煤炭矿井综合机械化开采在我国有六、七十年的历史,当今我国能源供给的60～70%仍是煤炭。煤炭矿井综合机械化开采中的液压支架是防止工作面顶板冒落、煤壁片帮,保障人员与采运机械安全、高效工作的关键装备。本文针对我国煤矿替代放顶煤开采——低煤炭回收率、高瓦斯、高煤尘、坚硬难放的厚及特厚煤层开采技术的大采高一次采全高液压支架的实际需求和急需解决的难题,以8.8米大采高液压支架攻关项目为研究对象,研究大采高液压支架支护及承载能力关键技术问题,其中包括:支撑顶板矿压载荷、护煤壁防片帮、大流量液压驱动系统、机构及结构设计、非线性有限元结构应力分析、高强度材料加工、样机研制及实验验证,为大采高液压支架试制成功奠定了基础。本文完成主要工作及取得的研究成果有:1.综合现有煤矿浅埋深、强冲击地压、冲击矿压和坚硬顶板工作条件下大采高液压支架设计理论及技术,研究提出来了满足支撑能力、切顶能力、抗冲击矿压能力、抗扭转抗偏载能力、防片帮防冒顶能力、纵向与横向稳定性、安全高效快速推进等关键技术指标的8.8m特大采高液压支架结构及架型。2.建立了8.8m大采高液压支架机构受力方程并分析得出受力变化规律根据受力分析研究得出了8.8m大采高液压支架在不同采高工作过程中的支护强度、顶梁受力及力矩、掩护梁受力及力矩、连架杆受力人小及变化规律。3.建立了8.8m大采高液压支架装配结构有限元法分析模型,求解得出8.8m大采高液压支架在多种载荷:顶梁扭转、顶梁偏载、底座扭转条件下的顶梁、掩护梁、连架杆、底座应力应变计算数据及变化规律。4.研究设计了8.8m大采高液压支架作者负责完成设计中的要点有:(1)提出8.8m大采高液压支架防冒顶防片帮机构应用开发的“复合护帮液压支架及其应用”(2012年度中国专利优秀奖)专利技术,研制了“加长型(1065mm行程)独立工作伸缩机构”护顶机构,实现了有效可靠防冒顶功能与作用;研制了“增力型可折叠式三级护帮机构”,提高护帮力3倍,解决大采高工作面的冒顶、片帮难题。(2)提出了8.8m大采高液压支架稳定性保证技术措施1)通过研究设计出,使支架主要承载顶板力的顶梁前后比控制在1:2.6以上,既适应了强冲击,又增加了支架的主动切顶力。2)通过结构设计降低整架重心、减小轴孔间隙、加长加宽底座,加大侧护板油缸缸径(125mm),采用双弹簧预紧和设置双液控单向锁。3)加大立柱导向套与活塞含入量,并在活塞与导向套上设置3个及以上支撑环和双道密封,保证立柱的稳定性。(3)实现初撑力增压与大流量快速“降移升”技术开发了立柱初撑力增压系统(42MPa),立柱双底阀,1600 L/min三阀芯单向阀,双旁路进液三旁路回液,双1000 1/min充氮安全阀,推移拉架双旁路进液,一二级护帮差动及三级联动,高压承载接口双U形卡,架间三主进液DN50S-SSKV,三主回液DN63-SSKV等,实现了快速“降-移-升”技术突破。5.研制成功8.8m大采高液压支架样机其中的关键是高强机械零部件及结构件制造工艺技术研究。研究开发“高熔透、高韧性、低碳、低热敏感性”的欧标Q890高强调质结构钢焊材,高箱型薄钢板结构件焊接变形控制及结构件熔透焊接技术,油缸窄间隙焊接、立柱外缸无焊接、坡口+不等边角焊技术等。高性能的30CrMnSi和30CrMo高强耐锈蚀柱钢及热处理新技术,浮动导向套新技术及底座防窜底技术。6.8.8m大采高液压支架样机测试实验验证实验测试标准集成了国家标准、欧洲标准和美国标准,高于目前其它支架的试验标准,符合特大采高工作面的特殊使用工况。对结构应力及应变实验数据与有限元数据对比分析,循环加载、疲劳寿命等指标测试,验证了设计研发的8.8 m大采高液压支架本文研究提出的结论。通过本文的研究工作,也发现了今后努力方向:①支架“顶梁低位偏载+底座弯曲”工况下出现了掩护梁主筋纵向裂纹、掩护梁腹板在焊缝汇结处出现裂纹、掩护梁腹板在接近开孔处出现焊缝裂纹。②“顶梁侧护板弯曲+底座扭转”工况下出现了底座腹板开孔处附近出现腹板裂纹和与主筋的焊缝裂纹、顶梁侧护板销轴在销孔处断裂、顶梁侧护板变形焊缝开裂。对于以上问题,文中对原因进行了分析,包括:焊缝汇结及尖角处焊缝应力及热影响区集中易产生裂纹,高强钢板厚钢板Z向强度较弱的缺陷会对支架强度造成影响,钢板和销轴的开孔应避免开在较高的应力区域,不同的搭接形式焊缝对结构件的受力影响较大。今后还将进一步分析和研究。