支撐掩護式液壓支架畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 和頂梁盡量短，使支架輕型化。 2．標準化。為了減輕支架的重量，降低成本，提高對煤層厚度變化和頂底板條件 的適應性，使液壓支架的危險性減小，對同一型號設計成系列化，適應不同煤層厚度的要求。 3．材質強化。提高結構件鋼材強度，采用優質鋼材，減輕液壓支架的重量，設計師可先進行技術經濟比較，再選合適的材料。 4．高壓化。各種閥類的壓力等級價高，相應的強度增高，使閥和油缸的體積減小，使液壓支架的質量減輕。 5．操作自動化。能適應無人采煤工作面的需要，實際運程操作的新型全自動液壓支架。 我國液壓支架與國外液壓支架存在的差距及今后的發展趨勢 我國的液壓支架經過 30 多年的發展，盡管取得了顯著的成績，在雙高礦井建設中 出現過日產萬噸甚至班產萬噸的記錄，但總體水平與世界先進采煤國家仍存在一定的差距。在支架架型功能上我國與國外相差無幾，有些地方特別是特厚煤層用的放頂煤支架、鋪網支架、兩硬煤層的強力支架、端頭支架還有獨到之處，但國產液壓支架技術含量偏低，電液控制閥可靠性差，所用鋼材耐壓能力一般為 16MPa，最好的屈服極限僅有 700MPa，液壓系統壓力在 35MPa 以下，流量在 200L/min 以內，供液管直徑 25～ 32mm，回液管直徑 25～ 50mm，最快移架速度為 10～ 12s/架（井下實際應用又是在 20s 以上），工作阻力相對較低。 我國液壓支架的設計制造水平經過 30 多年的發展，不斷提高，特別是在緩傾斜中厚煤層的液壓支架反面積累了豐富的經驗，架型也基本趨于成熟完善，在品種和質量方面與國際相比還有較大的差距。所以，今后除應繼續針對我國國情和煤層具體條件開發一些新架型、新品種外，還應在設計支架控制系統和提高指甲的工作可靠性發面下功夫。 今后，我國的液壓支架的設計將朝技術含量高、鋼板強度高、移架速度快（ 6～ 8 s/架）和電液控制閥的方向發展，對破碎帶和斷層的工作面將加大支架的移架力，盡量采用整體可 12 靠的推桿和抬底座機構，并減少千斤頂的數量。另 外，將普遍采用額定壓力為 40MPa、額定流量為 400L/min 的高壓大流量乳化液泵站，以適應快速一家的需要；系統采用環形或雙向供液，保證支架有足夠的壓力達到初撐力，保證支架接頂位置。兩柱掩護式液壓支架的比重將大大增加，缸的直徑將增至 360mm，端頭支架、輕放多用途支架將被廣泛使用。 13 第 2 章 液壓支架的架型特點及選型 液壓支架的分類及特點 液壓支架架型的分類 按照液壓支架在采煤工作面安裝位置來劃分有端頭液壓支架和中間液壓支架。端頭液壓支架簡稱端頭支架，專門安裝在每個采煤工作面的兩端。中間液壓支架是安裝在除工作面端頭以外的采煤工作面上所有位置的支架。 目前使用的液壓支架分為三類，即：支撐式、掩護式和支撐掩護式液壓支架。 1．支撐式液壓支架：支撐是液壓支架的架型有垛式支架和節式支架兩種形式。如圖 21所示， 前梁較長，支柱較多并呈垂直分布，支架的穩定性由支柱的復位裝置來保證。因此底座較堅固，它靠支柱和頂梁的支撐作用 控制工作面頂板，維護工作空間。頂板巖石則在頂梁后部切斷垮落。這類支架具有較大的支撐能力和良好的穩定性能，適用于頂板堅硬完整，周期壓力明顯或強烈，地板較硬的煤層。 2．掩護式液壓支架：掩護式液壓支架有插腿式和非插腿式兩種形式。如圖 22 所示，其頂梁較短，對頂班的作用力均勻；結構穩定，抵抗直接頂水平運動能力強；防護性能好，調高范圍大，對煤層厚度變化適應性強；但整架工作阻力小，通風阻力小，工作空間小。這類支架適用于直接頂不穩定或中等穩定的煤層。 a b 圖 21 支撐式液壓支架的類型 14 3．支撐掩護式液壓支架：支撐掩護式液壓支架是在支撐式液壓支架和掩護式 液壓支架的基礎上發展起來的一種架型。它保留了支撐式支架支撐力大、切頂性能好、工作空間寬敞等優點，采用雙排立柱支撐；同時又吸取掩護式支架擋矸掩護性能好，抗水平力腔結構穩定等長處。而且，采用堅實的掩護梁以及側護板，將工作空間與采空區完全隔開；并采用前后連桿連接掩護梁和底座，組成四連桿機構，使梁端距幾乎不變，防止了架前漏矸。 