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关于单体液压支柱支护技术

一、关于支护现状

1.引言

我国是世界上采煤工作面最多，使用顶板支护设备数量最多的国家。

由于我国的煤层赋存条件特别复杂，顶板支护设备受到了很大的限制。

因而从工作面数量来看，10%的工作面可采用综采支护设备，也很少发生顶板事故，而90%的工作面使用单体支护设备，也常常发生顶板事故。

从回采工作面从业的矿工人数看，综采支护设备工作面从业的矿工人数仅占10%，而单体支护设备工作面从业的矿工人数占有90%。

从安全情况看，10%的从业矿工人数是安全或比较安全，而90%从业的矿工是不安全的或随时处于危险状况。

从全国煤矿发生的伤亡事故看，因顶板发生的伤亡人数占所有伤亡人数的40～45%。

因而顶板事故是我国煤矿发生事故频率最高的伤亡事故。

2.现有单体支护设备存在的问题

我国目前使用的单体支护设备是木支柱、金属摩擦支柱、活塞式液压支柱（DZ型）三种单体支护设备。

根据不完全统计，我国所需的各类型单体支护材料或设备大约在400～500万根，是一个很庞大的产业。

但是就现有的三种单体支护材料或设备而言，存在着很大的甚至很严重的安全隐患，这一点必须引起各有关方面的关注和关切。

木支柱作为一种古老而又简陋的支护材料，其没有初撑力，也没有恒增阻降距，支撑力也无法保证，因而随时都可能发生冒顶伤亡事故的安全隐患。

由于其消耗木材量相当大，造成了各地树林的乱砍乱伐，也造成了严重的生态平衡问题。

金属摩擦支柱是六十年代发展起来的一种简单的单体支护设备，与木支柱相比可节省大量木材，而且也可复用。

但是其不能保证恒增阻降距，支撑力受温度、湿度及操作工人等不可控制的因素影响很多，顶板随时都有发生冒顶伤亡事故的可能。

活塞式液压支柱（DZ型）是八十年发展起来的一种单体支护设备，与前两种单体支柱相比可保证恒增阻降距，支撑力也能得到控制，但是这种支柱也存在着严重的安全隐患。

比如：

1）由于活塞式液压支柱的技术原理和结构特点，造成了活塞上Y形密封圈的外唇与油缸的内壁表面为高压密封面，当顶板压力加大时，油缸内壁表面直径就会增大，因而造成活塞和油缸之间常常产生内泄漏，造成支柱的虚顶、脱顶、甚至支柱自动倒下等现象，内泄漏发生的很频繁也很广泛，而且是随时随地的。

由于是内泄漏，矿工用肉眼是无法发现的，因而内泄漏是一种无法控制的安全隐患，因而造成了较多的冒顶伤亡事故。

2）由于活塞式液压支柱的技术原理和结构特点，在立柱上设有强度薄弱的圆弧焊缝，该圆弧焊缝的质量在工艺上很难保证，尽管在MT112-93标准第5.3.5条中规定了焊缝的抗拉强度σb≥500Mpa，延伸率δs≥10%的具体要求，但在生产现场如何检测的问题一直无法解决，因而常常造成焊缝的失效事故，如：

立柱焊缝断裂、焊缝渗漏、焊缝泄露等现象，造成支柱失效或发生冒顶伤亡事故。

因而活塞式液压支柱也存在着严重的安全隐患。

3.DWX型液压支柱的诞生及技术现状

针对我国单体支护设备的现状和存在的安全隐患等问题，中国矿业大学矿山机械研究所从1992年09月开始列题研究，进行了数十次的试验和上百次的产品改进，完成了DWX型悬浮式液压支柱系列产品的研制工作。

DWX型悬浮式液压支柱已获国际发明、国家发明和国家实用新型专利10余项。

该系列产品于2002年9月通过了由国家煤矿支护设备质量监督检验中心根据MT112-93《矿用单体液压支柱》国家标准所做的性能测试和寿命试验。

2002年9月取得了《煤安标志证书》。

该产品于2003年被国家科学技术部列为“十五”国家科技成果重点推广计划项目。

随着DWX型液压支柱的推广应用，它的柱塞悬浮、密封胀紧、密封补偿等技术特点已被社会了解和认识，它的无内泄漏、无圆弧焊缝等安全理念也已被社会接受，并被社会誉为“生命支柱”和“矿工生命的保护神”。

