目前綜放工作面最大割煤高度一般為2.5—3.5m，所用綜放液壓支架最大高度為3.8m。若14—20m的特厚煤層使用該型綜放液壓支架進(jìn)行放頂煤，采放比達(dá)1：3—5.71，而煤礦安全規(guī)程規(guī)定“采放比大于1：3的工作面嚴(yán)禁采用放頂煤開(kāi)采”，因而最大高度為3. 8m綜放液壓支架不能用于煤層厚度大于14m的綜放工作面，否則會(huì)造成煤炭采出率低，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。
伴隨綜放工作面設(shè)備可靠性的提高，工作面開(kāi)采強(qiáng)度加大，綜放工作面由于通風(fēng)斷面小，風(fēng)排瓦斯能力低，瓦斯超限嚴(yán)重，已成為目前綜放工作面安全高效開(kāi)采的主要障礙。而提高綜放工作面最大割煤高度，不僅可使采放比滿足煤礦安全規(guī)程的規(guī)定，同時(shí)隨著割煤高度加大，放煤高度相應(yīng)減小，不僅可實(shí)現(xiàn)工作面采放均衡生產(chǎn)、改善頂煤冒放性、縮短放煤時(shí)間、提高工作面采出率，而且為工作面配備大功率后部輸送機(jī)提供了空間，有利于工作面快速放煤。另外工作面割煤高度增加，也使工作面通風(fēng)斷面加大，減少瓦斯對(duì)工作面生產(chǎn)的影響，可以進(jìn)一步提高工作面單產(chǎn)，減少工作面的安全隱患。
為此，借鑒我國(guó)大采高綜采、綜放開(kāi)采技術(shù)與裝備研發(fā)成果，煤炭科學(xué)研究總院北京開(kāi)采設(shè)計(jì)研究分院近幾年提出大采高綜放開(kāi)采方法，可定義割煤高度3.5—5.0m的綜放開(kāi)采為大采高綜放開(kāi)采。3.5—5.0m的采高是在借鑒我國(guó)目前綜放開(kāi)采的最大采高為3.5m、大采高綜采的最大采高為6.2m的成功實(shí)踐，并考慮綜放開(kāi)采端面頂煤穩(wěn)定性控制和設(shè)備穩(wěn)定性、可靠性而提出的。大采高綜放開(kāi)采使工作面一次可采厚度最高達(dá)到20m，工作面生產(chǎn)能力突破10Mt/a。
大采高綜放的技術(shù)核心是大采高綜放液壓支架，本文重點(diǎn)介紹“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題的核心內(nèi)容-5.2m大采高綜放液壓支架的設(shè)計(jì)，該大采高綜放液壓支架將目前綜放工作面割煤高度由小于3.5m加大到小于5m。
2、大采高綜放工作面概況
塔山礦3~5號(hào)層8105工作面為大采高放頂煤工作面，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度207m，走向長(zhǎng)度為2800m；煤層厚度11.7~15.39m，為極復(fù)雜煤層，5～14層夾石，煤層硬度中等以下；直接頂為細(xì)一中砂巖，厚4.96—8.21m，硬度f(wàn)=10.7；基本頂為30m以上粉砂巖，硬度=ll.6。工作面傾角≤100，走向傾角≤±60。工作面生產(chǎn)能力為IOMt/a。膠帶巷5500mmx3600mm（凈寬×凈高），回風(fēng)巷5500mmx3600mm（凈寬×凈高）。
3、大采高綜放工作面配套設(shè)備
大采高綜放工作面使用的成套設(shè)備不是孤立的“單機(jī)”，而是結(jié)構(gòu)上相互配合和聯(lián)系，作業(yè)上需要協(xié)調(diào)和配合，且具有較強(qiáng)的配套要求和較高的可靠性要求。“設(shè)備、選型、配套”三者缺一就可能導(dǎo)致放頂煤工作面生產(chǎn)效率低下、經(jīng)濟(jì)效益差的結(jié)果。因此，正確的選型配套是高產(chǎn)、高效、經(jīng)濟(jì)和安全的前提和保證。
大采高綜放工作面設(shè)備的配套是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量目標(biāo)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，為滿足塔山煤礦煤層賦存條件及工作面年產(chǎn)10Mt的要求，必須優(yōu)化選擇工作面設(shè)備，發(fā)揮工作面最大生產(chǎn)能力并實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架之間在生產(chǎn)能力、設(shè)備性能、設(shè)備結(jié)構(gòu)、空間尺寸以及相互連接部分的形式、強(qiáng)度和尺寸等方面，必須互相匹配，才能保證各設(shè)備正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)工作面高產(chǎn)高效。經(jīng)過(guò)優(yōu)化、計(jì)算和比較，8105大采高綜放工作面配套設(shè)備如表l。
