第一章 支护设备与采煤机选型设计

第一章综合机械化采煤成套设备选型采煤机、工作面输送机、液压支架等是机械化采煤工作面的主要设备，主要任务是在长壁工作面完成落煤、装煤、运煤和支护等几个主要采煤工序。目前我国多采用滚筒式采煤机和刨煤机。综采成套设备一般由采煤机、刮板输送机、工作面液压支架、端头支护设备、顺槽转载机、破碎机、带式输送机、乳化液泵站、液压安全绞车及配电设备等组成。综采设备总体配套的目的，首先在于总体配套是单机设计的依据，要解决成套设备各单机间的能力相互匹配和空间几何关系的配套；其次在于使成套设备性能与采煤工艺间相互适应，因而总体配套又是采区设计和采煤工艺设计的依据。要实现综合机械化采煤，必须配备成套设备，特别是工作面“三机”——“采煤机、刮板输送机、液压支架”的配套，对综合机械化采煤的效果有着至关重要的影响。第一节机械化采煤工作面类型的确定与论证机械化采煤工艺包括落煤、装煤、运输、支护、处理采空区。机械化采煤工作面，根据支护设备形式的不同，分可为普通机械化采煤工作面和综合机械化采煤工作面，简称普采工作面（普采、高档普采）和综采工作面。综采工作面主要设备为大功率双滚筒采煤机、重型可弯曲刮板输送机、高性能液压支架等，综采工作面机械化程度高、安全、高效，国内已有年产量达1000万吨的综采工作面。但它的设备投资大，对煤层厚度、倾角、地质条件有一定要求。普采工作面主要设备为滚筒采煤机、刮板输送机、金属摩擦支柱或单体液压支柱及金属铰接顶梁。（采用单体液压支柱、金属铰接顶梁的工作面亦称高档普采工作面）。普采工作面设备投资小、在煤层厚度、倾角、地质条件变化较大时，适应性好，但它的机械化程度、安全程度、生产率比综采低。当工作面内煤层较厚，煤层倾角变化不大，地质条件比较稳定，没有大的断层，夹矸等，投资有保证时，应采用综采工作面，以提高生产能力，安全性和经济效益。否则，可考虑采用普采和高档普采工作面。第二节液压支架的选型支架的选型应使支护强度与采面矿压相适应，支架架型结构与煤层赋存条件相适应，支护断面与通风要求相适应，液压支架与采煤机、运输机等设备相匹配。根据液压支架根据对顶板的支护方式和结构特点的不同，支架架型可分为支撑式、掩护式、支撑掩护式三种基本形式。支撑式支架顶梁长、立柱多且垂直支撑、工作阻力大、切顶能力强、通风断面大、后部有简单的挡矸装置，架间不撑紧，对顶板不密封。它适用于稳定或坚硬以上直接顶和周期来压明显或强烈的老顶条件。掩护式支架有宽大的掩护梁可挡住采空区冒落的矸石，它的顶梁较短，支柱少且倾斜支撑。架间密封，支架工作阻力较小，切顶能力差，但由于顶梁较短控顶面积小，支护强度不一定小。它适用于不稳定和中等稳定直接顶条件。支撑掩护式支架兼有支撑式和掩护式支架结构特点，顶梁较长，立柱较多，呈垂直或倾角较小倾斜支撑，故工作阻力大，切顶能力强，具有掩护梁架间密封，挡矸掩护性能好。它适用于稳定以下各类顶板，有取代支撑式支架的趋势，但它的结构复杂，重量较大，价格高。一、影响液压支架选型的因素影响液压支架选型的因素，主要是矿山地质条件，如顶、底板稳定性、煤层厚度、煤层倾角、煤层赋存状况及瓦斯含量等。其中以煤层厚度及顶、底板稳定性影响最大。（一）顶板稳定性顶板稳定性直接影响支架的架型、支护强度。顶板岩性的不同，决定支架的架型的形式，岩层载荷和顶板的稳定性主要影响支架支护强度和顶梁的结构形式。一般讲：煤层顶板稳固平整，应选用支撑式支架；煤层松软、顶板破碎煤层，应选用掩护式支架；而煤层顶板坚硬，应选用支撑掩护式支架。（二）底板稳定性底板岩石的组成，结构及岩石力学性质是支架选型不可忽视的另一重要条件。底板的稳定性，对支架底座影响较大。支架架型选取不当，会使支架陷入底板，使移架困难。根据我国煤层底板岩石抗压强度，在选择支架类型时，可参考表1—1确定支架架型。表1—1不同底板条件下选用的架型岩石松软粘土岩，页岩（或松软煤）较软粘土岩，页岩（或煤）一般粘土岩、砂页岩，砂岩（或煤）抗压强度（Mpa）＜2.0＞2.0＞4.0应选架型掩护式支架两柱支撑掩护式支架掩护式支架支撑掩护式支架支撑式支架（三）煤层厚度煤层厚度主要影响支架支护强度，煤层厚度越大支护强度应越高，煤层厚度大小及变化情况，又决定着支架的结构高度和伸缩范围。