也有人把DWX型悬浮式单体液压支柱形象地比喻为“以柔克刚，太极功夫”，也恰恰说明了其支撑力大的特点。

二、单体液压支柱主要产品序列及图片介绍

1.内注式单体液压支柱

1）型号含义

如：

NDZ18-25/80

2）技术参数举例

3）使用范围

用于炮采工作面、普采工作面顶板支护和综采工作面的端头支护，适合于煤层倾角小于25º缓倾斜回采工作面，采取措施也可用于25º～35º的回采工作面支护。

与铰接顶梁配套使用。

2.外注式单体液压支柱

1）型号含义

如：

DZ18-30/80

2）产品图片

3）技术参数举例

型号

额定工作阻力（KN）

额定工作液压（MPa）

初撑力（KN）

泵站液（MPa）

最大高度（mm）

最小高度（mm）

工作行（mm）

缸径（mm）

质量（Kg）

DZ35-20/100

200

25.5

118-57

15-20

3500

2700

800

100

DZ30-25/100

200

25.5

118-57

15-20

3000

2200

800

100

78.8

DZ28-25/100

250

31.8

118-57

15-20

2800

2000

800

100

DZ25-30/100

250

31.8

118-57

15-20

2500

1700

800

100

DZ22-30/100

300

38.2

118-57

15-20

2240

1440

800

100

DZ20-30/100

300

38.2

118-57

15-20

2000

1240

760

100

DZ18-30/100

300

38.2

118-57

15-20

1800

1110

690

100

DZ16-30/100

300

38.2

118-57

15-20

1600

1005

595

100

43.5

DZ14-30/100

300

38.2

118-57

15-20

1400

900

500

100

DZ12-30/100

300

38.2

118-57

15-20

1200

792

408

100

36.3

DZ10-30/100

300

38.2

118-57

15-20

1000

685

315

100

DZ08-30/100

300

38.2

118-57

15-20

800

578

222

100

26.2

DZ06-30/100

300

38.2

118-57

15-20

630

485

145

100

25.1

4）使用范围

与铰接顶梁配套使用。

3.DWX型悬浮式矿用单体液压支柱

1）产品图片

2）型号说明

例如DW35-180/100X

D-代表单体液压支柱 W-代表外注式 35-为支柱最大高度

180-为支柱的额定工作阻力 100-为支柱的油缸直径 X-为悬浮式技术原理

例如DW45-200/100LX

D-代表单体液压支柱 W-代表外注式 45-为支柱最大高度

200-为支柱的额定工作阻力 110-为支柱的油缸直径

L-为临时支护用液压支柱 X-为柱塞悬浮式原理

3）技术标准

MT112.1-2006《矿用单体液压支柱》国家行业标准与Q/320831XQQ001-2007《临时支护用单体液压支柱》企业标准。

4）技术参数举例

（1）100缸径系列规格及主要技术特征

项目

型号

最高高度

最低高度

工作

行程

工作阻力

整柱重量

支柱工

作范围

工作液压

MPa

泵站压力

MPa

初撑阻力KN

工作液体

回柱方式

DW35–180/100X

3500

1980

1520

180

1980–3500

34.6

15～20

108.5～144.7

乳化液

远距离和近距离

DW31–180/100X

3150

1800

1350

1800–3150

DW28–250/100X

2800

1610

1190

250

1610–2800

DW25–250/100X

2500

1440

1060

1440–2500

DW22–300/100X

2240

1280

960

300

1280–2240

41.5

DW20–300/100X

2000

1150

850

1150–2000

DW18–300/100X

1800

1035

765

1035–1800

DW16–300/100X

1600

920

680

920–1600

DW14–300/100X

1400

810

590

810–1400

DW12–300/100X

1200

700

500

700–1200

DW10–300/100X

1000

595

405

595–1000

DW08–300/100X

800

490

310

490–800

DW06–300/100X

630

400

230

400–630

（2）110缸径系列规格及主要技术特征

项目

型号

最高高度

最低高度

工作

行程

工作阻力

额定

液压

MPa

初撑

阻力

泵站

压力

MPa

