1绪论 我国煤炭储量十分丰富，1979年世界能源会议估计我国煤炭资源为15000 亿吨，其中煤层厚度大于3. 5米的厚煤层占40%左右。从采煤工艺看，我国1972 年开始装备综合机械化采煤，至1990年已经达到29. 8%o当时对厚度在3. 5-5 米的煤层多采用一次采全高工艺，特别是大采高支架，平均单产可超过3万吨, 最高超过6万吨，最高月产142211吨。然而，对于厚度大于5米的特厚煤层的 开采，存在着产量低、效率低、劳动强度大、安全差等问题，尽管分层开采技 术较为成熟，但其成本高、工序多，影响效率。 1 - 1 7仗压支架发展历史 历史地来看，大约在四五十年前回采工作面还是采用木支柱。随着刨煤机、 钻削式和滚筒式采煤机等快速采煤机的使用，木支柱既不能对顶板提供足够大 的阻力，其支设和回收亦难满足连续采煤的要求。于是，刚性木支柱被可压缩 性摩擦和液压支柱所代替，并以支柱加钗接顶梁的结构形式支护回采工作面。 1954年，英国研制出垛式支架。它主要由安装在矩形整体底座上的立柱和 顶梁组成。几个月后，英国奥尔蒙德煤矿的低主煤层的整个工作面都装备了这 种支架。这就是世界上首个装备液压支架的采煤工作面。从此，开创了煤炭工 业的新时代。 1958年法国试验成功了节式支架。 五十年代末，为开采煤层厚超过2m的松散和破碎顶板条件下的褐煤，前 苏联开始研制掩护式液压支架，并于1961年在阿乐斯-科拖举办的贸易展览会 上展出了 OMKT型掩护式支架。这种支架顶梁很短，仅0.8m,并与掩护梁钗 接，单根朝前倾斜液压支柱连接着掩护梁和底座。当支架在其工作高度范围内 升降时，顶梁顶点相对于煤壁作圆弧运动。这样，不仅影响了支架的承载能力， 而且端面距变化很大，不利于顶板的维护。但比起垛式和节式支架，掩护式支 架能有效的控制顶板，防止开采过程中砰石渗入工作面，工作能力很好。 为了保持顶梁端点相对于煤壁作近似的直线运动，在OMKT型掩护式支架 的基础上作了许多改进： 1. 利用支架滑架，即把支撑掩护梁的支座利用千斤顶沿滑架向前移动一个 位置，以补偿由于立柱升高时端面距加大的差值。 2. 利用伸缩顶梁，即当立柱升高时，在顶梁里利用千斤顶将顶梁伸出，以 保持端面距基本不变。 3. 将四连杆机构应用于支架结构设计之中，研制出具有四连杆机构的液压 支架，不仅从根本上解决了端面距变动大和支架不能承受水平力的问题，而且 开辟了液压支架设计的新时代。 4.1964年，英国国家煤炭局实施液压支架试验规范；1965年，FDobson 等人研制的刚性底座都促进了液压支架的进一步发展。 60年代末和70年代初，随着液压支架在欧洲使用经验的日益增加，支架 结构也发生了巨大变化。长顶梁、二柱、四柱以及多柱四连杆机构的液压支架 相继问世。并且，为适应底板不平，底座采用分离钗接式结构；对于松软底板, 为减小底板比压，采用接触面积较大的底座；为防止碎砰窜入采区，采用了各 种防窜砰的掩护装置。：1974年，英国国家煤炭局实施的“高科技采矿工程”推动 了液压支架及采煤设备的进一步发展。这项工程要求在选择工作面综合采煤设 备时，必须采用最先进的设备和开采工艺，以提高煤炭产量和改善作业环境。 进入70和80年代，液压支架又有了新的发展。顶梁不仅实现了“立即前移 支护”，而且整个支架安装了电液控制系统实现微机控制与操作。：1981年杜赛 尔多夫采矿展览会上，展出了液压连杆式液压支架和具有液压调高机构的掩护 式支架，并研制出采高为6m的大采高支架及放顶煤支架；对于坚硬岩层设计 了强力液压支架等。 1.2我国液压支架的发展 我国研制液压支架起步也不算晚。：1959年10月，原北京矿业学院设计了 三种液压支架。：1961年设计了“本溪-II型”支架，并制造出样机进行井下试验。 1965年北京煤炭科学院和郑州煤矿机械厂协作制造出仿英支架。:1967年，太原 煤炭研究所首次研究出四组迈步式支架，经修改后于1972年由郑州煤矿机械厂 制造，并进行井下试验。