充填开采液压支架设计0518

充填开采液压支架设计研究主讲人：毕锦明目录充填开采的意义充填开采的发展充填开采的分类充填开采必须解决的三个问题综合机械化充填开采液压支架工程实践与应用效果分体式高水液压支架一、充填开采的意义好的方面1、实现绿色开采

1）防止地面塌陷2）减少矸石及粉煤灰的污染。

河北省矸石山58座，占地8100亩，煤矿矸石堆积量达1.22亿吨。3）保持地下水体

地面塌陷矸石山污染环境一、充填开采的意义好的方面

2、解决”三下”采煤的有效途径3、延长矿井的服务年限4、提高开采的安全性能

1）防止滚动地压2）降低顶板压力

充填开采的意义重大，可实现绿色开采，可增加开采的安全性能，可扩展开采储量。充填采煤控制顶板一、充填开采的意义负面影响：1、系统增加，工艺复杂

充填物的生成，

充填物的运输，

充填物的充填，

采煤与充填工艺协调2、生产效率低

由于充填月产量一般在3万吨左右，多的月产5万吨左右。3、生产成本增加

一般生产成本要增加100元/吨以上。4、对煤层赋存及开采条件有要求不是什么情况都可以实施充填的。

固体充填系统

二、充填开采的发展国外充填开采起源于金属矿山，1915年澳大利亚的塔斯马尼亚特莱尔矿和北莱尔矿应用废石充填。

20世纪50年代，波兰开始应用于煤矿，采用水砂充填。1979年德国格伦德铅锌矿实现矿山尾砂充填。1991年德国鲁尔煤炭公司沃尔萨姆煤矿进行膏体长壁工作面的充填试采。二、充填开采的发展国内：90年代中国的金川公司、武山铜矿进行了膏体充填试验。近些年，煤矿充填在我们国家发展比较迅速，河南、河北、山西、山东和东北地区都进行了充填开采，而且形式多样。以冀中能源集团公司为例：股份公司邢台矿矸石充填和邢东矿高水充填；邯郸矿业集团陶一矿高水充填；峰峰集团小屯矿的膏体充填；三、充填开采的分类1、作业形式分1）巷道充填

2004年，冀中能源股份公司邢东矿实现了矸石巷道充填。

设备：矸石运输设备，抛矸机。如下图：三、充填开采的分类2）工作面充填

现在煤矿工作面陆续开始使用，都取得了不同的效果。三、充填开采的分类2、以充填介质分物料（固体）充填充填材料：煤矸石或固体废料，或加粉煤灰、黄土等材料优缺点：一次性投资大。原材料便宜。生产效率高，一般月产4—6万吨；解决矸石及粉煤灰等废物的利用。三、充填开采的分类2、以充填介质分膏体充填充填材料：煤矸石、河沙、工业炉渣、水泥、粉煤灰、减水剂组成，形成胶结充填体优缺点：充填体强度高，地表沉陷的控制效果好。初次一次性投资大；充填成本相对较高；生产效率低；月产2—3万吨解决矸石及粉煤灰等废物利用。三、充填开采的分类2、以充填介质分高水充填（超高水）充填材料：中国矿业大学研制的ZKD型高水速凝充填材料优缺点：初次一次性投资少。充填材料需购买。高水材料供应易受影响、性能不稳定、价格高、充填成本高；需要凝固时间，生产效率低；月产3—5万吨不能解决矸石及粉煤灰等废物的利用。三、充填开采的分类三种方式比较：共同点：充填介质都能实现机械化运输，为充填开采实现综合化开采创造了条件。不同点：充填介质不同，采取的充填工艺不同，充填支架不同，充填产量不同，充填效果不同，充填成本也不同。充填效果：膏体、高水密实程度好，物料充填密实性差；充填效益：物料充填经济性好，膏体、高水充填成本高；充填效率：物料充填产量高，开采和充填能够同步进行，膏体和高水充填产量相对低四、充填开采必须解决的三个问题1、地面塌陷在一定范围内，对地面建筑物不构成破坏