整柱重量

支柱工

作范围

工作液体

回柱方式

DW35–300/110X

3500

1980

1520

300

34.0

132.3～

176.4

～

84.0

1980–3500

乳化液或井下水（中性水）

远距离和近距离

DW31–300/110X

3150

1800

1350

77.0

1800–3150

DW28–350/110X

2800

1610

1190

350

39.7

71.0

1610–2800

DW25–350/110X

2500

1440

1060

66.0

1440–2500

DW22–350/110X

2240

1280

960

61.0

1280–2240

DW20–350/110X

2000

1150

850

56.0

1150–2000

DW18–350/110X

1800

1035

765

52.0

1035–1800

DW16–350/110X

1600

920

680

48.0

920–1600

DW14–350/110X

1400

810

590

44.0

810–1400

DW12–350/110X

1200

700

500

40.0

700–1200

DW10–350/110X

1000

595

405

36.0

595–1000

DW08–350/110X

800

490

310

32.0

490–800

DW06–350/110X

630

400

230

28.0

400-630

（3）110缸径DWLX型系列规格及主要技术特征

项目

型号

最高高度

最低高度

工作

行程

工作阻力

额定液压

MPa

初撑阻力

泵站压力

MPa

整柱重量

支柱工

作范围

工作液体

回柱方式

DW45–200/110LX

4500

2520

1980

200

22.7

132.3～176.4

～

103.3

2520–4500

乳化液或井下水（中性水）

远距离和近距离

DW42–200/110LX

4200

2360

1840

97.0

2360–4200

DW40–250/110LX

4000

2250

1750

250

28.3

93.0

2250–4000

DW38–250/110LX

3800

2140

1660

89.0

2140–3800

5）DWX型液压支柱主要技术特点

1．采用柱塞悬浮式技术原理，悬浮力达到工作阻力的五分之四，立柱受力仅为五分之一。

大大提高了支柱的稳定性和安全性，也提高了支柱的支撑高度、承载能力和抗偏载能力。

2．在活柱上不再设有工艺难以保证的圆弧焊缝，也提高了立柱的强度和可靠性，避免了因焊缝疲劳断裂而造成的冒顶等事故隐患，保证了矿工的生命安全。

3．在油缸内无活塞，也不存在内泄漏，避免了因内泄漏造成的支柱虚顶、支柱脱顶，避免了支柱因虚顶和脱顶而造成的伤人事故隐患，保证了矿工的生命安全。

4．根据支柱规格不同，悬浮式液压支柱的整柱重量比活塞式液压支柱减轻了15-30%以上，甚至比轻合金支柱还轻，而撑载能力提高了25%，使用范围扩大了200%，支柱的最小高度大大缩短，搬动、运输、使用均很方便。

5．DWX型液压工作行程大，扩大了使用范围。

特别是顶板下沉较大的工作面，大行程支柱仍能满足大的恒增阻降距，不仅回柱方便，也提高了支柱的回收率，减少了支柱消耗，降低了生产成本。

6．DWX型液压支柱的三用阀设于手把体上，注液时，三用阀不随支柱的活柱升高而升高，操作方便，安全可靠。

7．DWX型液压支柱的各静密封点，均采用了密封胀紧技术原理。

在顶板来压情况下或在支柱高压支撑情况下，可保持支柱的密封胀紧状态，而且压力越大密封越紧，保证了顶板的支护质量和矿工的生命安全。

8．DWX型液压支柱的滑动密封点，采用了密封补偿和密封胀紧技术原理。

在密封有磨损的情况下，可有效补偿。

在支柱高压支撑情况下，可保持密封胀紧状态，大大提高了滑动密封点的密封和安全性能，减少了密封的更换率，降低了维修和维护费用。

9．DWX型液压支柱活柱外表面采用特殊的氮化工艺表面处理工艺或采用镍-磷-硼度层工艺处理，实现防腐、耐磨，防炮爆的性能。

工作介质使用煤矿的井下水，保证了工作环境和地下水不受汚染，保证了矿区饮用水的质量，从而保障了矿区生活人群的健康，是一种理想的环保型采煤工作面支护设备。

10．DWX型液压支柱使用于整个工作面，不仅提高了安全性、可靠性，而且整个工作面整齐美观，操作方便，为工作面的安全管理带来方便。

11．DWX型液压支柱的工作行程大，使用范围广，每个规格可替代活塞式液压支柱的2~4个规格，减少了规格品种，给支柱管理带来方便，也降低了支柱的设备成本和管理成本。

12．DWX型液压支柱系列产品包括120、110、100、90、80、70、63七个缸径系列108个规格型号产品，每个工作面可根据顶板情况进行选择，特别是对于顶板压力较小的工作面，选择较小缸径系列的支柱，将大大减轻矿工的劳动强度。

13．DWX型悬浮式单体液压支柱内腔形成了一个细长的液体柱，该液体柱产生的纵向力不仅是DWX型支柱的悬浮力，同时也是从顶盖到底座之间的一个液体弹簧，当支柱受到冲击地压的作用时，该液体柱起到很好的缓冲作用，提高了采煤工作面的安全性。