支撐掩護式液壓支架適用范圍很廣，可用于各種頂板條件，尤其用于中等穩定以上的頂板條件。其缺點是：結構復雜，重量大，價格較貴。不同結構形式的支撐掩護式液壓支架，其主要區別是立柱的布置方式不同。具體分類方法及及型式如圖 23 所示 圖 22 掩護式液壓支架的類型 a 插腿式支架 b 立柱在掩護梁上非插腿式支架 c 立柱在頂梁上非插腿式支架 圖 23 支撐掩護式液壓支架的類型 a．四柱平行支在頂梁上的支架 b．四柱交叉支在頂梁上的支架 c．兩支柱支在頂梁上，兩柱支在掩護梁上的支架 15 頂板的組成 回采工作面的頂板，根據巖層和煤層的相對位置及特征，可以分三類： 1．偽頂：直接位移煤層上方使極易垮落的一層巖 石。它通常使灰質頁巖和泥質頁巖，厚度一般不大于 ～ ，經常隨采隨冒。有些巖層不出現偽頂。為頂對支護設備的使用一般沒影響。 2．直接頂：是指位于偽頂或直接位于煤層上方的一層或幾層巖層，厚度一般不大，不很堅硬，常由泥質頁巖、頁巖、沙質頁巖等組成。一般隨回柱或移架而冒落。直接頂的穩定性對支護方式及架型選擇由決定性的影響。 3．老頂：是指位于直接頂之上厚而堅實、節理裂隙和層理都不發育的整體巖層。通常由砂巖、石灰巖或砂礫巖等構成。老頂常能在采空區維持很大懸露面積而不隨直接頂一起垮落，其垮落步距的長短對支護設備的載荷大小由決定性影響。 液壓支架的支撐力與承載關系 1．支撐式液壓支架的特點是頂梁較長，控頂距較大，立柱呈直立布置，而且一般都位于頂梁的后半部。因此，支撐力也相應集中在控頂區的后半部分，以阻止上部巖層的移動，實現切頂。而在煤壁附近的主要工作空間的頂板則處于無立柱狀態，僅靠支護力較小的前梁來維護。股支架的工作阻力在控 頂區范圍內很不均勻，起預想的支撐力分布規律如圖 圖 24 支撐式液壓支架支撐力分布圖 16 2．掩護式液壓支架的特點和支撐力分布 掩護式液壓支架的特點是頂梁較短，控頂距較小，支撐力主要集中在頂梁部位，且分布較均勻，頂梁端部的支撐能力比支撐是液壓支架大，其支撐力的分布規律如圖 25 所示 掩護式液壓支架在不同頂板條件下的承載分析 1）掩護式液壓支架在破碎不穩定頂板條件下的受力情況： 頂梁受力：由于支架頂梁短，使支架重復支撐次數減少，所以頂板較完整。頂板作用在頂梁上的合力為 Q3，載荷分布如圖 26 所示 掩護梁受力：由于頂板破碎，在頂梁后部自由冒落巖石的一部分作用在掩護梁上，對掩護梁的作用力可分解垂直分立和水平分力，如圖 掩護式液壓支架雖然立柱少，支撐力小，但由于頂梁短，單位面積支撐力大，載荷分布和支架支撐力的作用部位基本一致。所以，此種支架能在破碎不穩定頂板下工作。 圖 25掩護式液壓支架支撐力分布圖 17 圖 26 掩護式液壓支架在破碎不穩定頂板條件下的受力情況 2）掩護式液壓支架在中等穩定以上頂板的受力情況。掩護式液壓支架由于立柱少，且呈傾斜布置，支撐力較小，切頂性較差，受力情況如圖 27 所示 直接頂冒落時，冒落巖石分別作用在頂梁上和掩護梁上。 周期來壓時，由于頂梁后部頂板不能充分切斷，基本頂壓力將由整個支架和采空區垮落巖石承擔或者有可能在切頂時，基本頂直接壓在掩護梁上，這就使掩護梁上載荷劇增，迫使頂梁支撐力減小，使支架難以承受頂板的壓力和控制頂板的冒落。所以，此種支架不能在中等穩定以上頂板下工作。 圖 27 掩護式液壓支架在中等穩定以上頂板的受力情況 18 3． 支撐掩護式液壓支架支撐力分布與承載的關系及適用范圍 圖 28 支撐掩護式液壓支架支撐力分布 支撐掩護式液壓支架是為了改善支撐式液壓支架和掩護式液壓支架的性能和對頂板的適應性而設計的，主體部分接近垛式，支架后部有四連桿機構和掩護梁，增強了支架的支撐力和承載能力。所以此種支架介于以上兩種支架之間，增強了適用范圍，適用于頂板較堅硬 、頂板壓力較大頂板破碎的各種煤層，其受力狀況如圖 28 所示 液壓支架的選型 液壓支架的選型原則 液壓支架的選型，其根本目的是使綜采設備適合礦井和工作面的條件，投產后能夠做到高產、高效、安全，并為礦井的集中生產、優化管理和最佳經濟效益提供條件，因此必須根據礦井的煤層、地質、技術和設備條件進行選擇。 