1970年又为大同矿务局设计了 TZ-140型支架，在此 基础上研制出TZ-I支架，开发了 TZ-IB、TZ-II、TZ-IIL TZ-IV和TZ-V型等 液压支架。：1973年，北京煤矿机械机械厂生产出第一套BZZ垛式支架，在阳 泉矿务局使用。它是发展我国液压支架的起点。此外，有关院校、研究所和制 造厂合作，还研制出一批较有成效的液压支架，如ZY-3、WKM-400、BZZB、 KD-280和FX-440等。这些液压支架由于受到多种因素的限制，虽然使用效果 不佳，几乎全被淘汰，但为后来研制和开发更好的架型提供了宝贵的经验。1974 年和1979年，我国先后从英国、原联邦德国、波兰三国的五大公司进口了 48 套和100套综采设备。国外先进支架的引进，促进了国产液压支架设计和制造 水平的明显提高。到1983年末，全国在籍的各类支架共31990架。其中，国产 支架64套，其性能质量和使用效果都是早期支架所不能比拟的。从70年代至 今，光煤炭科学研究总院北京开采所共研制出30余种不同结构型式的液压支 架。架型包括：支撑式、掩护式和支撑掩护式，还有特殊采煤工艺用液压支架, 如放顶煤支架，水砂填充支架及端头支架等。其中，20多种支架已通过鉴定， 五种支架获奖。 总之，我国液压支架是从50年代末开始着手研制，经历可研制试验、引进、 仿制和改进创新等阶段，直到现在的独立设计阶段。目前，除液压支架电液控 制和支架计算机辅助设计与绘图方面落后于国外，其他方面均以达到国外同期 水平。 1.3放顶煤开采工艺及放顶煤液压支架 放顶煤综采近年来在我国得到迅速的发展。放顶煤综采技术的推广使用， 扩大了综合机械化开采的使用范围，简化了矿井的采掘系统和生产组织，大幅 度地提高了综采工作面的劳动生产率和产量，降低了煤炭的生产成本，在煤矿 生产上取得了显著的技术和经济效益。 1. 3. 1放顶煤采煤方法的发展 放顶煤采煤方法，就是在开采煤层的底部，或在特厚煤层中部位置，布置 采煤工作面，利用工作面矿山压力的作用或辅以爆破等方法，将顶煤破碎并促 使其垮落，而后将垮落的顶煤由工作面后方或工作面支架前方放出。放顶煤采 煤方法在很早以前就用于开采厚煤层。如我国以前使用过的高落式采煤法就属 于这种采煤方法。在当时，放顶煤开采是不正规的，完全手工式的，而且煤炭 损失特别大，长期以来受到严格限制。还有仓储式采煤法、仓房式采煤法也都 属于早期的放顶煤开采方法。随着煤炭开采技术的发展，特别是煤矿支护设备 的发展，放顶煤采煤法已经发展成为一种正规的采煤方法。 放顶煤开采方法的应用条件，也由开采残留煤柱、极不稳定的特厚煤层， 发展到稳定的各种倾斜煤层的常规工作面，特别是赋存稳定的长臂工作面的开 采。放顶煤开采方法按工作面的巷道布置方式可分为：缓倾斜、倾斜特厚煤层 预采顶分层煤（铺网或不铺网）放顶煤开采法；缓倾斜、倾斜特厚煤层预采中 间层放顶煤采煤方法；缓倾斜、倾斜特厚煤层一次采全厚放顶煤采煤法；急倾 斜特厚煤层水平分段放顶煤采煤法。按放顶煤工作面的回采工艺方式可分为： 炮采放顶煤开采；普通机械化放顶煤开采；综合机械化放顶煤开采。 放顶煤工作面的机械化程度与普通的采煤工作面一样，也经过了缓慢的发 展过程。其主要体现在落煤、支护、放顶煤和运煤等方式四个方面。落煤方式 由手镐、风镐、炮采发展为机采（采煤机或刨煤机）；支护方式由木支护、金属 摩擦支柱、单体液压支柱、滑移顶梁支架发展为放顶煤液压支架；放煤方式由 手工落、装发展为双输送机。回采巷道内运输也由运量较小的刮板输送机发展 为运量大、运距长的带式输送机运煤；工作面的作业方式也由采、放轮流作业, 发展为采、放平行作业，大大提高了工作面的产量和效率。 下面重点介绍低位放顶煤综采： 低位放顶煤综采的显著特征是支架的放煤口位置低、尺寸大。而且是连续 的，多为插板式，无脊背煤炭损失，支架的四连杆机构置于支架中间，后输送 机置于支架拖板上或直接在底板上。