支护设备与采煤机选型设计

支护设备与采煤机选型设计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作面，根据支护设备型式不同。可分为普通机械化采煤工作面(简称普采)及综合机械化采煤工作面(简称综采)。综采工作面主要设备为双滚筒采煤机、刮板输送机、液压支架，综采工作面机械化程度高、安全、生产率高，国内不少综采工诈面年产量超过100万吨．但它的设备投资大，对煤层厚度、倾角、地质条件变化要求严格．普采工作面主要设备为滚筒采煤机、刮板机输送机、金属摩擦支柱或单体液压支住及金属铰接顶梁。(采用单体液压支往、金属铰接顶粱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、生产率比综采低。当工作面的煤层厚度、倾角、地质条件，设计生产能力等已知时，究竟采用那种类型的机械化采煤工作面，应经过经济技术方面认真分析，论证后再去确定，一般讲当工作面内煤层厚度较厚，煤层倾角及煤层厚度变化不大，地质条件比较稳定，没有大的断层，夹矸等，工作面没计生产能力又比较高．采用综采比较好，相反，当煤层厚度不大．但厚度、倾角变化较大，工作面设计生产能力不很高时，采用高档普采能更好的适应煤层地质条件的变化，并能取得较好的经济效益．我国目前规定普采年生产量为20～30万吨。综采；当采高大于2米，年产量为50～80万吨，采高1．1米时年产量为30～50万吨。第二节液压支架的选型一、影响液压支架选型的因素影响液压支架选型的因滚．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，其中以煤层及顶，底扳稳定性影响最大。1．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．决定支架的架型的型式，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型式。一般讲：煤层顶板稳固平整，应选用支撑式支架；煤质松软、顶板破碎煤层，应选用掩护式支架；而煤层顶板坚硬。则应选用支撑掩护式支架。2．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．对支架底座影响颇大．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。建议：按表2-1选型。表2-1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（或松软煤）一般粘土岩砂页岩、砂岩（或煤）抗压强度MPa＜2.0＞2.0＞4.0应选架型掩护式液压支架式两柱支掩式掩护式支架支掩式支架支掩式及强力支撑四柱及强力支撑3．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。4．煤层倾角：煤层倾角主要影响支架稳定性，煤层倾角大则易使支架发生倾倒、下滑等现象。必须采取防倒防滑措施。5．煤层埋藏稳定性：实践证明：煤层埋藏越平稳，综采的效果越好。断层及其性质对支架的使用好坏起决定性的影响。若断层落差大，综采设备通不过，断层条数多，综采面搬家次数多。6．煤层瓦斯含量：瓦斯含量大的煤层应采用通风断面大的支架。液压支架架型选择是否合适，最终必然反映到经济效果上。应尽量做到安全、高效，而又能降低吨煤成本。支撑式液压支架虽然价格便宜，但使用性能远不如掩护式和支撑掩护式液压支架优越。因此：在可能情况下，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，采面长度，采煤机械类型、生产环节等因素对液压支架的造型也有一定的影响。二、煤层顶板及顶板分类覆盖在煤层上的岩石，依次分为伪顶、直接顶、老顶，它们统称为煤层的顶板。伪顶是紧贴在煤上极易冒落的较薄岩层，通常在煤层被采下后随即冒落，对液压支架的选型一般没有影响。直接顶位于伪顶之上，无伪顶时直接位于煤层之上，通常是在移架或回柱后随即冒落，直接顶下部1.5～2米厚的岩石叫直接顶下位岩石，它对架型的选择有决定性的影响。1．直接顶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。泥质页岩，再生顶板等属于这类顶板。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。砂质页岩，粉砂岩属予这类顶板。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，砂岩，坚硬砂质页岩等属于这后两类。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(米)来决定。直接顶初次跨落步距Ll是指工作面推进一定距离后，直接顶冒落高度在1～1.5米以上，范围占全工作面长度1／2以上时，初次切顶线距开切眼煤壁之间距离。强度指数D可由下式求出．D=6D·Cl·Cz式中：6D—岩石的单向抗压强度，公斤／厘米2：C1—节理裂隙影响系数Cz一分层厚度影响系数6D、C1、Cz值可查阅陶驰东主编“采掘机械书及有关资料得到。根据D并参考Ll直接顶类别的确定见表2—2。表2—2直接顶类别类别指标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≤3031～707l～l20120无直接顶层厚在2~5米以上，6D560800Kgf/cm2，节理裂隙间距和分层度大于1米的整体岩层。参考指标直接顶初次跨落步距L：（M）≤S9～18l9～2S252．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。老顶周期来压的强弱，对确定支架的吨位即支护强度有决定性影响，N越大L2越小，说明老顶周期来压不明显，作用在支架上的载荷小而稳定，支架的支护强度不需要很大，相反，N越小，L2越大，老顶周期来压就越强烈，作用在支架上的载荷就越大且有冲击，支架的支护强度就要求比较高。