液压支架的现状与发展思路

摘 要：介绍了液压支架的发展历程，分析研究了国内发展现状，探讨了我国液压支架
技术与国外的差距，结合液压支架技术发展趋势，提出了我国液压支架技术的发展思
路和相关对策。
关键词：液压支架；煤矿机械；发展趋势
中图分类号：TD355+.3
文献标识码：A
煤炭是我国的主要能源，在国民经济建设中，具有重要的战 略地位。在未来新能源大规模利用之前，煤炭是支持我国能源供 应的国内重要品种。据国际能源署预测，从 2000 到 2020 年，一 次商品能源需求年增长 2.97％，2020 年我国煤炭需求量将超过 25 亿 t，煤炭工业将有一个很大的发展。
3 液压支架技术的发展趋势
液压支架实现自动控制后，就可有效地克服上述缺点，实现 对支架的电液控制，而且有多种控制方式可供选择，人员可在较 安全的地方集中对整个工作面的支架进行远程控制或程序控 制。现在国外的普通综采工作面液压支架已实现了微机红外线 电液自动控制，可成组、成排地向前移架，额定供液压力达到 40 MPa，流量 300 L/min～450 L/min，供液管径 100 mm～120 mm，移架 速度超过了 10 组/min。而国产液压支架还是中低压小管径供液， 人工手动操作。现场实际统计，前移一组支架大约需 1 min。最大 的支架供液压力不超过 32 MPa，供液管径 25 mm～30 mm，流量 在 150 L/min～200 L/min。二柱掩护式液压支架的工作阻力 780 t， 架宽 1.5 m，采用 PM4 型红外线电液控制系统，由采煤机微电脑 远距离控制，支架立柱直径超过 400 mm，移架速度 10 组/min。
20 世纪 80 年代以来，世界主要采煤国家一直围绕减面提 产、减人提效、降低成本、实现矿井集中生产做努力，他们积极开 发和应用新技术，致力于高性能、高可靠性的新一代重型液压支 架的研制。新型液压支架普遍具有微型电机或电磁铁驱动的电 液控制阀，推移千斤顶装有位移传感器，采煤机装有红外线传感 装置，立柱缸径超 400 mm。为减少割煤时间，一般采用 0.8 m～1 m 的截深。支架还采用屈服强度 800 MPa～1 000 MPa 的钢板，既 有较高的强度、硬度和韧性，又具有良好的冷焊性能。随着长壁 工作面长度的不断增加，为适应快速移架的需要，国外还广泛采 用高压大流量乳化液泵站，其额定压力为 10 MPa ～50 MPa，额定 流量 100 L/min ～500 L/min，可实现工作面成组或成排快速移架， 达到 6 s/架～8 s/架。
到目前为止，适于我国高产高效的国产液压支架有 20 余种 架型，其中用于缓倾斜中厚煤层和缓倾斜厚煤层的各占一半。适 用于缓倾斜厚煤层高产高效的液压支架分为机械化铺联网支 架、一次采全高支架和放顶煤支架三大类。
2 我国液压支架技术的现状
虽然我国在液压支架技术方面取得了可喜的成绩，但与世 界发达国家相比，还存在一些不足，主要表现在：
也基本上采用一井一面的高度集中化生产，使用两柱掩护式支 架，支架的平均工作阻力为 7 640 kN。如尤兰矿用电流控制的两 柱掩护式支架，在 1995 年 8 月 8 日创下澳大利亚有史以来日产 3.41 万 t 的最高纪录，班产一直保持在 5 000 t～6 000 t。英国也在 大力发展两柱掩护式支架，工作阻力有了很大提高，达到 5 000 N～6 000 N。
根据我国社会发展的需求，要把我国建设为“资源节约型， 环境友好型”的社会，煤炭工业面临着历史性的挑战与机遇，经 历着关键性的转变。实现以信息技术和机电一体化技术为核心 的综合自动化、以清洁生产和洁净煤技术为基础的洁净化、以大 企业集团和多元化经营为特征的集约化，即实现高效、安全、洁 净、结构优化，已成为新时期我国煤炭工业发展的方向。
1 国内外液压支架的展历程