做到这一点是比较难的，因为影响因素比较多，如煤的埋深、采高、地质构造、充填密实性等等，有些影响因素我们还没有从理论上给出解释，都在实践中。特别是在充填开采刚刚起步的情况下，短期内是不能从理论上给予很好的解释。虽然很难，但必须做到，否则充填开采就是不成功。1）煤的埋深2）采高3）地质构造4）充填的密实性5）充填的及时性影响因素：四、充填开采必须解决的三个问题2、必须有一定的产量

对于煤炭生产企业来讲，没有产量就没有生命力，就失去了意义。3、控制成本

充填开采增加的成本，应在利润范围内，否则，充填也就失去了价值。五、充填开采装备

充填开采装备输送装备液压支架输送装备泵站、搅拌池、管路（高水、超高水）输送配给站、防砸缓冲装置、皮带机、转载机（物料充填）五、充填开采装备液压支架：

要解决充填开采中的三个问题，降低成本，提高生产效率，提高充填质量，就必须实现综合机械化充填开采，在综合机械化充填开采中，充填支架是关键设备。1、充填支架应具备的功能1）支护顶板，维护安全作业空间；2）推移工作面输送机和采煤机；3）充填介质在工作面的输送；4）向采空区充填介质；5）保护充填介质不流失；6）对充填物料进行密实性处理五、充填开采装备

2、充填支架的设计原则

液压支架的性能和可靠性是决定充填开采成功与否的关键因素之一。因此，充填支架的设计原则为：1）支护强度与工作面矿压相适应；2）支架结构与煤层赋存条件相适应；3）支护断面与通风要求相适应；4）推移连接装置与采煤机、刮板输送机相匹配；5）后部支护与充填相适应。五、充填开采装备1）物料充填支架的结构型式

物料充填支架分为3部分，

前部：满足正常的三机配套开采条件。

中部：人员操作和行走空间，前部的开采和后部的充填操作都在这里进

行，要求空间宽敞、便于操作、视野开阔。

后部：满足采空区的充填要求，支架后部要提供充填物料运输机、夯实机

构等设备正常工作时需要的空间。后部不仅起到支护顶板的作用，还要满

足充填的要求，一台支架同时实现开采、后部支护及充填功能也正是充填

支架设计研究的重点和难点。3、四柱物料充填液压支架

物料充填支架根据煤矿生产单位的具体地质条件进行支架设计，重点对支架后部尾梁（或后顶梁）的支护机构及其强度、充填结构、夯实机构及物料运输系统等结构进行设计五、充填开采装备2）主要的结构特点如下：①充填支架后部要提供充填机构工作时所需的空间。充填液压支架后部需要安装充填物料输送机，应有保证物料输送机能够正常工作和检修的空间，还必须提供物料输送机与夯实机构工作时所需空间，而且物料输送机悬挂高度尽可能提高。②充填支架尾梁（或后顶梁）必须有足够的强度。由于充填支架比普通支架增加尾梁后部结构，支架的控顶范围大，顶板对支架特别是对尾梁的压力比较大，尾梁下还需悬挂物料输送机。因此尾梁必须有足够的强度，以满足工作要求。五、充填开采装备③需要安设可调整充填物料输送机距离的设备。按照充填开采工艺要求，需在支架尾梁下部设计滑道，使充填物料输送机能够在伸缩机构的作用下在支架尾梁下部滑动，滑道长度为采煤机的一个截深。④物料充填支架要有夯实机构。由于矸石与粉煤灰等充填物料在松散状态下的可压缩量较大，为使充填达到一定的密度取得好的充填效果，以减少顶板来压时的下沉量，支架上需设计一个机构也就是夯实机构，能将矸石与粉煤灰尽可能的充满与夯实，尤其是尾梁与充填物料输送机之间的空间必须尽量充满。⑤充填支架结构本身的特点。主要是可靠性和稳定性的要求。可靠性主要为工作阻力、性能参数和工作原理上的要求，与普通支架差别不大。稳定性要求除具备普遍支架的稳定性要求外，要特别强调一点：由于充填支架比正常综采面液压支架增加了后部工作部分，包括尾梁、充填物料输送机和夯实机构，因此，可能出现支架头轻尾重，造成支架后仰和移架困难等现象，故在设计中应充分考虑充填支架的稳定性。五、充填开采装备3）支架的架型确定及支护强度计算①支架高度的确定。