6）适用范围

DWX型（悬浮式）单体液压支柱是一种新型外部供液的恒阻单体液压支柱，是炮采工作面、高档机械化普采工作面的配套设备，也是综采工作面的端头支护设备。

普遍适用于煤矿回采工作面的顶板支护和端头支护，由于该产品承载能力大、抗偏载能力强、工作行程大、适用范围广，因而可广泛应用于薄煤层、中厚煤层及较厚煤层工作面。

4.新型免维修单体液压支柱问世

新型免维修单体液压支柱，日前在皖北煤电公司百善煤矿试生产。

这种新型产品的问世，告别了我国传统单体防腐性能差、维修周期短、效率低的历史。

免维修型单体液压支柱具有严怀亭发明的三项核心技术，即SEBF重腐蚀防护技术的成功应用；柱头上设有集尘腔；可更换标示内容的保险标牌。

作为百善煤矿多经公司副经理的严怀亭，多年从事煤矿机械加工、制造、维修工作，长期的工作实践，积累了丰富的经验，先后获得十几项发明成果。

2001年，他针对我国传统单体油缸内壁腐蚀严重，单体寿命减少，重复维修等弊端，大胆采用中科院科研成果——熔融结合环氧涂层技术，结合自己独创的磨削加工新工艺，冲破4家使用未成的障碍，获得成功，使产品合格率达95%。

在原有的基础上，提高了活柱筒的强度，增强了作业面支撑的稳定性和安全性。

此后，他又针对传统“28型”以上的单体“三用伐”，操作时易带进杂质沉积伐内，不能正常使用，给支柱安全和人身安全造成威胁的现象，在柱头上设置“垃圾箱”，并使箱体的容积量保持一年以上的清洗周期，保证了“三用伐”在一个维护周期内不会因杂质堵塞影响工作，延长了新型柱体的寿命。

同时，严怀亭还针对传统单体喷漆标牌易磨，焊接易伤柱体，不易管理的缺陷，研制出可更换、变换数据的活动标牌，结构简单，制造方便，牢固可靠，使用不会磨损。

2003年8月25日、2004年3月22日、7月22日，严怀亭分别获得国家专利局颁发的三项发明专利。

这种新产品的研制成功，无疑会给我国矿业开采、作业支护带来巨大的社会效益和经济效益，标志着我国矿山机械制造工业又上了一个新台阶。

三、配套设施

1.铰接顶梁

1）主要产品图片

2）主要技术特征

2.乳化液泵站

1）LZB-G36D型乳化液移动泵站简介

是在LZB-G36A，LZB-G36B，LZB-G36C型之后的第四代产品。

公司对产品的两大关键组件做了优化改进：

高压油泵改为三柱塞，使单机压力高达52MPa，供液量大，运行更平稳；操作阀内部件采用全不锈钢制作，解决了泵站因闲置过久零部件生锈而无法正常使用的弊病；对内部结构重新设计，增加了高压平衡活塞和低压平衡活塞，排液更加平衡和稳定。

产品具有重量轻，体积小，能耗低，流量大，压力高，运行平稳，支护稳定等优点。

能直接利用矿井下水与油箱中乳化油自动配比为3~5%的乳化液作为单体支柱注液使用；具有自动卸荷，空载运行功能（当压力达到0~40MPa任意自设压力段时，高压阀自动卸荷，并保持所需压力，电机空载运行）。

广泛用于煤矿外注式单体液压支柱及液压支架在任何地段的注液支护，尤其在狭小的坑口掘进迎头地段，更显其他泵站无法替代的优点。

它还可以作为液压试验台做单体液压支柱的压力测试，以及与乳化液压钻机，液压锚杆钻机配套，也是煤层注水的理想设备。

2）产品图片

3）主要技术参数

工作压力0——38Mpa

工作流量40L/min

工作电压380V/660V

工作功率3.0Kw

整机质量98Kg

外形尺寸950×560×750（mm）

使用介质清水、乳化液（60％——100％）

四、支护方式及控顶距、排距

1.支护方式

根据顶板岩性，可能有单体支柱点柱支护，也有单体支柱配合铰接顶梁支护，也有单体支柱配合铰接顶梁支护加搪柴、筋笆护顶等方式，根据底板岩性，可直接架设单体支柱，可掏柱窝后架设单体支柱，也可加穿木鞋后架设单体支柱。

