综采放顶煤液压支架尾梁、插板联动保护装置
导语
煤矿综采放顶煤是厚煤层煤炭开采技术之一，传统的放顶煤开采时间长、顶板控制难、生产效率低，不利于高产高效组织生产活动。本期转化果平台推荐的《综采放顶煤液压支架尾梁、插板联动保护装置》，该设计使用液控单向阀等阀组，将放顶煤液压支架尾梁与插板液压控制装置构成联动系统。采用该创新设计后从根本上实现了放煤作业的本质安全，降低了机电事故率，减少了设备维修费用和更换费用，降低了生产成本，增加了经济效益。
一、选题背景
1.现状
在双运输机低位放顶煤综放工作面中，液压支架、采煤机和前后部运输机共同完成顶板支护、割煤、装煤、放煤、运输等工作。
尾梁是支架掩护后部和实现放顶煤的部件，呈整体箱形变断面结构，上部与掩护梁铰接，由两根尾梁千斤顶支撑；插板是等断面结构，用两根千斤顶与尾梁相连，处于尾梁内部，是实现放顶煤的直接部件。
放煤时尾梁千斤顶和插板千斤顶回缩带动尾梁下摆和插板回缩，支架上方破碎的顶煤通过放煤空间进入后部运输机；放煤结束后尾梁上摆、插板伸出后堵住放煤口，防止矸石进入后部运输机溜槽内。当有大块煤落下时，可利用插板端部的尖齿将块煤破碎。
图1 综放工作面设备配套及放煤作业示意图
液压支架出厂时尾梁和插板的液压控制管路设计成独立回路，实际生产中由于人员操作失误或千斤顶误动作会造成插板误伸出进入后部运输机溜槽内的情况，给安全生产带来严重隐患。
图2 放顶煤液压支架出厂时液压控制图
2.存在问题
由图1可知尾梁在下摆过程中如果插板没有回缩，由于空间狭小，插板可能会插入溜槽内，此时极易发生断链事故或后部运输机瞬时过载而损坏电动机的事故，事故处理工作不仅危险，而且劳动强度大、耗时长，维修期间工作面的停产会带来严重的经济损失。
现行的一种设计是在尾梁和插板内安装挡块和机动换向阀实现二者动作互锁功能，即尾梁机动换向阀与尾梁连接或经连接件连接，插板挡块与插板连接或经连接件连接。插板机动换向阀与掩护梁连接或经连接件连接，尾梁挡块与尾梁连接或经连接件连接。实际操作中插板回缩不到位尾梁不能向下摆动，尾梁向上摆动不到位插板不能伸出，即尾梁的运动受插板位置控制、插板运动受尾梁的位置控制，避免了插板一端伸入后部刮板运输机中部槽中的可能，消除了插板一端和运输机刮板相互碰撞的隐患，具体安装示意图如下图所示：
1-液压支架；2-尾梁机动换向阀；4-尾梁；5-插板挡块；6-插板；9-液压支架综控制阀；16-尾梁千斤顶；21-插板机动换向阀；24-尾梁挡块；40-掩护梁。
图3 尾梁插板互锁式部件安装示意图
图4 尾梁插板互锁式部件局部放大图
图5 尾梁插板互锁式液压控制系
该设计增设了阀组、挡块等触发机构，结构相对复杂，由于液压支架尾梁处空间位置狭小，给安装和维修工作带来困难；而且尾梁、插板动作频繁容易造成触发机构的损坏，正常生产期间一旦损坏不能及时进行焊接修复、更换工作，该设计就丧失了使用功能。
另外上述设计中尾梁和插板不能同时动作，必须一个部件动作完成后才能触发启动另一个部件动作，放煤作业耗时长，不利于工作面高产高效生产的进行。最重要的是一旦触发机构损坏，将不会引起下一个部件动作：插板回缩到位后，如果触发机构损坏或失灵，尾梁不能向下摆动，放煤作业将不能进行；尾梁向上摆动到位后如果触发机构损坏或失灵，插板不能伸出，放煤口不能全部关闭会造成矸石流入溜槽，影响回收顶煤的煤质。
