放頂煤液壓支架和頂梁設(shè)計方案

1、放頂煤液壓支架和頂梁的設(shè)計 楊軍偉 （蒲縣宏源煤業(yè)集團有限公司，臨汾，041206） 摘要：本次設(shè)計介紹的是煤礦行業(yè)中使用的放頂煤液壓支架和支架中重要 部件底座和頂梁的設(shè)計。液壓支架在煤炭行業(yè)是一種非常重要的設(shè)備，它在采 煤工作面中為了防止頂板冒頂，維持一定的空間，保證工人安全和各項工作的 正常運行，對頂板進行支護。它是以高壓液體作為動力，由液壓元件與金屬構(gòu) 件組成支護和控制頂板的設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)支撐、切頂、移動液壓支架和推移輸 送機等一整套工序。 底座是為了支架的結(jié)構(gòu)和工作機構(gòu)提供安全的設(shè)備基礎(chǔ)，還有是為了與前 后連桿和掩護梁一起組成四連桿機構(gòu)，將對立柱、前后連桿的頂板壓力傳遞給 底板。 關(guān)鍵

2、詞：液壓支架、立柱、底座、頂梁、四連桿。 我國煤炭儲量十分豐富，1979年世界能源會議估計我國煤炭資源為 15000 億噸，其中煤層厚度大于3.5M的厚煤層占40流右。從采煤工藝看，我國1972 年開始裝備綜合機械化采煤，至1990年已經(jīng)達到29.8%。當時對厚度在3.5 5M的煤層多采用一次采全高工藝，特別是大采高支架，平均單產(chǎn)可超過3萬 噸，最高超過6萬噸，最高月產(chǎn)142211噸。然而，對于厚度大于 5M的特厚煤 層的開采，存在著產(chǎn)量低、效率低、勞動強度大、安全差等問題，盡管分層開 采技術(shù)較為成熟，但其成本高、工序多，影響效率。 一、放頂煤液壓支架發(fā)展及特點 自60年代法國率先研制節(jié)式放頂

3、煤支架開采特厚煤層取得成功以來，70 年代法國、英國、匈牙利、原聯(lián)邦德國、前蘇聯(lián)等國家又先后研制出插板式、 開天窗式、后開門式放頂煤液壓支架，使特厚煤層采煤工藝有了新的突破，產(chǎn) 量與效率不斷提高。以匈牙利奧伊克礦為例，使用VH730型支架，開采厚 6.2M煤層，平均月產(chǎn)量達到3.39萬噸，效率26.1噸/工，工作面回收率91% 我國綜采放頂煤開采開始于1982年，是由鄭州煤礦機械廠、煤炭科學(xué)研 究總院北京開采所、沈陽煤研所共同研制的FY400- 14/28中位放頂煤支架在沈 陽局蒲河礦安裝實驗；10多年來得到了迅速的發(fā)展，截止到 1993年，已經(jīng)在 13個省的26個礦務(wù)局59個工作面使用，達到

4、了日產(chǎn)萬噸，月產(chǎn)31萬噸，年 產(chǎn)252 圖1低位雙運輸機放頂煤綜采示意圖 1放煤口； 2前輸送機；3后輸送機 萬噸的生產(chǎn)水平，成為世界上綜采放頂煤開采技術(shù)發(fā)展最快、擁有放頂煤液壓 支架數(shù)量最多的國家。 實踐證明，在特厚煤層開采中，采用放頂煤開采較分層開采等具有明顯的 優(yōu)越性，主要有： (1) 、煤層掘進量小，掘進費用低、緩和了采掘關(guān)系； (2) 、減少了搬家倒面次數(shù)，節(jié)省了綜采面設(shè)備搬遷、安裝的工作量及 費用； (3) 、較分層開采減少了鋪網(wǎng)工序、材料、工資及巷道維護費用等； (4) 、對急斜厚煤層，較普通法開采的工作面產(chǎn)量提高1 3倍； (5) 、提高了煤炭的塊炭率，增加煤炭的售價； (6)

