放顶煤液压支架选型及参数选择研究

放顶煤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）&cumtb1.放顶煤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副架滑移支架1）滑移支架放顶煤滑移支架是1982年研制，当时作为介于单体支柱和综采支架之间的过渡架型，克服了这两种支护设备的不足之处，国内外比较先进的滑移支架，如图20所示。这种支架虽然曾获得了较好的社会和经济效益，但仍存在以下问题：①由于两顶梁为前、后排列，所以稳定性较差，而且由于支架长度较长，易出现超载现象。②作为两梁联接件的弹簧钢板，由于其受力较大，所以在工作中易出现断裂现象。尤其在倾角超过20º时，滑移支架稳定性差和移架方向向下山偏移的问题突出，一般在过大的角度不宜使用。悬移支架悬移支架的特点：①与单体液压支架和滑移支架相比，悬移支架稳定性好；②与目前大量使用的单体液压支柱相比，它可以实现移架机械化，从而大大减轻了工人的繁重体力劳动；③它适用于在厚度变化大、埋藏不稳定的煤层中一次采全高；④与自移式液压支架相比，装备一个工作面的投资大约只有综采工作面的1/20；⑤改滑移支架两个顶梁前后纵向排列为横向排列，支架长度减少近一倍；⑥该支架控顶距较短，最小控顶距可缩短至2m，承载能力较滑移支架提高了1倍；⑦移支架的阻力小，通过挠性四连杆滑块机构增强了支架在纵横两个方向上对顶板不平度的适应能力；⑧适应性强，允许工作面倾角在0~45°之间，在采取换柱和放顶煤措施后，允许煤层厚度在1~10m范围内变化；⑨用前探梁超前护顶和护帮，及时支护新悬露的顶板，能装挡矸装置，联网装置和防下陷底盘，能在使用中更换支柱，在大倾角和煤厚变化大的工作面得到广泛应用；⑩支架的工作阻力高，及时控制顶板下沉，防止顶煤与直接顶的离层。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2）对放顶煤工作面支架选型的基本要求(1)放顶煤支架有液压控制的放煤机构。放顶煤工作面生产的煤炭大多数由放煤口放出，为提高效益，要求放煤机构的液压控制性能好，开闭迅速、可靠、放煤口大、不易堵塞，并具有良好的喷雾降尘装置。(2)工作面放煤时，不可避免地会有大块煤冒落，放煤机构必须有强力的、可靠的二次破煤性能。一般都采用在支架上爆破落煤和爆破大块煤的方法。(3)多数放煤支架采用两部输送机，后部输送机专门运送放出的顶煤，因而支架应有推移后部输送机和清理后部浮煤的性能和机械。并应考虑支架后部留有通道，作为维修输送机和排矸使用。(4）由于邻近支架放煤时顶煤的运动，不可避免地会使未放煤的支架受到侧向力，因此，支架结构必须有较强的抗扭和抗侧向力的能力。(5)由于放顶煤工作面多数有两部输送机，并希望后部输送机位置有足够大的工作空间，因此支架的控顶距较大，顶梁也较长。(6)放顶煤工作面工作空间的顶板为煤，一般情况下煤的稳定性比岩层差，在多次反复支撑作用下，下部煤易破碎，因此支架必须全封闭顶板，有更好的控制端面冒顶和防止架间漏矸的性能。为减少架间漏出的煤尘随风流扩散，支架应具备专用的架间喷雾降尘装置。(7)放顶煤工作面采煤机的采高是根据最佳工作条件人为确定的，采高大体在2．5m～3．2m之间。不需要使用双伸缩立柱或带加长段的立柱。(8)由于放顶煤支架重量较大，工作面浮煤较多，支架必须有较大的拉架力，拉架速度要快，能够带压擦顶移架。因此，设计支架时应力求结构简单、可靠、重量轻，近年已设计出了几种轻型支架。当然，为了适应浅埋深的地质条件，对支架往往有一些特殊的要求。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倾角的平面组合而成，可以使顶煤缓慢下沉，减少混矸，支架后部放煤机构可以大大减少较薄厚煤层放煤时的混矸。（3）后立柱为双作用油缸，既能承受压力，又能承受拉力。当顶梁受载前移时，仍保持顶梁处于较好的工作位态。可有效防止架间漏矸和控制破碎顶板。（4）这种支架结构有别于采用四连杆机构或单摆杆机构、摆动长尾梁机构的支架，因而不仅结构简单、重量轻、支架稳定性好，还改善了掩护梁的受力状况。（5）支架设计有防倒滑机构，可用于倾角较大的厚煤层，有效防止工作面综采设备的下滑。支架拉架力大。支架结构简单，工作可靠。（6）支架后部的放煤空间较大，并能保持在支架工作时，放煤空间不因支架支撑状况变化而改变。（7）支架在工作时，随着顶板下沉，支架有指向煤壁的水平支撑力产生，对维护软顶煤有很大的好处。轻型放顶煤液压支架的特点及适用条件目前主要有单摆杆和单铰接两大类型，均为低位放煤支架。轻型放顶煤液压支架的适用条件（1）煤质强度f2.5，来压强度不大，煤层厚度3~8m，煤层倾角25°。（2）工作面尺寸较小，断层较多，地质条件较为复杂的工作面。（3）边角煤或煤柱的开采，厚度不稳定的煤层，较薄厚煤层。（4）年产100万t左右的大中型矿井，提升运输及巷道条件较差。除上述适用条件外，对于那些生产资金较为紧张的矿井，使用轻型支架还可以减少初期投资。目前轻型支架已在开滦和鹤壁成功的使用于35°左右倾角的厚煤层中。总之，轻型放顶煤支架与其它放顶煤液压支架相比具有重量轻，使用方便，稳定性好，对不同条件适用性强，特别适用于中小矿井较薄厚煤层、三软煤层、煤厚变化大煤层，边角煤、残煤的放顶煤开采，是一类很有发展前途的架型。图1－7对顶、底板的比压支撑掩护式支架：a－支顶式；b－支顶支掩式；掩护支架：c－支顶式2）.过渡支架过渡支架用于综放工作面机头和机尾部，是过渡于工作面端头支架（支护或巷道支架）与工作面基本支架之间的支架。放顶煤过渡支架的设计与主要技术参数的要求放顶煤过渡支架的架型分析1.四柱反四连杆中位放顶煤过渡支架2.四柱式反四连杆低位放顶煤过渡支架3.四柱式单摆杆放顶煤过渡支架放顶煤过渡支架主要技术参数的要求过渡支架支护的范围是工作面两端进出工作面的必经出入口，同时，两端部设备多，体积大，因此要求过渡支架应具有较强的支护能力和较高的可靠性，压缩立柱和稳定机构占用的空间，用以加大设备安装和工作空间。具体要求如下：1）支架应具有较强的全封闭能力和较高的工作阻力和工作可靠性。在不配用端头支架的放顶煤工作面，过渡支架作为整个工作面的排头支架，对整个工作面起锚固作用，支架工作状况恶劣，受力复杂，此时放顶煤过渡支架工作阻力应高于工作面支架工作阻力。在配用端头支架的放顶煤工作面，一般放顶煤过渡支架均可放煤，放煤后支架受力状况与工作面支架基本相同，此时，可与工作面支架工作阻力相同。在放顶煤过渡支架工作时，一般尾梁处在较高位置，垮落的顶煤作用在尾梁上，对支架形成了较大的附加外载，并增大了移架阻力，因此在确定支架工作