1.技术路线
正常放煤操作时应先缩回插板，然后尾梁下摆，打开放煤口让顶煤下落到后部运输机溜槽中，现设计一种尾梁千斤顶和插板千斤顶的液压联动控制管路，实现尾梁下摆联动插板同时回缩、插板伸出联动尾梁同时上摆的保护功能，实现放煤作业时的本质安全和误操作时的自动保护功能。
2.技术方案
在液压支架尾梁和插板控制管路中简单增设4个液控单向阀、2个单向阀和若干液压胶管即可实现尾梁和插板的联动功能和自动保护功能，具体改造、优化设计图如下：
图6 液压支架尾梁和插板联动供液图
图6中红色部分为尾梁、插板液压控制管路改造时增设的元件和管路，其中元件3、4、5、6为液控单向阀组，元件7、8为单向阀，其它为液压胶管、直通、三通等元件。
3.技术效果
该尾梁、插板的液压控制联动和保护设计实现了尾梁下摆联动插板回缩、插板伸出联动尾梁上摆的功能，从根本上杜绝了插板进入输送机溜槽内的可能性，实现了本质安全，避免了插板误入后部运输机溜槽内的情况的发生。
该设计保证了放煤作业过程中插板在尾梁内处于回缩状态，杜绝了误操作使插板伸出或插板自降现象。在任何情况下伸出插板都会联动尾梁上摆，继而带动插板脱离溜槽上部空间，实现了作业过程中的自动保护和本质安全。
与其他设计相比，该设计使用的液控单向阀等阀组可安装在支架顶梁或掩护梁附近，便于安装、维修和更换，工作量小；另外两个部件的同时动作可减少放煤操作时间，提高了生产效率，有利于高产高效生产组织的进行。
下面对放煤作业过程中各种操作方式的供液原理图进行介绍，其中其中红色部分为高压进液管路，蓝色部分为回液管路。
（1）尾梁下摆放煤时联动插板千斤顶回缩，供液图如下图7所示：
图7 尾梁下摆操作供液示意图
操作控制阀1下摆尾梁时，高压液进入尾梁千斤顶柱塞腔并打开液控单向阀3，活塞腔回液经过液控单向阀3和控制阀1进入主回液管路；同时高压液经过单向阀7进入插板千斤顶柱塞腔联动插板回缩，插板千斤顶活塞腔回液一部分经过液控单向阀4进入主回液管路、另一部分经过单向阀8进入尾梁回液管路。
由图7可知尾梁下摆会联动插板回缩，当尾梁停在摆动范围内任一位置时，此时操作控制阀2可继续回缩插板，但操作控制阀2伸出插板时会联动尾梁伸出，这样就避免了插板插入溜槽内。
（2）放煤作业结束后尾梁上摆，供液图如下图8所示：
图8 尾梁上摆供液示意图
由图8可知，尾梁千斤顶活塞腔进液，尾梁上摆，柱塞腔回液一部分经液控单向阀5和控制阀1进入主回液管路，另一部分经单向阀7进入插板千斤顶柱塞腔，保证了尾梁上摆期间插板始终处于回缩状态，从而避免了插板进入溜槽内。
在尾梁上摆过程中或摆动到上限位置时，同时操作控制阀2能同时进行插板的缩回或伸出操作，两个部件同时动作供液图如9和图10所示：
图9 尾梁上摆和插板回缩同时供液图
图10 尾梁上摆和插板伸出同时供液图
（3）插板伸出时联动尾梁上摆，供液图如下图11所示：
图11 插板伸出联动尾梁上摆供液图
操作控制阀2，高压液进入插板活塞腔并同时经单向阀8进入尾梁活塞腔，此时插板伸出联动尾梁上摆，尾梁带动插板脱离溜槽上部空间；插板千斤顶和尾梁千斤顶柱塞腔回液分别经液控单向阀6和5进入主回液管路。