4、大采高綜放液壓支架的關(guān)鍵技術(shù)
4.1大采高綜放液壓支架的工作阻力需要提高
研究表明，綜放液壓支架采高加大后，圍巖活動(dòng)范圍在工作面橫向、縱向明顯擴(kuò)大，礦壓顯現(xiàn)明顯加劇，5.2m大采高綜放液壓支架應(yīng)提高其工作阻力，以增加支架前端及后端對(duì)頂板巖梁滑落失穩(wěn)和回轉(zhuǎn)失穩(wěn)的支護(hù)要求。
4.2大采高綜放工作面煤壁片幫控制
眾所周知，煤壁片幫是煤體在礦山壓力作用下，煤體破碎后滑塌下來(lái)的一種礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。由于大采高綜放工作面煤壁高、自穩(wěn)性差，大多已處于破碎狀態(tài)，易于發(fā)生煤壁片幫冒頂，從而給安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患并影響綜放工作面正常推進(jìn)，如何有效控制煤壁片幫是大采高綜放工作面能否安全高效開(kāi)采并取得良好經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵。
控制大采高綜放工作面煤壁片幫措施主要有：
(1)提高綜放液壓支架的初撐力，提高其主動(dòng)支撐頂板的能力，以減輕頂板（煤）對(duì)煤壁的垂直作用，這是保持煤壁完整、抑制片幫的最積極、最有效的措施之一。
(2)帶壓移架及時(shí)支護(hù)頂板（煤），使頂梁與頂板（煤）接觸良好，可以減小煤壁前方支承壓力，從而可以避免煤壁片幫的發(fā)生或減輕煤壁片幫程度。
(3)使用護(hù)幫板并使其靠緊煤壁可以增加煤壁的側(cè)向約束力，煤壁片幫程度則會(huì)減小。
(4)異常情況下控制煤壁片幫措施。當(dāng)工作面已發(fā)生片幫或冒頂，或遇到異常帶時(shí)，適當(dāng)降低采高、減少采煤機(jī)截深或加固煤壁，并提高采煤機(jī)牽引速度，減少片幫程度。
(5)條件允許情況下采用俯斜開(kāi)采，俯斜開(kāi)采可以減輕煤壁片幫程度。
4.3大采高綜放液壓支架的穩(wěn)定性
支架的穩(wěn)定性是決定5.2m大采高綜放液壓支架成功與否的關(guān)鍵。為保證穩(wěn)定性，重點(diǎn)研究了能提高支架橫向和縱向穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)和結(jié)構(gòu)型式。采取的主要措施有：
(1)優(yōu)化四連桿機(jī)構(gòu)參數(shù) 利用液壓支架參數(shù)可視化動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，優(yōu)化支架的四連桿結(jié)構(gòu)，選擇的雙紐線變化小，從高到低近似一條向前傾斜的斜線。當(dāng)頂板下沉支架承載時(shí)，支架頂梁對(duì)頂板產(chǎn)生了一個(gè)向前的摩擦力，有利于防止架前冒頂和煤壁片幫，同時(shí)使液壓支架在工作高度范圍內(nèi)受力良好，減小立柱、連桿、掩護(hù)梁的水平受力，這對(duì)保證支架的穩(wěn)定性至關(guān)重要。
(2)提高支架的初撐力5.2m大采高綜放液壓支架選取較高的初撐力，使得支架主動(dòng)支撐頂板的能力加強(qiáng)，可有效地保證頂板的完整性。為此，5. 2m大采高綜放液壓支架選擇的初撐力為工作阻力的85%，保證頂板和頂梁可靠地接觸，并有足夠的摩擦力，這對(duì)增加支架的穩(wěn)定性大有好處。
(3)加大支架的中心距把5.2m大采高綜放液壓支架的中心距加大到1. 75m，同時(shí)，盡量加寬支架底座的寬度，增加底座和底板的接觸面積，加大立柱的橫向中心距，加寬連桿寬度，這是因?yàn)殡S著工作面的傾角變化，大采高支架由于高度加大原因，重心很容易偏至底座邊沿，甚至超出底座邊沿，增加了支架橫向不穩(wěn)定因素。
(4)減小軸孔間隙和徑向間隙 支架各部件之間通過(guò)銷軸鉸接，軸孔之間存在著一定的配合間隙，在底座和連桿、連桿和掩護(hù)梁、掩護(hù)梁和頂梁、立柱和頂梁及底座之間都存在著間隙。這些間隙過(guò)大，即使在工作面水平狀態(tài)下，頂梁和底座也會(huì)發(fā)生錯(cuò)位，若工作面稍有傾角，這些間隙就會(huì)累加起來(lái)，使支架重心和合力作用點(diǎn)發(fā)生偏移，導(dǎo)致支架產(chǎn)生傾斜、扭轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)倒架，隨著工作高度的增加，這些情況更加嚴(yán)重，所以在支架的設(shè)計(jì)過(guò)程中，只要制造工藝條件允許，就要盡量減小各部件之間的軸孔間隙和徑向間隙。例如結(jié)構(gòu)件配合理論間隙由傳統(tǒng)的8—10mm減小到6—8mm，軸孔理論間隙由傳統(tǒng)的l一2mm減小到0.75一Imm。