根据开采高度确定

②支架型式的确定

可选择两柱掩护式或四柱支撑掩护式支架等支架型式。

选用四柱支撑掩护式支架较多，采用四连杆机构主要是增加支架的稳定性。③支护强度的确定ⅰ按液压支架额定工作阻力确定的回归公式

液压支架必需的支护强度下限为：q=72.3M+4.5L+78.9L－10.24N－62.1

式中：M—采高；L—基本周期来压步距；L—控顶宽度；N—直接顶厚度与采高的比值

支架额定工作阻力：Q=qLBK

式中:B—液压支架中心距；L—支架顶梁长度；K—支架支撑效率，0.85~0.95；

a—支架顶梁前端至煤壁的平均距离；L=a+Lm；五、充填开采装备ⅱ另外一种按支护强度估算公式得出：

液压支架支护强度：q=KMγ×10

式中：K—顶板岩石厚度；M—采高；γ—顶板岩石密度，2.5t/m³；支架载荷：R=qF×10kN

式中：q—支架支护强度；F—支架的支护面积，。F=（L+a）（B+K）=（L+a）B，㎡

式中：L—支架顶梁长度，m；a—梁端距，m；B—顶梁宽度，m；K—相邻顶梁间的间隙，m；B—支架中心距，m；支架额定工作阻力：Q=R/η

式中，η为支架的支撑效率，取0.9

五、充填开采装备ⅲ

在不小于类似地质条件的支护强度基础上的选用原则，确定工作阻力。根据以上两种计算方法分析比较及经验，最终确定支架的额定工作阻力。可以根据矿井使用过的支护设备的支护强度或者近似地质条件的矿井选用支护设备情况，五、充填开采装备4）支架的架型改进

充填支架经过几次的改进，逐渐完善。

第一代充填液压支架ZZC4800/16/32型四柱支撑掩护式充填支架五、充填开采装备第二代充填液压支架增加了工作阻力后部尾梁增加了后立柱支撑ZZC5600/16/32型四柱支撑掩护式充填支架五、充填开采装备第三代充填液压支架采用了前、后顶梁连接形式前、后顶梁与上连杆为同一销轴连接夯实机构采用了上部千斤顶支撑方式另外经过了上、下双捣实机构和两级捣实机构的尝试，不成功。ZZC6700/16/32型四柱支撑掩护式充填支架（双捣实结构）五、充填开采装备ZZC6700/16/32型四柱支撑掩护式充填支架六、工程实践与应用效果冀中能源股份公司邢台矿进行了物料充填的实践，下面以此为例进行介绍。

考虑首采充填工作面地质、地压等方面的因素，围岩运动规律不清楚，经多次调研，类比邢台矿原有支架结构原理及参数、支护强度计算等分析工作，最终确定采用ZZC4800/16/32型四柱支撑掩护式支架，采用四连杆机构，其结构原理如下图所示。六、工程实践与应用效果1、支架结构简单介绍：

根据图知，主要由顶梁、立柱、底座、尾梁、充填物料输送机、夯实机构组成。

以前、后立柱为界，前部担负与采煤机和刮板输送机正常的配套开采任务；

中部为操作空间和人行通道；

后部担负充填物料的运输，充填及夯实工作；

充填物料输送机溜槽由四条圆环链悬挂在尾梁下面，可沿尾梁前后移动，溜槽中板

上开有卸料孔，由液压千斤顶开启或关闭，夯实机构交接在底座上，由调节千斤顶调节夯实机构的上下高度，可使充填料在支架后部接顶，与顶板不留空隙。六、工程实践与应用效果2、物料输送机介绍。