作为煤矿井下综采工作面支护关键设备的液压支架，经历 了几个阶段的发展过程。20 世纪 50 年代英国研制的垛式支架和 法国研制的节式支架代替了木支架、金属摩擦支架，开辟了采煤 工 作 面 支 护 设 备 的 技 术 革 命 ；60 年 代 前 苏 联 研 制 并 改 进 的 OMKT 型掩护式支架（具有四连杆机构），解决了支架梁端距变化 大的问题，开辟了液压支架设计的新时代；70 年代主要是“立即 支护”方式；80 年代以来，为提高生产率和降低生产成本，液压支 架在液压性能和自动化程度方面有了大幅度提高，如美国、澳大 利亚的大部分长壁工作面都采用了电液控制技术，可对液压支 架的各种动作功能进行多种方式的程序控制和性能监测。90％以 上的美国长壁综采工作面使用了电液控制两柱掩护支架，其额 定工作阻力最高可达 9 800 kN，初撑比为 0.7～0.85，移架循环时 间大多小于 10 s。
液压支架是以高压液体为动力，由若干个液压元件（油缸、 阀件） 与一些金属构件组合而成的一种支撑和控制顶板的采煤 工作面设备，具有强度高、移动速度快、支护性能好、安全可靠等 特性。
煤矿井下支护问题始终是困扰煤炭高产高效、安全生产的 重要问题。因此，以液压支架为主要设备的综合机械化开采的诞 生和发展是煤矿生产发展史的一次重大革命，不仅从根本上改 善劳动和安全条件，也为采煤产量和效率的迅速提高奠定了基 础，使煤炭生产面貌彻底改观。
我国液压支架的发展历程经历了下列几个阶段。从 1958 年 开始设计掩护式支架，1964 年开始由专门研究室全面开展架型 及阀类的攻关，20 世纪 70 年代初开始液压支架的研制工作，先 后研制出垛式、节式及掩护式支架。1970 年在山西大同首次全工 作面装备了 TZ—140 型垛式液压支架。70 年代中期，研制了 QY
第二，我国液压支架制造技术水平相对落后。我国在支架材 料、加工工艺、性能和使用寿命等方面与世界先进国家相比还有 很大差距。例如，1979 年引进 100 套综采支架期间，德国支架结 构材料是 ST52，屈服极限 5 000 左右，前苏联支架结构材料性能 更高。而我国基本上长期使用 16Mn，屈服极限 3 000 左右的支架 结构材料。近年来高强度钢板在支架结构件中的使用才有所增 加。这样技术质量水平的支架在国内一般矿井勉强可以使用，在 国内高产工作面及在国际上却是没有竞争力的。
首先，我国综采比例低，落后的生产技术与世界产煤大国的 地位极不相称。世界主要产煤国家的综采比例都是全国煤炭井 工生产的比例。如俄罗斯是 85.7％，波兰是 92％，而美国、英国、德 国、日本都是 99％以上。据 1998 年统计，我国国有重点煤矿综采 比例是 49.32％；地方煤矿和乡镇煤矿比例远低于此数，初步统 计，若按全国井工生产的煤炭来算，综采比例只有 23％左右。还 有连年发生在地方煤矿由于生产落后而造成的一些惨烈的安全 事故在不断警醒我们，这与我国世界煤炭生产国的地位极不相 称。
科技情报开发与经济
SCI-TECH INFORMATION DEVELOPMENT ＆ ECONOMY
2009 年 第 19 卷 第 6 期
文章编号：1005－6033（2009）06－0150-03
收稿日期：2008－12－29
液压支架的现状与发展思路
孙长春
（西山煤电集团公司屯兰矿，山西古交，030206）
第三，液压支架控制系统的研究处于落后状态，严重制约支 架移架速度的提高和综采经济效益的发挥。西方主要采煤大国
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孙长春 液压支架的现状与发展思路
本刊 E-mail:bjb＠mail．sxinfo．net 综 述
在 20 世纪 70 年代中后期广泛采用液压多芯管先导控制系统。 从 20 世纪 80 年代开始，大力着手电液先导程序控制的研究和 使用，因此，现在美、德、英、日等基本全是可编程电液控制。而我 国液压支架还普遍采用手动操纵。21 世纪是以煤矿高效集约化 生产为特征的新时期，为了满足高产综采工作面生产发展的需 要，我们必须抓紧研制和推广电液控制系统。
