综采液压支架一体化回撤装备创新设计研究
沈海峰

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补充作者简介：姓名（出生年月）；性别；民族；籍贯；职称；学历；研究方向：

摘要：煤矿综采作业中液压支架回撤属于关键环节，传统方式依靠绞车和手拉葫芦等设备操作，存在效率低下劳动强度大安全风险高等问题，本文针对这些问题运用TRIZ理论进行系统分析，提出曲面化改进分段牵引材料优化等创新策略，并且设计出集成调向物料转运轨道牵引推进系统的一体化回撤装备，该装备通过多系统协同作业来提升效率与安全性，工业性试验显示该装备缩短回撤周期降低劳动强度，为煤矿综采液压支架回撤提供高效安全解决方案。

关键词：综采液压支架；一体化回撤装备；TRIZ理论；创新设计

中图分类号：

0引言

综采技术可提高开采效率且保障安全生产，综采工作面推进的过程中，液压支架回撤作业的效率与安全性直接影响整体开采进度，传统液压支架回撤方式依赖绞车和手拉葫芦等设备，存在工序复杂、效率低下、劳动强度大及安全风险高等问题^[1]，难以满足现代化煤矿高效且安全的生产需求，本文系统分析传统回撤方式所存在的问题，运用TRIZ理论提出创新策略并设计一体化回撤装备，为煤矿综采液压支架回撤提供全新的解决方案。

1传统液压支架回撤方式及存在问题分析

1.1传统液压支架回撤方式分析

煤矿井下综采工作面液压支架传统撤除工艺依靠绞车系统、手拉葫芦装置和液压单体支柱等设备协同作业，通过机械牵引方式达成支架安全拆卸与转运。

绞车：该设备可产生强劲牵引力，协助搬运或分解大型支撑构件。采用电动/手动双模式驱动，确保在可控状态下输出恒定的牵引作用。

手拉葫芦：主要用于空间受限或者不易接近的工作场所，可实现精准的吊装作业，适合在狭小区域内完成垂直升降或水平位移等精细操作需求。

液压单体支柱：作为一种临时性的支撑结构，能够消除拆卸过程里潜在空当以及不稳固构造，依靠自身快捷的调节与定位性能，支柱为施工阶段的安全状况提供了保障。

液压支架拆卸作业过程中必须严格遵循标准化操作流程，操作人员务必要保证自身具备专业资质以及丰富的实践经验，确保能够在井下高危环境中实现安全作业，面对重型机械操作以及复杂工况所带来的安全隐患，需要始终保持高度警觉并且实施规范化协同作业，有效规避各类安全事故的发生。

1.2传统液压支架回撤方式存在的问题

（1）问题分析

液压支架回撤工序通常包含抽架、调向、装车与转运等环节。传统回撤方法问题如下：

①对回撤绞车及单体支柱的依赖性过高:当前主要依靠回撤绞车驱动，容易造成设备频繁进行拆卸、调整和固定，增加了操作流程的复杂程度，延长了整体的回撤工作周期^[2]。

②回撤效率相对滞后:受到频繁拆装与调整作业的影响，液压支架整体回撤效率偏低，制约了采矿作业的整体进度，并直接影响回撤作业的速度。

③矿工劳动强度大:回撤工序涉及重型机械操作与复杂流程，对矿工的体力消耗巨大，对其身体健康构成潜在威胁。

④安全风险隐患较高:煤矿环境本身蕴含较高的安全风险，而重型设备操作，尤其是频繁的设备移动与调整，加剧了事故发生的可能性。此外不稳定的矿井地质条件也增加了安全隐患。

⑤开采成本有所增加:回撤效率的低下，必然导致更多的时间与资源投入，推高煤炭开采的整体成本。

煤矿井下作业中，单轨吊运输系统虽能提升辅助运输效率，但仍存在一定局限性，当液压支架完成抽架和调向工序后，仍需借助绞车牵引10-20m距离才能到达单轨吊起吊位置，问题如下：