1．液壓支架架型的選擇首先要適合于頂板。一般情況下可根據頂板的級別直接選出架型。 2．當煤層厚度超過 ，頂板有側向推力和水平推力時，應選用抗扭能力強的支架，一般不宜選用支撐式支架。 3．當煤層厚度達到 ～ ，需要選擇有護幫裝置的掩護式或支撐掩護式支架，煤層厚度變化大時，應選擇調高范圍較 大、帶有機械加長桿或雙伸縮立柱的掩護式支架。 4．應使支架對地板的接觸比壓不超過地板允許的抗壓強度。在地板較軟條件下，應選 19 用抬地板裝置的支架或插腿掩護式支架。176。 5．煤層傾角小于 10176。時，液壓支架可以不設防倒防滑裝置。傾角在 10176。～ 15176。（支撐式液壓支架取下限，掩護式液壓支架和支撐掩護式液壓支架取上限）以上時，應選用帶有防滑裝置的液壓支架。傾角在 18176。以上時，應選用同時帶有防滑防倒裝置的液壓支架。 6．對瓦斯涌出量大的工作面，應符合《煤礦安全規程》要求，并優先選擇通風面積大的支撐式或支撐掩護液壓支架。 7． 當煤層為軟煤時，支架最大高度一般應≤ ；中硬煤時，支架最大高度一般≤ ；硬煤，支架最大高度＜ 5m。 8．同時允許選用幾種架型時，應優先選用價格便宜的支架。支撐式液壓支架最便宜，其次是掩護式液壓支架，最貴為支撐掩護式液壓支架。 液壓支架設計的原始條件 松軟煤層，煤層厚度 5 米，傾角 10 度，老頂級別Ⅲ級，直接頂類型 3，底板級別Ⅱ級，瓦斯涌出量較大。 液壓支架的選型過程 1．確定直接頂和基本頂類別 1)頂板分類 （ 1）直接頂分類 我國將緩傾斜煤層回采工作面的直接頂分為四類： 一．不穩定頂板即破碎頂板，很容易冒落，冒落能基本充滿采空區。泥質頁巖、再生頂板等屬于這一類。 二．中等穩定頂板：這類頂板強度較高，但由大量節理裂隙，局部較完整，厚度不大，冒落后不能充滿采空區，一般支護設備前移后隨即冒落。砂質頁巖、粉砂巖等直接頂屬于這一類頂板。 三．穩定頂板即完整頂板：不易發生局部冒落。砂巖頂板、堅硬的砂質頁巖頂板屬于這一類頂板。 四．堅硬頂板：極難冒落的砂巖、堅硬砂質頁巖等屬于這一類頂板。 表 21 基本頂級別 20 注： N 應根據采煤工作面所在位置的地質柱狀圖中的 M 和 h 來計算。 LP 可根據現場實測或礦壓顯示特征確定。 （ 2）老頂分級 老頂根據周期來壓明顯與否分為四級： I 級頂板，周期來壓不明顯； II 級頂板，周期來壓明顯； III 級頂板，周期來壓強烈； IV級頂板，周期來壓極強烈。 老頂周期來壓越不明顯，作用于支架上的載荷就越小，而且穩定。反之，周期來壓越強烈，作用于支護設備上的載荷就越小，且有沖擊。 表 22 老頂級別 類 別 指 標 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 不穩定頂板 中等穩定頂板 穩定頂板 堅硬頂板 主要指標 強度指數 D1 l=3 l≤ 8 l=～ 7 l=9～ 18 l=～ 12 l=19～ 25 l＞ 12 l＞ 25 無直接頂，巖層厚度在 2～5m以上 σ ＞ 60～80 參照指標 直接頂初次垮落步距 l/m 表中按右式計算： 1 = σ 1 2 σ=巖石單向抗拉強度（ Mpa） 基本頂級別 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 基本頂來壓 不明顯 明 顯 強 烈 極強烈 指 標 N=3～ 5 ＜ N≤ 3～ 5 LP=25～ 50 0,3＜ N≤ 3～ 5 LP＞ 50 N≤ LP=25～ 50 N≤ LP＞ 50 21 1= 節理裂隙影響系數； 2=分層厚度影響系數。 表 23 節理裂隙間距表 節理裂隙間距表 l/m c1 表 24 分層厚度表 分層厚度表 Hx/m C2 表 25 支架架型確定參數 支架架型確定參數 基本頂級別 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 直接頂級別 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 4 液壓支架架型 掩護 掩護 支撐 掩護 掩護或支撐 支撐