液压支架参数及选型计算

工作面液压支架选型及参数选择研究主讲：孟宪锐教授中国矿业大学（北京）&cumtb2004.9.151.液压支架选型的特点及适用条件1.1液压支架架型的分类按照其结构形式和用途，一般可分为:按放顶煤液压支架的结构形式可分为四种类型：1.2各类液压支架的特点及适用条件图1－1节式支架1铰接顶梁；2支柱；3底座；4移架缸；5阀座；6弹簧钢带；7主架；8副架1.2各类液压支架的特点及适用条件图1－2四柱垛式支架结构图1前梁；2前梁液压缸；3立柱；4操作阀；5座箱；6推移液压缸；7顶梁；8挡矸帘；9复位油缸1.2各类液压支架的特点及适用条件1.2.1支撑式液压支架支撑式液压支架的顶梁载荷在刚性整体顶梁时大致呈前小后大的梯形分布，在铰接顶梁时前梁的载荷决定前梁液压缸的工作阻力。支撑式支架不论是节式还是垛式，其梁端支撑力较小而切顶力较大。因此支架对稳定顶板适应性强。支架经常发生前后柱受力不均，尤其当顶板切顶线前移时，前柱受力大于后柱，甚至后柱受拉，当悬顶过大及老顶来压时则后柱受力大。支撑式支架虽结构简单，支撑效率高，但由于梁端支撑能力弱，对顶板的覆盖率低，承受顶板及采空区矸石水平推力的能力差，因此适用于直接顶稳定的薄煤层。支撑式液压支架的结构特点在结构上没有掩护梁，支柱直接通过顶梁起支撑作用的支架称为支撑式支架。它又有节式及垛式两种。一、节式支架节式支架是立柱位于条状顶梁下（可分前、后梁）呈框式布置的支撑式支架。图1－1为主、副两个框架组成的节式支架，每个框架有两根立柱。顶梁一般为铰接式或刚性铰接式。底座为刚性底靴，前后用弹簧板连接。两个框架之间用公用的移架缸连接，主架与缸体相连，副架与活塞杆相连，使主、副架交替前移，不需与输送机相连。同时为保证支架稳定性，两节之间也可用弹簧板连接，也可在两节间安装调架缸。二、垛式支架垛式支架是支架中4根以上立柱位于同一矩形顶梁下呈垛状布置的支撑式支架。垛式支架的顶梁由整体刚性式及前、后梁铰接式，底座也有整体刚性式或分底座，中间用过桥连接，支架后面用挡矸帘式挡矸板与采空区隔离，液压立柱一般有复位装置。支架一般通过移架缸与输送机相连。为适应顶板起伏及增强对断面顶板的支撑，垛式支架的顶梁一般分前、后梁，四柱垛式支架的前梁下一般无立柱，由前梁液压缸支撑前梁，且能在一定范围内上下摆动，以适应顶板的变化。六柱或五柱垛式支架的前梁有立柱支撑，支架顶梁的受力较均匀，但由于控顶距大，设备成本高，故只有极少数薄煤层为满足通风和行人要求时才使用。总结：支撑式支架由于自身的缺点，造成对顶板的遮盖率低，抗侧向推力性能差，故不宜用于中等稳定以下的顶板支撑式液压支架的矿压特点1）节式支架支撑式液压支架的矿压特点2)垛式支架支撑式液压支架的优点是：支撑效率高，立柱阻力完全用于支撑控顶区的顶板；每米工作面长的支撑力高，放顶线的支撑能力大，结构简单，价格便宜。但支架端部支撑能力弱；对顶板的覆盖率及对架间和采空区的挡矸能力低；对顶板水平力的承受能力差是其重要缺点。因此，支撑式支架对下位岩层为中等稳定以下的煤层难于适应，在破碎顶板下工作十分困难，较适用于直接顶稳定和老顶来压较强烈的煤层，尤其是薄煤层。支撑式液压支架的矿压特点2)垛式支架图1-4BZZ型支架受力图ａ-12#层;ｂ-3#层()-平时[]-周期压时1.2.2掩护式液压支架掩护式液压支架分为托梁式和托顶式的两种类型，在结构上有掩护梁，单排立柱连接掩护梁或直接支撑顶梁对顶板起支撑作用的称为掩护式支架。图1－5两柱掩护式支架工作状态a支撑式前冒空；b支撑式后冒空；c支顶式前空；d支顶式后空支顶式掩护支架的特点是：1）当顶梁后端冒空，切顶线前移时（图1－5d），支架顶梁后端由于掩护梁载荷的平衡作用，前端可有效地支护顶板，使支柱阻力仍能正常发挥作用；2）梁端承载能力高（可达700kN/m2），能有效防止机道顶板过早离层破碎，减少顶板破碎度；3）当顶梁的柱前区冒空时，顶梁在柱后区载荷和掩护梁载荷作用下，将以柱顶端为轴心，使梁端上撬（图1－5c），则平衡千斤顶活塞杆被拉出，直至断裂或连接件被破坏，支架成为不稳定结构，失去工作能力。