①作业安全：由于液压支架自身重量大、体积庞大，在绞车牵引过程中易出现设备滑移、倾覆或失控等安全事故；

②工作效率：采用绞车牵引方式不仅延长了作业周期，还制约了整体运输效率的提升；

③人员负荷方面：绞车操作主要依赖人工，显著增加了作业人员的体力劳动强度；

④设备维护方面：频繁的绞车牵引作业会加剧设备磨损程度，导致维护成本上升和设备更新周期缩短。

（2）因果轴分析

为解决传统液压支架回撤工艺存在的技术缺陷，本文构建系统性分析框架，其因果关联分析见图1所示，主要技术瓶颈体现在以下方面：

①牵引机构可靠性不足。牵引钢丝绳在服役周期内因疲劳损伤和材料劣化导致抗拉强度下降，难以满足高负荷工况需求；

②轨道系统适应性受限。刚性固定的导向轨道制约了作业空间的可调性，增加了复杂工况下的操作难度；

③调向机构存在结构缺陷。平台底部与地面接触面设计不合理，导致移动过程中产生异常摩擦阻力；

④动力装置布局欠佳。固定式绞车布置方式增加了设备转场时间成本，制约了作业效率的提升。

图1因果轴分析

2 TRIZ 理论分析

2.1技术矛盾分析

根据TRIZ理论技术矛盾分析方法，对传统液压支架回撤过程中因断绳引发的安全事故以及设备故障问题进行系统分析，技术矛盾的解决方案如下：

（1）曲面化改进：通过优化牵引绳的几何构型，增强其柔韧性能和环境适应性，降低因摩擦阻力或过载引发的断裂风险。

（2）分段牵引：采用多级短距牵引模式替代传统长距牵引方式，有效分散牵引载荷，提升系统运行可靠度。

（3）材料：引入高性能复合材质制造牵引部件，在保证结构强度的同时实现轻量化设计。

（4）预防性维护：建立完善的监测预警体系，实施定期检修制度，从源头上预防牵引系统失效。

（5）液压驱动替代：采用液压缸伸缩机构来替代传统绞车牵引系统，不但消除绳索断裂方面的隐患，而且提升作业的自动化程度。

2.2物理矛盾分析

针对传统液压支架回撤过程中存在的轨道系统质量过大、体积笨重，以及人工铺设、拆卸及转运效率低下等技术瓶颈，基于TRIZ理论中的物理矛盾分析法，提出采用时间分离原理来优化煤矿综采工作面回撤轨道的技术方案。该方案的技术要点如下：

时间分离：通过精确划分作业时序，实现轨道系统功能状态的动态转换，在T1作业阶段，轨道系统作为固定支撑平台确保液压支架的安全回撤；而在T2作业阶段，则通过专用连接装置实现与自移式轨道车的快速对接，完成轨道系统的机械化转运^[3]。

整体式轨道设计：采用10-15m标准长度的整体式轨道单元，减少现场组装环节，降低作业人员的劳动强度，提升系统安装效率。

轨道自移车：引入具有自主移动功能的专用轨道转运设备，实现了轨道系统的机械化运输，减少人力投入，提升作业系统的机动性能。

时间段T1与T2的明确区分：通过建立严格的时序控制标准确保轨道系统在固定支撑和移动转运功能状态之间实现无缝切换，从根本上解决传统方案所存在的功能冲突问题。

2.3物-场模型分析

传统液压支架回撤过程调向装置灵活性不足，绞车牵引致使底板损伤问题，运用物-场理论构建“有害效应完整模型”，此模型中调向装置（S1）和地面（S2）相互作用会产生负面效应，引入第三种物质（S3），可升降辅助轮装置，通过把滑动摩擦转变为滚动摩擦的方式，提升设备移动的效率，同时避免因直接接触而造成的底板损伤现象（如图2所示），辅助轮装置的应用实现了运动方式的优化转变，降低设备与地面之间的摩擦阻力，从根本上解决了啃底问题。

图2 物 – 场模型分析

3 液压支架一体化回撤装备创新设计

3.1 结构设计

基于TRIZ理论技术矛盾分析，构建出整理后的驱动框架，见图3。

（a）中部牵引	（b）顶部牵引
图3 新型牵引装置结构示意图

基于TRIZ理论物理矛盾分析，优化后的轨道回收作业流程见图4。

图4 可移动浮动钢轨

该综采液压支架一体化回撤装备（如图5所示）采用了多系统协同作业的架构，提升了作业效率、安全性能及操作便捷性。该装备主要由以下功能模块构成：

（1）调向系统：配置辅助轮结构，有效解决了设备啃底问题，增强在复杂地形条件下的机动性能；

（2）物料转运系统：采用专用转运车设计，实现了物料输送的自动化，大幅降低了人工干预频次及潜在安全隐患；

（3）轨道系统：将浮动钢轨与自移装置组合，可根据现场工况实时调整轨道位置，极大提升了系统适应性^[4]；

（4）牵引系统：采用新型牵引机构替代传统绞车方案，从根本上消除了牵引绳断裂风险，系统可靠性得到质的提升；

（5）推进系统：优化设计的推移装置改善了设备移动效能，为连续作业提供了有力保障。

图5 新型液压支架一体化回撤装备结构示意图

3.2 作业流程

基于回撤空间尺寸特征，地提出末端回撤与非末端回撤两种差异化作业模式，工艺流程见图6所示。这两种模式的设计充分考量了矿井作业环境的多样性与特殊性，能够根据实际工况需求进行灵活配置与优化应用。