（4）插板回缩，供液图如下图12所示：
图12 插板回缩操作供液图
由图12可知，插板回缩时有部分回液进入尾梁千斤顶控制回路，此时不影响尾梁的动作，即可同时操作控制阀1进行尾梁上摆或下摆操作。
1.方式一
为便于安装、维修工作的开展，该设计增设的4个液控单向阀可安装在掩护梁合适部位，其中液控单向阀3和6分别串联在操作阀至尾梁千斤顶活塞腔和插板千斤顶柱塞腔管路中；液控单向阀4和5一端和回液总管连接，另一端分别和操作阀至尾梁千斤顶柱塞腔、插板千斤顶活塞腔的管路连接，形成并联回路。
2个单向阀直接安装在管路中，其中操作阀至尾梁千斤顶柱塞腔和插板千斤顶柱塞腔的两条并行回路之间通过胶管和单向阀7进行桥接，单向阀7的流向是从尾梁回路流向插板回路；操作阀至尾梁千斤顶活塞腔和插板千斤顶活塞腔的两条并行回路之间通过胶管和单向阀8进行桥接，单向阀8的流向是从插板回路流向尾梁回路。单向阀7和8所在的桥接回路皆安装在液控单向阀3、4、5、6的后方，具体连接方式和安装位置如图6所示。
2.方式二
为安全考虑进行冗余设计，在实施方式1的基础上增设2个单向节流阀，使尾梁和插板在联动时获得不同的速度，即操作阀1至尾梁千斤顶柱塞腔管路中增设单向节流阀9，实现插板缩回速度大于尾梁下摆速度的目的；同理在操作阀2至插板千斤顶活塞腔的管路中增设单向节流阀10，实现尾梁上摆速度大于插板伸出速度的目的，具体安装位置如下图13所示：
图13 单向节流阀安装示意图
该综放工作面液压支架放煤机构本安型液压控制系统实现了尾梁下摆联动插板回缩、插板伸出联动尾梁上摆的功能，从根本上杜绝了插板进入输送机溜槽内的可能性，实现了本质安全。
该设计保证了放煤作业过程中插板在尾梁内处于回缩状态，杜绝了误操作使插板伸出或插板自降现象。在任何情况下伸出插板都会联动尾梁上摆，继而带动插板脱离溜槽上部空间，实现了作业过程中的自动保护和本质安全。
与其他设计相比，该设计使用的液控单向阀等阀组可安装在支架顶梁或掩护梁附近，便于安装、维修和更换，工作量小；另外两个部件的同时动作可减少放煤操作时间，提高了生产效率，有利于高产高效生产组织的进行。
该创新设计在原有液压支架液压管路中增设了4个液控单向阀、2个单向阀和若干液压胶管，每组支架改造费用约7960.86元，按每个工作面140组支架计算改造费用合计为111.45万元，三套支架改造费用总计为340万元左右。
经统计某矿井采用上述创新设计后机电事故率降低了0.01小时/万吨，按“一井两面”、每个工作面日产量2.6593万吨、年产量1500万吨计算，每年可增加产量约5万吨（约为1日的产量），按吨煤150元计算，每年可增加直接经济效益约750万元。
该设计使用的液控单向阀等阀组可安装在支架顶梁或掩护梁附近，便于安装、维修和更换，工作量小。
采用该创新设计后从根本上实现了放煤作业的本质安全，降低了机电事故率，减少了设备维修费用和更换费用，降低了生产成本，增加了经济效益。
另外采用该创新设计后可减少放煤操作时间，提高了生产效率，有利于高产高效生产组织的进行。
某矿井先后对现装备的ZF15000/27/40型液压支架进行了上述改进后，在F6207A、F6107、F6207B、F6212工作面的生产中已连续8个月没有发生支架误操作引起的断链事故。