低位放顶煤综采的主要优点为放煤在支架 后下方，放煤效果好，煤尘小。后输送机外运煤炭顺利，一般不需清理后方浮 煤。支架尾梁还可以摆动，以利提高顶煤的回收率。但低位放顶煤支架的稳定 性差，工作面端头的维护较困难。该类支架在窑街矿务局、兖州矿务局鲍店煤 矿均取得高产、高效。低位放顶煤综采如图1.1所示。 1. 3. 2放顶煤液压支架发展及特点 自60年代法国率先研制节式放顶煤支架开采特厚煤层取得成功以来，70 年代法国、英国、匈牙利、原联邦德国、前苏联等国家又先后研制出插板式、 开天窗式、后开门式放顶煤液压支架，使特厚煤层采煤工艺有了新的突破，产 量与效率不断提高。以匈牙利奥伊克矿为例，使用VHP—730型支架，开采厚 6. 2米煤层，平均月产量达到3. 39万吨，效率26. 1吨/工，工作面回收率91%。 我国综采放顶煤开采开始于1982年，是由郑州煤矿机械厂、煤炭科学研究 图1. 1低位双运输机放顶煤综采示意图 1一放煤口； 2一前输送机；3一后输送机 总院北京开采所、沈阳煤研所共同研制的FY400-14/28中位放顶煤支架在沈阳 局蒲河矿安装试验；10多年来得到了迅速的发展，截止到1993年，已经在13 个省的26个矿务局59个工作面使用，达到了日产万吨，月产31万吨，年产 253万吨的生产水平，成为世界上综采放顶煤开采技术发展最快、拥有放顶煤 液压支架数量最多的国家。 实践证明，在特厚煤层开采中，采用放顶煤开采较分层开采等具有明显的 优越性，主要有： （1） 、煤层掘进量小，掘进费用低、缓和了采掘关系； （2） 、减少了搬家倒面次数，节省了综采面设备搬迁、安装的工作量及费 用； （3） 、较分层开采减少了铺网工序、材料、工资及巷道维护费用等； （4） 、对急斜厚煤层，较普通法开采的工作面产量提高1 — 3倍； （5） 、提高了煤炭的块炭率，增加煤炭的售价； （6） 、减少了设备的运行费，特别是采煤机，相对减少了吨媒设备折旧费 或租赁费； （7） 、有利于矿井的集中控制，实现减面、减人、提局工效的目的； （8） 、提高劳动生产率，降低成本，比一般回采工效提高2-5倍，经济效 益十分显著，吨媒成本一般降低8-20元/吨。 基于上述原因，我国放顶媒液压支架从1984年至1992年上半年已发展到 42套，32个品种，占世界总数的66%。当然，放顶煤开采也有急待解决的问 题，主要是： （1） 、煤尘大，比分层开采高出1 — 3倍，甚至更高； （2） 、回采率偏低，一般在80%左右，造成一定的煤炭损失； （3） 、自然发火的问题尚未得到很好的解决； （4） 、对高瓦斯矿井，瓦斯涌出量大，有局部积聚的危险。 因此，煤炭工业部提出要有试点地进行，稳步发展的方针。然而有于放顶 煤开采的优点十分突出，并对存在的问题逐步得到解决的同时，使这一新的特 厚煤层的开采工艺从东北、西北迅速扩展到华北，1992年初又推广到华东四个 矿务局，并首先在兖州兴隆庄矿创出了月产11万吨的好成绩（1994年月产已 达25万吨），可以预计，今后将会更快地发展。 下面重点介绍放顶煤液压支架的特点及适应性。 1. 放顶煤液压支架的分类 按与液压支架配套的输送机的台数，放顶煤液压支架可分类如下： '插底式 ，单输送机＜ 〔不插底式 放顶煤液压支架＜ ' ［单钗接式 r开天窗式« 〔双输送机 〔四连杆式 ' r前四连杆式 、 插板式《 、后四连杆式 按放煤口位置，放顶煤液压支架可分类如下： r高位（单输送机开天窗式） 放顶煤液压支架〈中位（双输送机开天窗式） 〔低位（双输送机插板式） 下面重点介绍低位放顶煤液压支架的特点及适应性： 2. 低位放顶煤支架的特点 这是一种双输送机运煤，在掩护梁后部钗接一个带有插板的尾梁、低位放 煤的支撑掩护式支架。这类支架有一个可以上下摆动的尾梁（摆动幅度在45° 左右）用以松动顶煤，并维持一