厚度超过2.5m，顶板有水平推力时，应选用抗水平推力强的掩护式或支撑掩护式支架，一般不宜采用直撑式支架；厚度在2.5～2.8m（软煤取下限，硬煤取上限）以上时，支架应带护帮装置；当厚度变化较大时，支架应选用调高范围较大的双伸缩立柱或带机械加长杆的单伸缩立柱；若为假顶分层开采，应选用掩护式支架。（四）煤层倾角当倾角大于10°～15°（支撑式支架取下限，掩护式和支撑掩护式支架取上限）时，应选用有防滑装置的支架；当倾角大于18°时，应选用同时带有防滑、防倒和调架装置的支架。（五）煤层埋藏稳定性对于断层十分发育、断层落差大、煤层厚度变化过大、顶板的允许暴露面积小于5～8m2、允许暴露时间在20min以下的工作面，暂不宜使用液压支架。（六）煤层瓦斯含量对瓦斯涌出量大的工作面、若顶板条件容许，应优先选用通风断面大的支撑式或支撑掩护式支架。（七）设备成本在顶板条件容许时，应选用价格便宜的支架。一般支撑式支架最便宜，支撑掩护式支架最贵。但支撑式支架使用性能远不如掩护式和支撑掩护式支架优越。因此，如经济条件许可，应优先选用掩护式和支撑掩护式两种架型。除矿山地质条件外，采矿技术条件，如回采方式，采煤工作面长度，采煤机与刮板输送机的结构类型、生产环节等因素对液压支架的选型也有一定影响。二、煤层顶板及其分类覆盖在煤层上的岩石称为顶板，依次分为伪顶、直接顶和老顶。煤层下的岩层称为底板。顶板和底板统称为煤层围岩。伪顶是紧贴煤层的极易冒落的较薄岩层，暴露后随即跨落，一般不影响支护设备的使用。直接顶位于伪顶之上（无伪顶时紧贴煤层）的一层或几层岩层。具有一定的稳定性，常在回柱或移架时冒落。直接顶下部2.5～2m厚的岩层叫直接顶下位岩层，其稳定性对液压支架的选型有决定性的影响。老顶在直接顶上面，一般是厚而坚硬的岩层，常以很大面积悬露在采空区而不跨落。它的来压强度影响直接顶的稳定性，对支架的载荷和可缩量都有直接的影响。（一）直接顶的分类我国将缓倾斜煤层回采工作面直接顶，根据其稳定程度分为四类：1.不稳定顶板：也称破碎顶板，这类顶板很易冒落。冒落后岩石能基本充满采空区。2.中等稳定顶板：强度较高，但有大量节理裂隙，局部较完整，冒落后不能充满采空区，一般在支护设备前移后随即冒落。3.稳定顶板：难于冒落，需支架帮助切顶。4.坚硬顶板：极难于冒落，采后需强制放顶。直接顶分类见表1—2。表1—2直接顶分类类别指标1234不稳定顶板中等稳定顶板稳定顶板坚硬顶板主要指标强度指数D≤3031～7071～120＞120无直接顶。厚度在2～5m以上；岩石单项抗压强度σD＞60～80Mpa；节理裂隙间距和分层厚度大于1m的整体岩层参考指标直接顶初次跨落步距L1/m≤88～1819～25＞25直接顶分类的主要指标是强度指数D，并参考直接顶初次跨落步距L1来决定。（二）老顶分级老顶位于直接顶之上，顶板分级主要由直接顶厚度∑h与采高H之比值N来决定，再参考老顶初次来压步距L2，N的意义是指冒落带充满采空区的程度，L2是指工作面初次切顶线到开切眼煤壁之间老顶悬露的长度。根据N、L2，我国将老顶分为四级（见表1—3）。表1—3老顶分级分级指标ⅠⅡⅢⅣ周期来压显现不明显明显强烈极强烈冒落带充满采空区的程度N和初次来压步距L2/mN＞3～50.3＜N≤3～50.3＜N≤3～5L2＞50N≤0.3L2=25～50N≤0.3L2＞50三、液压支架的选型液压支架的选型，包括选择支架的架型，支架的结构参数和支架强度的确定。（一）架型的选择液压支架架型的选择就是要使液压支架的结构和性能与工作面的顶、底板条件和地质条件相适应，具体选择时可按表1—4进行。