4）支顶式支架顶梁在整个长度上可设置侧护板，尤其是整体顶梁，故能可靠地防止梁间顶板漏矸。掩护支架的适用条件及选型1）当顶板无大于0.3m的伪顶，直接顶在采煤机割煤后不会立即离层破碎，但经移架反复支撑后易在顶梁后部破碎冒落时，宜选用支顶式掩护支架；2）当顶板有大于0.3m的伪顶，或直接顶在采煤机过后即易破碎冒落时，应选用带伸缩梁的两柱掩护支架，限位千斤顶的阻力足以提高顶梁端部承载能力；3）当直接顶端面顶板完整不破碎时，两种两柱掩护支架均能充分发挥支柱阻力，有效控制顶板，但支掩式的支撑效率、初撑力及支护强度不如支顶式高，支顶式支架的效果通常优于支掩式支架；4）如两柱掩护支架的掩护梁不加机械限位装置，在顶板破碎冒落时，平衡千斤顶常难以保证顶梁与掩护梁夹角稳定，支架有失去支护能力的危险；5）对老顶来压强烈的煤层（动压系数1.5），因两柱掩护支架的承载能力曲线中支柱工作区宽度较窄，以及顶梁较短，支架工作阻力较低，故其适应性不如支撑掩护式支架好；6）如欲扩大掩护支架的使用范围，则应提高支架初撑力和切顶能力，并改善梁端支护和防片帮装置，以此提高其对老顶来压的适应能力；总之，掩护支架适用于一般不稳定和中等稳定，老顶来压不十分强烈的条件；7）底板松软或极松软时，应使支架底座前端不陷入底板而妨碍移架。1.2.3支撑掩护式液压支架支撑掩护式支架有四柱支顶式、三柱及四柱支顶支掩式两类。支顶式支架在高度变化时除X型外对支撑力影响不大，而支掩式支架阻力要变化。支撑掩护式支架的支撑能力较强，顶板的合力作用点工作范围宽，对顶板的适应性较强，切顶能力强。支撑掩护式支架的掩护梁，因水平投影面积小故受载也小的多，支架底座对底板压力的分布也较掩护支架更均匀，对松软底板有较好的适应性。支架断面大，行人方便。但由于支架顶梁较长，结构较复杂，故支架价格较高，重量较大，支撑掩护式支架较适用于老顶来压强度大的煤层，对底板强度不限，适用范围较宽。1.2.3.1支撑掩护式液压支架的结构特点具有双排或多排立柱及掩护梁结构的支架称为支撑掩护式支架，如我国的ZY－28，ZY-35,BC－480型等。支撑掩护式支架的立柱可以是三柱、四柱。后排支柱可支撑在顶梁或掩护梁上。立柱的布置一般呈倒八字形布置。图1-6二柱掩护式支架和三四柱支撑掩护式支架1.2.3.2支撑掩护式液压支架的适用条件支撑掩护式支架一般适用于老顶Ⅲ级，动压系数约为1.5以上，直接顶为中等稳定以上的工作面。对底板的强度不限。总之，支撑掩护式支架适用范围较宽，可适用于I～IV级老顶，2－4类直接顶板。1.2.4放顶煤液压支架1）.标准支架放顶煤液压支架是在普通长壁工作面液压支架基础上发展起来的，在控制基本项、维护直接顶、自移和推移输送机的功能是相同的，但放顶煤机构、支架受力、排头支架、降尘及其他方面的功能则是不同的。高位放顶煤液压支架的特点及适用条件中位放顶煤液压支架的特点及适用条件低位放顶煤液压支架的特点及适用条件轻型放顶煤液压支架的特点及适用条件高位放顶煤液压支架的特点(1)支架结构简单，采煤机割的煤和放落的顶煤由一部输送机运出，端头维护空间小，整个工作面设备布置与普通长壁工作面相同，便于维护管理，减少事故发生点。(2)支架的长度较短，结构紧凑，稳定性和封闭性都较好。(3)掩护梁放煤口尺寸较大，有利于顶煤的放出，但是放煤口位置高，丢煤多，采出率较低，煤尘大，支架通风断面较小，使得防灭尘的工作量大。(4)由于顶梁短(约1.2m)，放煤口位置距煤壁较近，因此对煤层冒放性的要求较高。一方面要求梁端顶煤完整，不冒顶，不片帮；另一方面要求在顶梁后顶煤破碎，即放煤口能顺利放出。(5)放煤槽在放煤状态时与底座呈350夹角，难以达到400。如果当仰采角度为100时，就开始出现放煤流动不畅，向左右溢出，大部分落在输送机上采空侧，严重影响放煤工序的进行和顶煤的放出。