1）充填物料通过运输机的卸料孔落下，卸料孔的大小根据充填料塌落角、充填高度、运输量确定或调节。2）充填物料输送机上刮板的作用是推移充填物料，下刮板的作用是推平由卸料孔落下到采空区底板的充填料。3）充填物料输送机通过柔性的悬吊圆环链实现方向可调节式悬挂。4）充填物料输送机可随移架前移，也可自行前、后移动，能实现弯曲运输，移架不影响输送充填料。5）充填物料输送机是在充填支架尾梁的掩护下进行工作的，可保证充填设备安全，同时设备维修时可以采用前移支架达到维修空间时进行，充填过程中无需人员进入充填区。充填物料刮板输送机六、工程实践与应用效果3、充填夯实机构介绍

物料充填支架的夯实机构担负着将采空区充满和夯实的工作，是有别于膏体或液体充填支架的重要部分。1）功能充填支架夯实机构在物料充填入采空区后，对物料进行夯实，使充填物料在推压、接顶的基础上达到一定的致密度，使其具有一定的抗压能力，能够承受顶板下沉的压力，控制顶板下沉量，防止顶板下沉断裂，从而将地面建筑物的破坏程度控制到要求的范围内。六、工程实践与应用效果2）结构组成

夯实机构由夯实梁、夯实框架、两个夯实千斤顶、调高千斤顶组成。

夯实框架与液压支架底座铰接，夯实框架中间用槽钢连接，形成一整体；

夯实千斤顶伸出端连接夯实梁，夯实梁板面与缸体垂直，千斤顶下端与固定在夯实

框架箱体的底部；

夯实框架下面有与液压支架底座相连的调高千斤顶，负责夯实框架及夯实千斤顶的

高度调节。

以上部件连接，形成一个整体的夯实机构，协调动作将充填物料填满并夯实。充填夯实机构图捣实机构安装示意图六、工程实践与应用效果3）结构发展

一级、二级夯实结构形式两级夯实结构示意图六、工程实践与应用效果

单、双捣实机构六、工程实践与应用效果

连接方式（千斤顶上部和下部两种连接形式）夯实机构下部支撑连接方式示意图夯实机构上部支撑连接方式示意图六、工程实践与应用效果优点：

改善夯实机构的作业空间，充填体可以顺利地下落到夯实机构下部空间；

作用力效果变得更好。夯实机构进行了优化设计，夯实功能增强，另外

其本身可以实现部分压实功能；

减少千斤顶及液压系统与矸石的接触，改善了环境增加了液压系统的使

用寿命，减少了充填料压挤千斤顶和管路接头的可能，减少维修量，而

且维护简单。六、工程实践与应用效果4、物料输送系统

三部分组成：投料系统，皮带机输送系统，转载系统。1）投料系统设计；

垂直投料井输送。投料落差在350m左右，对投料井的孔径、料仓、防冲击及料管的

耐磨性等方面进行优化设计，设计合理的矸石与粉煤灰投料系统，并基于投料

冲击分析，研发投料系统关键设备，确保投料系统的可靠性。

根据试验确定的矸石与粉煤灰混合比，设计了合理的投料系统，研发具有自主

知识产权的满仓报警系统、堵仓清理系统、缓冲系统等投料系统关键设备。投料系统工艺流程六、工程实践与应用效果2)皮带机输送系统选型

DSP1010/650型胶带输送机3)自移式转载设备选型

将输送机上的矸石通过其运输到吊挂输送机的机尾上。自移式转载机六、工程实践与应用效果5、充填过程介绍

充填顺序由下而上，当下面一个卸料孔落料到一定高度后，即关闭卸料

孔，再开启上一个卸料孔，随之启动夯实机构对已落下的充填料进行夯实。

如此反复几个循环，直至采空区充满压实。

调节千斤顶用于调节夯实机构的高度，可使充填料在支架后部接顶，从而

实现完全充填。

综采工作面生产系统、充填系统融为一体，回采、充填同时进行。

充填材料经上巷输送机运至工作面端头，再由充填物料输送机运至采空区

进行充填。六、工程实践与应用效果6、工作面主要配套设备