表1—4适应不同类级顶扳的架型和支护强度老顶级别ⅠⅡⅢⅣ直接顶类别12312312344架型掩护式掩护式支撑式掩护式支掩撑掩护护式式支撑式支撑掩护式支撑掩护式支掩撑掩护护式式支掩撑掩护护式式采高＜2.5m时用支撑式采高＞2.5m时用支撑掩护式支护强度/Mpa采高/m10.31.3×0.31.6×0.3＞2×0.3应结合深孔爆破、软化顶板等措施处理采空区20.35（0.25）1.3×0.35（0.25）1.6×0.35＞2×0.3530.45（0.35）1.3×0.45（0.35）1.6×0.45＞2×0.4540.55（0.45）1.3×0.55（0.45）1.6×0.55＞2×0.55单体支柱支护强度/Mpa采高/m10.151.3×0.151.6×0.15按采空区处理方法确定20.251.3×0.251.6×0.2530.351.3×0.351.6×0.35注：（1）括号内的数字是掩护式支架的支护强度。设计或选用支架，允许有±5%的波动；（2）1.3、1.6和2分别为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级老顶比Ⅰ级老顶的增压倍数，Ⅳ级老顶由于地质条件变化大，只给出了最小值2，具体数值应根据实际顶板情况确定；（3）表中的采高是指最大采高，具体采高下的支护强度可用插值法计算；（4）单体液压支柱的支护密度，可用表中的支护强度除以工作阻力计算。（二）液压支架结构参数的确定液压支架的结构参数，主要指液压支架的结构高度和伸缩比。在选择液压支架时要求其结构高度应能适应采高的要求，可根据煤层厚度（或采高）和采区范围内地质条件的变化等因素来确定。其选择的原则是：在最大采高时，液压支架应能“顶得住”，在最小采高时，支架能“过得去”。支架的最大结构高度Hmax和最小结构高度Hmin可由下面经验公式计算：Hmax=hmax+am（1—1）Hmin=hmin-s2-b-cm（1—2）式中hmax—煤层最大采高，m；Hmin—煤层最小采高，m；a—伪顶的厚度，考虑伪顶冒落后支架仍能支撑顶板，一般取a=0.2～0.3m；中厚煤层取小值，厚煤层取大值，薄煤层适当减小；s2—顶板最大下沉量（一般取支架后排立柱处顶板的下沉量。可借鉴邻近工作面的观测资料选取），一般取s2=0.1～0.2m，Ⅰ级老顶取大值，Ⅳ级老顶取小值；b—移架时支架的最小可缩量，一般取b=0.05m；c—支架顶梁上存留的浮煤和碎矸石厚度，一般取c=0.05支架的最大、最小高度系列如表1—5所示。表1—5液压支架的最大、最小高度系列Hmax/m1.21.31.51.72.02.22.52.8Hmin/m0.50.60.70.81.01.21.31.4Hmax/m3.23.53.84.24.54.75.05.3Hmin/m1.61.71.82.02.22.52.83.2液压支架的伸缩比KＳ定义为支架最大支撑高度和支架最小支撑高度的比值，KＳ值的大小反映支架对采高变化的适应能力。KＳ＝Hmax/Hmin采用单伸缩立柱的支架，KＳ一般为1.6左右，最大可达1.8；带机械加长杆的单伸缩立柱，一般为2.2左右，最大可达2.5；对于使用双伸缩立柱的支架，ＫＳ一般为2.5左右，薄煤层支架可达3。（三）支架支护强度的确定支架支护强度是液压支架的一个重要参数，它是支架工作时单位支护面积上的支撑力。可由下列方法确定。1.按经验公式估算：q=KHR×10-2Mpa（1—3）式中K—顶板的岩石厚度系数，一般取4～8；顶板条件较好、周期来压不明显时，取低值，否则取高值；日本取5，英国取5～7，前苏联取6～9，我国中厚煤层取6～8；H—最大采高，m；R—顶板岩石的密度，一般取为2.5t/m3。2.直接查表选取根据顶板条件和煤层厚度，直接由表1—4中选取。对上述两种方法得出的结果，选取大值。（四）选择液压支架型号由上面确定的支架架型和计算出的支架最大、最小结构高度以及支护强度等参数，可从液压支架产品目录中选择合适液压支架的型号，列出支架规格和主要技术参数表。也可通过表1－12确定支架型号。第三节高档普采工作面单体液压支柱工作高度、支护强度及形式的选择高档普采工作面采用单体液压支柱作为工作面支护设备，单体液压支柱需选择