(5)增大前梁千斤頂缸徑，設(shè)置二級(jí)護(hù)幫裝置隨著采高的增加，煤壁壓力增大，特別容易發(fā)生片幫和冒頂，一旦出現(xiàn)這種情況，支架不能正常接頂．更容易發(fā)生倒架事故，為此應(yīng)加強(qiáng)頂梁前端的護(hù)頂能力，由于5. 2m大采高綜放液壓支架采用頂梁加旋轉(zhuǎn)前梁的結(jié)構(gòu)，特采用2個(gè)+200mm大缸徑前梁千斤頂，以增大前梁前端支護(hù)能力‘5]。為此，應(yīng)增加護(hù)幫板的長(zhǎng)度，選用二級(jí)護(hù)幫裝置，采用護(hù)幫板并使其靠緊煤壁可以增加煤壁的側(cè)向約束力，煤壁片幫程度則會(huì)大大減小。
4.4新型雙前后連桿中通式大空間放煤穩(wěn)定機(jī)構(gòu)
在5. 2m大采高綜放液壓支架的設(shè)計(jì)中，創(chuàng)新性提出了新型雙四連桿中通式大空間放頂煤支架穩(wěn)定機(jī)構(gòu)（已申請(qǐng)專利）。前、后連桿的結(jié)構(gòu)對(duì)支架的抗扭起到至關(guān)重要的作用，采用“前雙、后雙”的連桿結(jié)構(gòu)，較傳統(tǒng)的“前雙、后單”的結(jié)構(gòu)，前后連桿的剛性大大加強(qiáng)，前后連桿受力變形量隨之減小，進(jìn)而減小了頂梁、掩護(hù)梁相對(duì)底座的偏移量，增加了大采高綜放液壓支架的穩(wěn)定性。同時(shí)，在前后連桿間形成了較大的行人通道，維修人員可到達(dá)支架后部進(jìn)行維修作業(yè)；操作人員可隨時(shí)觀察放煤情況、控制放煤過(guò)程，可提高放煤的精度和采出率。
4.5前梁一伸縮梁運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)選用V型槽導(dǎo)向結(jié)構(gòu)
支架前端的護(hù)頂性能是5. 2m大采高綜放液壓支架需研究解決的關(guān)鍵技術(shù)之～，為使支架具有良好的護(hù)頂性能，支架前梁設(shè)計(jì)了帶大行程的內(nèi)伸縮式伸縮梁，通常通過(guò)控制伸縮梁兩邊梁外側(cè)與頂梁邊主筋內(nèi)側(cè)間的距離來(lái)導(dǎo)向的，往往由于加工的原因造成誤差，致使伸縮粱在伸縮過(guò)程中經(jīng)常遇到蹩卡現(xiàn)象，影響支架的護(hù)頂性能。為此，在5. 2m大采高綜放液壓支架前梁一伸縮粱運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中擯棄了常規(guī)的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，采用了V型槽導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，實(shí)踐表明，采用V型槽導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的伸縮梁運(yùn)動(dòng)靈活自如。
4.6采用抗沖擊立柱
實(shí)踐和理論證明大采高放頂煤液壓支架常常受到?jīng)_擊載荷，為了保證工作面的高效安全，大采高放頂煤支架所用的立柱必須具有抗沖擊性，為了提高立柱的抗沖擊能力，主要常用以下方法：
(1)增加旁路安全閥，增大安全閥流量，在支架受到?jīng)_擊載荷時(shí)迅速泄液。
(2)盡可能增大立柱內(nèi)部緩沖液體（介質(zhì)）的體積，以提高立柱緩沖性能。
(3)合理設(shè)計(jì)立柱結(jié)構(gòu)，減小立柱受沖擊時(shí)的壓縮剛度，延長(zhǎng)立柱沖擊振動(dòng)周期。
(4)選擇合理的立柱型式，優(yōu)先采用雙伸縮立柱，其次采用單伸縮立柱，盡量避免采用單伸縮加機(jī)械加長(zhǎng)桿立柱。
5、結(jié)束語(yǔ)
5. 2m大采高綜放液壓支架將目前綜放工作面割煤最大高度由3. 5m提高到5m，為14~ 20m的特厚煤層實(shí)現(xiàn)安全、高產(chǎn)、高效、高采出率開(kāi)創(chuàng)了新的技術(shù)途徑。
5. 2m大采高綜放液壓支架力特厚煤層礦區(qū)建設(shè)千萬(wàn)噸級(jí)以上礦井，提供了良好的技術(shù)和裝備保證。我國(guó)類似條件的特厚煤層儲(chǔ)量較豐富，推廣應(yīng)用前景廣闊。