根据N和L2值老顶被分为四级。见表2—3表2-3老顶分级级别ⅠⅡⅢⅣ周期来压不明显明显强烈极强烈指标N3～50.3N≤3～5Ll=25～50(M)0.3N≤3～5Ll50(M)N≤0.3Ll=25～50(M)N0.3Ll50(M)三、液压支架的选型液压支的选型，包括选择支架的架型，支架的结构参数和支架强度的确定。1．架型的选择：液压支架根据对顶板的支护方式和结构特点不同，可分为支撑式、掩护式、支撑掩护式三种基本型式。支撑式支架顶粱长，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，但由于顶粱较短控顶面积小，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，价钱较高。当工作面直接顶类别，老顶级别已确定经过分析论证后，可按表2-4选择支架型式。表2-4适应不同类级顶板的架型及支护强度老顶级别ⅠⅡⅢⅣ直接顶类别12312312344架型掩护式掩护式支撑式掩护式掩护式支撑掩护式支撑式支撑掩护式支撑掩护式掩护式支撑掩护式掩护式支撑掩护式采高＜2.5m时支撑式采高＞2.5m时支撑掩护式支架支护强度（吨/米2）采高（米）112343035(25)45(35)55(45)1.3×301.3×35(25)1.3×45(35)1.3×55(45)1.6×301.6×351.6×451.6×55＞2×30＞2×35＞2×45＞2×55结合深孔爆破，软化顶板等措施处理采空区单体支柱支护强度（吨/米2）采高（米）11231525351.3×151.3×251.3×351.6×151.6×251.6×35按采空取处理方法确定使用表2—4时，还应注意下列因素：1）、煤层厚度大于2.5米，顶板有侧向推力时，一般不宜采用支撑式支架，煤层厚度在2．5～2．8米以上时，应选用带护帮装置的掩护式或支撑掩护式支架，煤层厚度变化大时应采用调高范围大的双伸缩支柱。2）、煤层烦角在10～15o(支撑式支架取下限，掩护式取上限)以上时，支架应有可靠的防滑防倒装置。3）、底板强度、支架对底板比压应小于底板岩石允许抗压强度。4）、瓦斯含量，瓦斯涌出量大的工作面，应优先选用通风断面大的支撑式或支撑掩护式支架。5)、地质构造、断层发育、煤层厚度变化大，顶板允许暴露时间和面积分别为20分钟以下和5~8m2时，暂不宜采用综采设备6)、设备成本，能同时允许选用不同架型时，应优先选用价格便宜的支架。另外，表2-4中的支护强度是指单位面积上的支撑力大小，括号内数字是掩护式支护强度；但允许有5％的波动范：1.3，1.6，2分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ级老顶比l级老顶的增压倍数，Ⅳ级老顶由于地质条件变化较大，只给出最低限2，具体数字应根据实际情况确定，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。表中采高系最大采高，具体采高下的支护强度可用插值法计算。2．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，液压支架的结构高度，应能适应采高的要求。它根据煤层厚度(或采高)和采区范国内地质条的变化等因素来确定。其选择的原则时：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”。支架最大结构高度Hmax和最小结构高度Hmin，具体由下面经验公式计算：Hmax=hmax+a米=2.5+0.2=2.7（米）Hmin=hmin―SZ―b―C米=1.8-0.2-0.1-0.1=1.4米式中：Hmax，hmin——煤层最大厚度和最小厚度；米a——考虑伪顶，煤皮冒落后，支架仍有可靠初撑力所需要的支撑高度的补偿量；中厚煤层可取200毫米，厚煤层可取300毫米；薄煤层适当减小；S——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，若无这方面资辩，可按100~200毫米选取，I级老顶取大值，Ⅳ级老顶取小值；b——支架卸载前移时，立柱伸缩余量，煤层厚度大于1.2米时，取80~100毫米；c——支架顶粱上存留的浮煤和碎矸石厚度，一般取50~100毫米。3．支架支护强度的确定．支架支护强度q：支架单位支护面积上的支撑力。它是衡量液压支架性能的一个重要参数，可由下列方法确定；1)按经验公式估算Q=K·H·R吨／米2=8*2.5*2.3=46吨／米2式中：K—作用于支架上的顶板岩石厚度系数，日本取5，苏联取6—9；英国取5—7；我国中厚煤层取6—8；H—最大采高米；R—岩石容重，-般取2.3吨／米3。2)直接查表选取根据顶板条件和煤层厚度，直接由表2—4中查取。根据顶板条件和煤层厚度选取支架支撑掩护式满足工作面支护强度。4．选择液压支架型号由上面计算出的支架最大和最小结构高度和支护强度的数值，从液压支架产品目录中选择合适液压支架的型号，并列出支架规格和主要技术参数表。支撑掩护式支架该机具有支撑效率高，切顶换能力强，支架稳定性好的特点。采用分体顶梁铰接前梁形式，切顶效果好，便于运输。采用前后双连杆形式，可减少支架重量改善底板比压的平均分布和前端比压型号名称主要技术参数ZZ4000/18/39型支撑掩护式液压支架高度1.8～3.9m中心距1.5m宽度1.41～1.58m初撑力3136～3236kN工作阻力3990～4118kN支护强度0.70～0.72Mpa底板比压（前端）0.45～1.96Mpa泵站压力25Mpa整体运输尺寸4250×1410×1800mm适应倾角≤20°操纵方式本架控制重量13.55t第三节．单体液压支柱工作高度，支护强度及型式的选择1.支柱最大工作高度Hmin及最小工作高度Hmin的计算Hmax=hmax-c(米)=2.5-0.096=2.404