根据设备配套性、稳定性、系统可行性、结构适应性 4 个方面分析支架中心距。最终确定液压支架型号为 ZY26000/40/88D, 支架主要技术参数如下:2.2 液压支架设计关键技术1) 超大采高支架顶板控制。针对超大采高顶板控制关键技术, 围绕超大采高支架与围岩关系及来压特点, 在支架合理选型、“主动支撑”进行顶板控制、提高支架的抗冲击性以及快速移架等方面, 进行相关课题的攻关。神东矿区特厚煤层 5.0、5.5、6.3、7.0 m 的矿压实测情况揭示出随采高加大、工作面长度增加, 矿压强度呈正比增加规律。顶板控制采取的具体措施如下: (1) 立柱的初撑力由 35 MPa 提升至 42 MPa; (2) 优化顶梁柱窝前后长度比值; (3) 平