5、 、減少了設(shè)備的運行費，特別是采煤機，相對減少了噸媒設(shè)備折舊 費或租賃費； (7) 、有利于礦井的集中控制，實現(xiàn)減面、減人、提高工效的目的； (8) 、提高勞動生產(chǎn)率，降低成本，比一般回采工效提高2 5倍，經(jīng)濟 效益十分顯著，噸媒成本一般降低 8 20元/噸。 基于上述原因，我國放頂媒液壓支架從 1984年至1992年上半年已發(fā)展到 42套，32個品種，占世界總數(shù)的66%。當然，放頂煤開采也有急待解決的問 題，主要是： (1) 、煤塵大，比分層開采高出1 3倍，甚至更高； (2) 、回米率偏低，一般在80%左右，造成一定的煤炭損失； (3) 、自然發(fā)火的問題尚未得到很好的解決； (4) 、對高

6、瓦斯礦井，瓦斯涌出量大，有局部積聚的危險。 因此，煤炭工業(yè)部提出要有試點地進行，穩(wěn)步發(fā)展的方針。下面重點介紹 放頂煤液壓支架的特點及適應(yīng)性。 二、低位放頂煤支架的特點 這是一種雙輸送機運煤，在掩護梁后部鉸接一個帶有插板的尾梁、低位放 煤的支撐掩護式支架。這類支架有一個可以上下擺動的尾梁(擺動幅度在45 左右)用以松動頂煤，并維持一個落煤空間。尾梁中間有一個液壓控制的放煤 插板，用以放煤和破碎大塊頂煤，具有連續(xù)的放煤口。其主要特點如下： (1) 由于具有連續(xù)的放煤口，放煤效果好，沒有脊背煤損失，回收率高； (2) 和其他支架相比，從煤壁到放煤口的距離最長，經(jīng)過頂梁的反復(fù)支撐 和在掩護梁上方的垮落

7、，使頂煤破碎較為充分，對放煤極為有利； (3) 后輸送機沿底板布置，浮煤容易排出，移架輕快，同時尾梁插板可以 切斷大塊煤，使放煤口不易堵塞； (4) 低位放煤使煤塵減少； (5) 前四連桿低位放頂煤液壓支架的抗扭及抗偏載能力差，支架的穩(wěn)定性 (6) 尾梁擺動力和向上的擺角較小，破煤和松動頂煤的能力差。 這類支架的原始形式是前四連桿式，在礦壓較小的急斜水平分段開采時比 較適應(yīng)，為使這種支架在緩斜長臂工作面發(fā)揮其優(yōu)勢，幾年來作了如下的探 索： (1) 把四連桿的上連接位置由頂梁上改在掩護梁上，使支架底部和上部的 連接位置更接近扭轉(zhuǎn)力矩的作用點，增加了支架強度，減少了支架的損壞，形 成了目前在緩斜工

8、作面大量使用的后四連桿式低位放頂煤液壓支架； (2) 大幅度加強前四連桿本身以及它與頂梁、底座的聯(lián)接強度，這種作法 增加了支架的重量，有的重達 20t以上，但設(shè)計時容易實現(xiàn)加大后部運輸空間 和增加破煤能力； (3) 增大后部空間和尾梁向上擺動的力，使其在較硬煤層中使用時也可讓 頂煤順利放落和運出，如 ZFS5200/17/32型支架尾梁端部向上擺動力可達到 500kN,使用效果良好； (4) 后四連桿前連桿設(shè)計為 丫型，后連桿設(shè)計為I型，增大了支架的前、 后人行道的寬度并加大了后部的人員工作與維護空間； (5) 把后輸送機千斤頂耳座與底座的聯(lián)接改為活聯(lián)接，改善了運輸狀況。 在后輸送機與千斤頂之

9、間增加了結(jié)構(gòu)件推桿，以避免后輸送機與千斤頂活塞桿 彎曲并防止輸送機和支架下滑。 前四連桿式支架和后四連桿式支架相比，前四連桿式支架穩(wěn)定性及抗扭性 較差，但其后部空間較大，且重量也輕。 三、低位放頂煤液壓支架的適應(yīng)性 前四連桿式支架在急斜水平分段放頂煤綜采中取得成功，如對四連桿及有 關(guān)聯(lián)接件再進一步增加強度，成為定型設(shè)備，可以不考慮在急斜條件下使用后 四連桿式支架。 緩斜中硬難放煤層在選型時考慮到低位放頂煤液壓支架的強度低，又無成 功的實例，往往選用中位放頂煤液壓支架，但受到放煤口的限制，實際上也未 能很好解決其放煤問題。仔細研究各類放煤支架，就會發(fā)現(xiàn)，只有前四連桿式 支架具備大幅度擺動掩護梁破