2.控顶距及排距

根据生产组织不同，有不同的控顶距，一般均采用三八作业制，有三四控顶距，有三五控顶距，采用四六作业制时有四六控顶等。

排距取决于支护强度需要，一般均采用1m，有时根据支护强度需要，可采用0.8m等排距。

三四控顶距解释调用金沙金桥煤矿开发利用方案的采矿方法图

三五控顶距解释调用修文海坝煤矿开发利用方案的采矿方法图

3.支柱选型及支护强度计算

1）支柱选型计算

（1）计算依据

煤层厚度：

Mmin，Mmax，平均开采厚度。

最大控顶距：

L。

（2）顶板下沉量

SL=η×M×L=0.02×1.3×4.2×1000＝109.2mm

式中：

η—下沉系数，借鉴邻近工作面的参数，一般取0.02；

M—平均采高，m；

L—最大控顶距，m；

（3）支柱规格

Hmax=Mmax－b

Hmin=Mmin－SL－b－a

式中：

SL—顶板在最大控顶距处的平均最大下沉量，mm；

Mmin—工作面最小采高，mm；

Mmax—工作面最大采高，mm；

b—顶梁厚度，mm；

a—支柱的卸载高度，mm，取50mm。

（4）支护强度验算

采场所需支护的强度计算：

P=（4～8）×M×γt/m2

式中：

M—采高，m；

γ—顶板容重。

2）支柱强度计算

根据采场支架所应承受的顶板压力，采用的采高系数为4～8倍，直接顶厚时取小的系数，直接顶薄时取大的系数，本矿采用6倍的采高系数。

支柱提供的支承力计算：

采场最大面积S=工作面长度×最大控顶距

所设支柱根数n=（工作面长度/排距）×最大控顶距

支护密度：

采场最大面积/所设支柱根数

支柱实际提供的支护强度：

支护密度×所选单体液压支柱每柱的额定承载能力×80%

说明：

由于采场中每排支柱的工作阻力都不同，因此在确定支柱密度时，应考虑工作面支柱的平均工作阻力，对于单体液压支柱承载系数为80%。

支护所需要的支护强度＜支柱实际提供的支护强度

则所设计工作面的支护密度能满足支护采场顶板的要求。

否则，必须减少控顶距或减小排距。

4.支柱架设及回柱的主要技术措施

支柱架设必须迎山有劲，支柱必须拉线打设，成排成行，保证排、柱距不超宽，确保有足够的支护密度。

要及时放顶，采用回柱绞车回柱，不得进入老塘作业；沿切顶线采用密集支柱和戗棚等加强支护并切顶。

换柱时，一定要先打临时柱，后换柱；沿工作面不能打正式柱时，必须打临时柱，不得空顶作业。

在回柱时，必须使用回柱绞车回柱，人员不得站在绳道内及容易发生崩绳、崩柱的地方，以免断绳伤人。

指挥回柱绞车的停开必须使用清晰可靠的点铃信号，信号不清不明时，严禁启动回柱绞车。

回柱时，人员必须站在支柱完好、顶板完整的安全地点进行，回柱前必须事先清理好退路，确保退路畅通。

在回柱放顶前必须先打好放顶线的特殊支护，禁止先回后打，回下的支柱必须支设在新的切顶排上，梁子堆码整齐，保证退路畅通。

五、单体液压支柱使用规范

MT/T548-1996单体液压支柱使用规范

1.主题内容与适用范围

本标准规定了单体液压支柱（以下简称支柱）的用途、使用条件、技术管理、使用与报废。

本标准适用于煤矿支护顶板用的支柱。

2.引用标准

MT76液压支架用乳化油

MT112矿用单体液压支柱

MT/T561单体液压支柱维修规程

3.用途

3.1煤矿回采工作面顶板支护。

3.2煤矿综采工作面端头支护。

3.3回采工作面巷道超前支护或其他临时支护。

4.使用条件

4.1采煤方法

4.1.1单一长壁采煤法。

4.1.2倾斜分层下行垮落采煤法。

4.1.3水砂充填、水平分层、掩护支架等特殊采煤法。

4.2倾角

4.2.1倾角25°以内、采高3m以下的缓倾斜工作面。

4.2.2倾角25°～45°、采高3m以下的工作面，采取一定安全措施也可使用。

4.3矿山压力

4.3.1具有不同矿山压力显现规律的工作面均可使用。

4.3.2冲击地压工作面使用时#安全阀最大溢流量应大于10L/min。

4.4顶板

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