型掩护支架和 ZY35 型支撑掩护支架。20 世纪 70 年代末 80 年 代初我国分三次大规模引进国外支架，尤其是第三批引进了当 时西方国家较为先进的综采设备共 100 套，其中液压支架主要 以二柱掩护式和四柱掩护式为主，支架的参数和性能比以往支 架有了明显的提高。通过消化吸收国外先进技术，我国科研人员 自主研发了多种用途的液压支架，最具代表性的有 QY 系列和 YZ 系列支架。20 世纪 80 年代以来，开发了适用于坚硬顶板的大 吨位 TZ—720 型支架，分层开采自动铺联网支架、放顶煤液压支 架及大流量安全阀和操纵阀等。从 20 世纪 90 年代中期开始，我 国液压支架进入了快速发展阶段，全国综掘综采工作面数量大 幅度提高，液压支架的性能、参数、可靠性有了明显的提高，支架 的架型不断丰富，如大采高支架、薄煤层支架、大倾角液压支架、 铺网液压支架和端头支架等。
随着高产高效矿井建设的不断发展，对长壁综采设备生产 能力和可靠性的要求越来越高，支架向大工作阻力、高可靠性方 向发展。一次采全高普通支架继续向着两柱掩护式发展，并将进 一步扩大适用范围。大倾角支架、薄煤层支架、6 m～7m 特厚煤层 一次采全高支架、三软难采煤层支架等将不断发展新架型结构。 两柱式放顶煤支架将逐渐发展成为主导架型之一。端头支护和 工作面平巷超前支护等特殊支架将得到广泛重视和发展。同时， 我国许多地方中小煤矿将大力发展长壁机械化开采，适应这些 矿井使用条件的轻型液压支架和配套设备将得到较快发展。 4.4 材料的升级换代
4 液压支架技术的发展思路
4.1 更新设计理念和方法 设计理念创新是液压支架技术创新的根本，应通过积极消
化吸收国际先进技术，改变传统的设计理念，把可靠性作为首要 目标；采用现代优化设计方法，三维 CAD 动态设计，开发三维 CAD 参数化设计系统，进一步开发支架结构分析计算软件系统， 完善结构有限元分析软件系统及实用化、完善液压控制系统的 设计，加强细节设计。进一步加强支架—围岩相互作用关系的研 究，采用相似材料模拟试验等手段进行综合研究，对支架的适应 性进行理论解析，从而合理确定支架的结构和支护参数。 4.2 完善标准体系
美国是世界上最先进的采煤国家，早在 1990 年就已采用额 定压力 50 MPa、额定流量 478 L/min 的乳化液泵站，以实现支架 快速推进，移架速度达 6 s/架～ 8 s/架。美国的高产高效工作面采 用两柱掩护式支架，使用寿命 8～10 年，可用率高达 95％～98％。 支架平均工作阻力 6 470 kN（最大为 9 800 kN，支架宽度普遍增 大，中心距达到 1.75 m，并向 2 m 发展，增大架宽有利于减少工 作面架数、缩短移架时间、增加有效工作时间和提高单产。如洛 斯公司 20 英里矿在长壁综采面用工作阻力为电液控制两柱掩 护式支架，1997 年 6 月产商品煤 90.43 万 t，成为世界上首次月 产商品煤近百万吨的工作面；1995 年 9 月，糜鹿矿用工作阻力为 8 900 kN 电流控制的两柱掩护式支架，月产煤达到 60.11 万 t。美 国综采工作面最高日产超 7 万 t，最高工效 1 336 t/工。澳大利亚
建立完善的煤矿支护设备技术标准体系是技术发展的重要 任务。随着技术的进步和 WTO 国际经济一体化，急需制定新的 国家标准，进行建立液压支架国家标准体系的研究。如北京开采 研究所已基本完成了《煤矿用液压支架安全性要求》系列国家标 准的起草。新的国家标准将与 CENl804 等国际先进标准接轨，这 必将对我国液压支架的技术进步产生重大影响。 4.3 架型发展
近年来，我国采煤综合机械化的水平有所提高，随着综合机 械化采煤技术的不断发展和新型大功率采煤机、工作面输送机 的出现，要求支架与之相配套，但若支架的控制系统不作相应的 改进，是满足不了这一要求的。到目前为止，我国国产液压支架 的控制方式仍然停留在跟机手把单向邻架控制或本架控制水 平。这种控制方式，虽然具有控制系统简单、制造容易、造价较低 和对煤层地质条件变化适应性较强的优点，但它存在严重缺点： 工人劳动条件差、安全性差；移架速度慢，影响采煤机效率的发 挥；通风条件差，支架故障率高；支架支护效能的发挥程度与操 作人员的经验多少和技能高低有密切关系。