10、煤的條件。有的低位放頂煤液壓支架采取強化四 連桿及聯(lián)接銷軸，把擺動掩護梁的千斤頂一端布置在底座上，而不是布置在頂 梁上，盡管這種架型尚無滿意的效果，但這種探索無疑是很有意義的。 后四連桿式支架在煤層硬度系數(shù)f二2左右，層節(jié)理比較發(fā)育的緩斜厚煤 層中使用取得很大成功，如在潞安礦務(wù)局五陽煤礦、王莊煤礦和兗州礦務(wù)局興 隆莊煤礦、鮑店煤礦。這種架型與設(shè)計先進的過渡支架配合使用，創(chuàng)出了新水 平，被廣泛推廣使用。如石炭井礦務(wù)局烏蘭礦將這種支架與過渡支架、端頭支 架配套使用，在傾角為 24的工作面上取得了成功。由此表明了后四連桿式放 頂煤液壓支架在緩斜中硬煤層和傾斜厚煤層中均有良好的適應(yīng)性和使用前景。 四、

11、液壓支架的組成 根據(jù)各部件的功能，液壓支架的組成可歸納為五個部分見表1。 五、液壓支架的支護方式 綜采工作面的主要生產(chǎn)工序有采煤、移架和推溜。 3個工序的不同組合順 序，可形成液壓支架的 3種支護方式，從而決定工作面 三機”的不同配套關(guān) 系。具體的循環(huán)方式見表2。 六、液壓支架的工作原理 液壓支架在工作過程中，不僅要可靠的支撐頂板，維護一定的安全工作空 間，而且要隨工作面的推進，進行移架和推移輸送機。因此，支架要實現(xiàn)升、 降、推、移四個基本動作，這些動作是利用泵站供給的高壓液體，通過工作性 質(zhì)不同的幾個液壓缸來完成的，如圖 2所示 表1液壓支架組成表 序號 部件 功能 舉例 1 承載結(jié)構(gòu)件 承

12、受并傳遞頂板載荷作用的結(jié) 構(gòu)件 頂梁、掩護梁、 底座、連桿 2 動力油缸 用液體作介質(zhì)可以主動產(chǎn)生作 用力，實現(xiàn)各種動作的油缸 立柱、各類千斤 頂 3 控制元部件 操縱、控制支架各個動力油缸 動作及保證所需工作特性的液 壓（電氣）元部件 操縱閥、單向 閥、安全閥及管 路、液壓（電 控）元件 4 輔助裝置 不直接承受頂板載荷，而實現(xiàn) 支架某些動作或功能所必須的 裝置 推移裝置、護幫 裝置、活動側(cè)護 板、防倒、防滑 裝置 5 工作液體 傳遞能量的工作液壓介質(zhì) 乳化液 表2液壓支架的支護方式表 支護方式 循環(huán)方式 支護特點 應(yīng)用條件 及時支護 割煤移架推 溜 支護滯后時間短 適用于各種頂板條 件，應(yīng)

13、用最為廣泛 滯后支護 割煤一推溜一移 架 支護滯后時間較 長 可用于穩(wěn)定、完整 的頂板條件，較少 支架結(jié)構(gòu)緊湊，目 前應(yīng)用 復(fù)合支護 割煤一支架伸出 探梁推溜移 架 支護滯后時間短 但增加了反復(fù)支 撐 可適用于各種頂板 條件，但支架操作 次數(shù)增加，目前應(yīng) 用較少 當操縱閥8處于升柱位置時，從乳化液泵站來的高壓液體通過操縱閥& 液控單向閥6進入立柱2的下腔，立柱上腔回液，支架升起，并撐緊頂板。當操縱閥8處于降柱位置時，工作液體進入立柱的上腔，同時打開液控單向閥， 立柱下腔回液，支架下降。 支架的前移和推移輸送機是通過操縱閥 7和推移千斤頂4來進行的。移架 時，先使支架卸載下降，再把操縱閥 7置于