图6 新型液压支架一体化回撤装备作业流程图

4 牵引臂有限元分析

4.1 牵引臂计算分析

推移装置牵引臂的结构组成包括基座臂、可伸缩臂体、液压驱动缸体、牵引链条以及吊钩组件。该部件采用Q690高强度钢材制造，其材料特性参数如下：弹性模量值为195GPa，屈服强度达到690MPa，抗拉强度为770MPa，泊松比系数为0.29，材料密度为7850kg/m3。基于SolidWorks软件平台构建了牵引臂的简化三维实体模型，如图7所示。

图7 牵引臂的三维简化模型

以ZY6800/17/36D型号支撑装置为例，运用下列公式估算拉绳在牵引臂上的受力情况。

式中：F_L为牵引绳拉力；

Q为液压支架质量，取21400kg；

Q_m为运转车等其他工具质量，取7000kg；

g_n为重力加速度，取9.80m/s2；

α为巷道倾角，取0；

f₁为设备与浮动轨道间阻力系数，取0.15。

通过计算，测得牵引索的拉力值为41748N。同时，牵引臂承受的逆向作用力F_Z=2×F_L，83496N。

4.2 基座臂静力学分析

为深入探究基座臂的力学性能，本文借助ANSYS Workbench软件，运用有限元分析方法。分析中，将基座臂底端设置为固定约束，并在顶端施加FZ方向的载荷^[5]。为保证计算精度，采用多区域划分策略生成六面体网格，共计获得222747个节点和141859个单元，实现了对基座臂模型的精细化离散。变形云图和应力云图见图8。

（a）变形云图

（b）应力云图

图 8 变形云图和应力云图

结构变形分析结果显示，基座臂在动态运行工况下出现的最大弹性变形值为1.0543mm，其中变形量最大的区域出现在基座臂右侧顶端与伸缩臂末端接触部位，处于较低水平，符合相关工程规范的设计要求。

应力分布特征分析表明，基座臂的应力极值达到299.03MPa，该高应力区域主要集中于基座臂底端销轴孔周边，能与局部载荷集中效应或该区域特殊的几何结构特征所导致的应力集中效应密切相关。

最大等效应力计算公式如下所示：

式中：[σ]为材料的许用应力；

σ_s为材料的屈服应力，取690MPa；

n_s为材料的安全系数，取2。

材料的允许应力设定为345MPa，支撑臂承受的最大应力为2990.3MPa，支撑臂的最大应力未超过允许应力，满足设计规范。

5 应用效果分析

该新型综采液压支架一体化回撤装备在某煤矿83上03工作面进行工业性试验，应用时将导向设备和遮护架通过铰链进行连接，并且将遮护架设置在撤回巷道里木支架的一侧，浮动轨道的铺设采用非均衡配置方式，其左侧和推进机械相互连接，右侧与导向设备进行铰接操作，转运机械采用滑动式设计方案并装配在浮动轨道之上，牵引机构采取双侧分布的布局形式，推进机械则放置在单轨吊的下方位置，在实验操作阶段，待撤除的支架经过导向设备完成方位调整后，由转运机械沿着浮动轨道输送到推进机械所在的位置，最终由单轨吊实现整体的提升作业，现场试验数据显示：

（1）新型综采液压支架一体化回撤转运系统实现了无绞车、无单体辅助条件下的整架连续运输，有效解决了复杂地质条件下重型支架搬运的技术难题。

（2）该装备采用多缸协同推拉技术，构建回撤转运全流程一体化运输工艺体系，完全替代了传统的”支顶拖拽”人工辅助模式，提升了作业安全性。

（3）采用”首端滑辊牵引-中段浮轨过渡-末端推拉驱动”的链式传动结构设计，通过多模块协同运作机制实现设备自主移动功能，有效解决重复转运问题，该装备在83上03工作面110台液压支架拆除作业中性能优异，仅用10个工作日即安全高效地完成全部拆除任务。

经现场实测数据显示，与传统工艺相比，单台支架回撤作业时间从120分钟降至54分钟，日均回撤数量提升至11台，作业效率实现122%的显著提升。该技术方案的应用使工作面拆除周期缩短约45%，同时降低作业人员的体力消耗。

6结论

针对传统综采液压支架回撤方式存在效率低和劳动强度大以及安全风险高等问题，本文通过系统分析传统回撤工艺所存在的技术缺陷，运用TRIZ理论提出曲面化改进和分段牵引还有材料优化等策略，并且设计出一体化的综采液压支架回撤装备，该装备通过集成调向与物料转运和轨道及牵引推进等系统，实现多系统协同作业提升回撤作业效率与安全性，工业性试验结果表明新型装备在缩短回撤周期和降低劳动强度以及提升作业安全性方面表现优异，为煤矿综采液压支架回撤提供高效且安全的解决方案。

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