(6)支架在放煤时正常人行通道基本上被切断，减少了工作面安全出口。(7)采放同用一部输送机，不能前、后平行作业，影响产量的提高。高位放顶煤液压支架的适用条件高位放顶煤液压支架顶梁短，在软煤层中使用有可能因顶煤冒空而使顶梁失去有效的支撑；在硬煤中使用有可能造成顶煤放不下来，使掩护式支架前端对底板比压大，尤其是不插底式放顶煤液压支架易发生扎底。同时，放煤口至输送机高度大，造成放煤时煤尘极大。因此高位放顶煤支架只用于煤质中硬，节理裂隙比较发育、煤层厚度7m左右、煤层底板较硬及煤层含水率较高的条件。由于高位放顶煤支架对复杂煤层条件的适应性差，以及结构上不可克服的缺陷，该种支架目前已很少使用，属于已被淘汰的架型。中位放顶煤液压支架的特点(1)支架稳定性和密封性好，抗偏载和抗扭能力大，不易损坏。(2)放煤口距煤壁远，有助于工作面前方顶煤的维护。支架顶梁长，有利于反复支撑顶板，增加顶煤的破坏程度。支架底座长，可减少支架对底板比压，而且分布较为均匀。(3)由于采放分别使用两部输送机，可以实现平行作业，实现高产高效。(4)后输送机放在支架底座上，后部空间有限，造成大块煤通过困难，并且移架阻力较大。(5)受放煤口尺寸的限制，架与架之间有脊背三角煤放不下来，同时放煤口易发生大块煤堵塞现象。(6)放煤口位置较高，丢煤多，采出率较低，煤尘较大。(7)掩护梁不能摆动。二次破煤的能力差。中位放顶煤液压支架的适用条件在我国放顶煤开采初期，使用中位放顶煤支架较为普遍，在各种煤层条件下均有成功的实例。在矿压显现剧烈、有悬顶危险的条件下，中位放顶煤支架的特点是具有较好的适应性。但是，由于放煤时煤尘较大，尾梁不能摆动，放煤口尺寸又受结构限制，因此放煤效果不好。所以，中位放顶煤支架目前已逐步被低位放顶煤支架所取代。低位放顶煤液压支架的特点(1)由于具有连续的放煤口，放煤效果好，没有脊背损失，采出率高。(2)和其他支架相比，从煤壁到放煤口的距离最长，经过顶梁的反复支撑和在掩护梁上方的垮落，使顶煤破碎充分，对放煤极为有利。(3)后输送机沿底板布置，浮煤容易运出，移架轻快，同时尾梁插板可以破碎大块煤，使放煤口不易堵塞。(4)低位放煤使煤尘减少，有利于降尘。(5)后部放煤空间大，有利于顶煤冒落，放煤效率高。低位放顶煤液压支架的适用条件低位放顶煤液压支架适应性强，在急倾斜特厚煤层、缓倾斜中硬煤层和三软煤层放顶煤综采中取得成功，是目前我国广泛使用的放顶煤液压支架架型。轻型放顶煤液压支架的特点及适用条件单摆杆轻型放顶煤液压支架的中心距为1.5m和1.25m两种，高度变化为1.6m～2.4m，支架重量为6t/架～8t/架。该系列支架的主要特点：(1)采用单摆杆机构使支架相关部件容易紧凑布置，将摆杆布置在两后柱之间，充分利用空间。支架结构简单、紧凑、外型小、操作简单，安装运输方便。(2)支架稳定性好。放顶煤支架采用四连杆机构时，顶梁与底座之间通常由8～10根销轴相连，装配间隙大，而单摆杆轻型放顶煤支架顶梁与底座之间只有两根销轴相连，装配间隙小，支架具有较好的刚性和稳定性。(3)支架造价低。由于采用单摆杆紧凑型布置，取消了普通放顶煤支架的掩护梁、部分连杆及销轴，因此结构简单、重量轻、体积小、价格便宜。(4)支架有效空间大，有双人行道。由于摆杆放在两后柱之间，所以前、后柱之间具有较大的人行空间。另外，摆杆在底座上的铰点高，支架后部也有较大的空间，便于清理浮煤和拆装检修输送机。轻型放顶煤液压支架的特点及适用条件单铰接轻型放顶煤液压支架是近年来研制的新产品，支架中心距为1.5m和1.25m两种，高度变化1.6m～2.4m，支架重量6.5t/架～8.5t/架。该放顶煤支架的主要特点如下：（1）支架具有高度的全封闭能力，对无立柱空间顶板的全封闭比率高达96%，十分适合解决“三软”煤层和较薄厚煤层综放开采端面顶板易冒落的要求。（2）由于这种液压支架掩护梁的上表面为两个以上不同