采煤机MG300/700-WD

刮板输送机SGZ764/400

充填支架：ZC4800/16/32

物料输送刮板机SGB630/150（特制）

物料输送皮带机DSP1010/650（改造）六、工程实践与应用效果7、充填效果1）产量7606充填开采试验工作面于2008年9月18日正式投产，截止工作面开采完，共可置换煤炭10.81万吨，处理矸石7.25万吨，处理粉煤灰2.18万吨。2）效果

矿用铁路沿线最大下沉值为16mm，基本上还没有影响到地表的建筑和设施。3）经济效益

直接效益：7606充填开采工作面开采完毕后，共可置换煤炭10.81万吨，

处理矸石7.25万吨，处理粉煤灰2.18万吨。

效益：邢台矿每年可回收煤炭资源约36万t，处理井上矸石约21.7万t，处

理粉煤灰6.5万t；

解放邢台矿建下压煤资源2000万吨；

延长矿井服务年限10年；六、工程实践与应用效果4）社会效益

解放“三下”压煤，提高矿井资源采出率，大大增加矿井服务年限；解决矸石与粉煤灰的地面排放造成了环境的污染与破坏的问题；解决我国“三下”压煤问题提供了一条新的技术途径。09年获得煤炭工业协会科技进步一等奖实用新型专利1项七、分体式高水液压支架分体式高水充填支架结构介绍1）形式。

现有两种形式，

整体式高水充填支架，与膏体充填支架结构类似，生产效率低。

分体式超高水充填支架，提高了生产效率。下面以冀中股份公司邢东矿为例重点介绍分体式高水充填支架。2）分体式高水充填支架的设计原则

高水充填支架必须满足以下性能要求：

前部满足正常的综合机械化开采；

后部实现采空区高水充填的要求；

能够实现充填和采煤同时作业从而提高产量，实现高水充填高产高效。

实现采煤与充填的分离。前、后支架的分体式结构型式能够实现支架走三个步距进行一次充填或者采煤与充填同时进行作业的可能，提高效率。七、分体式高水液压支架3）分体式高水充填支架的结构特点

前、后支架实现前部实现开采、后部支护及充填功能并能协调动作，这也

是分体式充填支架设计研究的重点和难点。主要有以下结构特点。

充填前部支架实现正常开采；

充填后部支架支护顶板进行高水充填；

前支架顶梁后部和后支架顶梁前部设计伸缩梁；

前、后支架推移千斤顶需要协调移动。七、分体式高水液压支架4）支架架型的确定

①支架高度

最高采高5米

②支架支护强度0.7MPa左右

③支架型式的确定

前部支撑掩护式，考虑连杆机构及视线问题采用了后部一根立柱支撑结构形式。后部支架为掩护式支架

④后支架挡板的设计

后支架挡板是充填支架设计的关键，它的作用是直接为后部高水充填提供有效的空间。挡板结构采用了整体带伸缩梁结构形式，挡板底部与底座连接，有千斤顶调节挡板前后角度，可前后移动10°左右。伸缩梁的伸缩可实现挡板与后支架顶梁的接顶，保证后部形成密闭的充填空间，另外伸缩梁结构可实现与支架高度变化相适应。挡板后部增设了行人装置，便于工人进行充填等操作。七、分体式高水液压支架5）主要技术参数（邢东矿支架为例）

型号ZC12400/30/50(前后置两架一组)

工作阻力12400kN（P=38MPa）

高度3000～5000mm

宽度1430～1600mm

初撑力10286kN

中心距1500mm

支护强度0.71MPa

底板比压1.95MPa七、分体式高水液压支架6）工作面配套设备：

采煤机MG500/1140-WD

刮板输送机SGZ800/500

基本支架ZC12400/30/50

隔板支架ZCG12400/30/50图ZC12400/30/5