14、移架位置，從乳化液泵站來的高壓 液體進入推移千斤頂 4的前腔即活塞桿腔，后腔即活塞腔回液。這時，支架以 輸送機為支點前移。移架結(jié)束后，再把支架升起，使支架撐緊頂板。若將操縱 閥7置于推溜位置，高壓液體進入推移千斤頂后腔即活塞腔，前腔即活塞桿腔 回液，這時輸送機以支架為支點被推向煤壁。 O 2液壓支架工作原理圖 1-頂梁；2-立柱；3-底座；4-推移千斤頂；5-安全閥；6-液控單向閥； 7、8-操縱閥；9-輸送機；10-乳化液泵；11-主供液管；12-主回液管 液壓支架在井下工作時，由于工況條件惡劣，受力情況十分復(fù)雜。為了安 全可靠，在進行支架設(shè)計時，必須模擬支架在頂板、底板相互作用下，可能遇

15、到的最危險工況，對整架和支架各結(jié)構(gòu)體進行強度計算和校核，然后在液壓支 架型式實驗臺上進行強度和壽命驗證。強度是反映液壓支架可靠性的重要指標 之一。它取決于液壓支架的力學(xué)特性和支架結(jié)構(gòu)件的幾何尺寸。正確的分析和 計算支架結(jié)構(gòu)件的截面強度和剛度是合理設(shè)計液壓支架的前提。 近年來，出現(xiàn)了一些新的方法，如有限單元法、薄壁箱型截面組合強度的 計算機輔助法、液壓支架強度的概率設(shè)計法等，提高了支架結(jié)構(gòu)的可靠性。這 些都有待以后去進一步研究、探討。 由于煤田地質(zhì)構(gòu)造的原因，我國急斜特厚煤層多數(shù)傾角大于55，煤層厚 度多在2-8M之間，硬度系數(shù)f ：1.5，發(fā)育良好，特別適合放頂煤開采。但是, 現(xiàn)在多數(shù)放頂煤液

16、壓支架的采高比較小，為了在急斜特厚煤層水平分段開采過 程中，簡化礦井的采掘系統(tǒng)和生產(chǎn)組織，提高生產(chǎn)率和產(chǎn)量，主要是采用增大 放煤高度的方法，同時對已有支架某些結(jié)構(gòu)做了一定改進使之更適用于急斜煤 層的開采。 本文在對目前已有的放頂煤液壓支架的分析的基礎(chǔ)上，提出了適用于急斜 特厚煤層的大采高放頂煤液壓支架的設(shè)計方法： 1. 對現(xiàn)有的液壓支架的結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)不作大的變動，通過加大結(jié)構(gòu)件的厚 度和鋼板的厚度來提高結(jié)構(gòu)件的強度，從而達到較好的支撐效果； 2. 把后輸送機千斤頂耳座與底座的聯(lián)接改為活聯(lián)接，改善了運輸狀況； 3在后輸送機與千斤頂之間增加了結(jié)構(gòu)件推桿，以避免后輸送機與千斤頂 活塞桿彎曲并防止輸送

17、機和支架下滑，以更好地適應(yīng)急斜特厚煤層的開采； 4. 采用了前四連桿式的結(jié)構(gòu)，雖然其穩(wěn)定性和抗扭性較差，但是后不放煤 空間大，重量也輕； 5. 立柱是支架的主要承載部件，為了適應(yīng)頂板的變化和改善受力狀況，立 柱兩端均采用球面結(jié)合形式與頂梁及底座鉸接，承受壓力，并用銷軸固定來承 受拉力。立柱柱頭與頂梁端相連接的銷孔，其兩側(cè)加工成喇叭口，與直銷配合 使用，使頂梁能左右作適當偏轉(zhuǎn)，以便立柱在架內(nèi)靈活轉(zhuǎn)動； 6. 為適應(yīng)急斜特厚煤層分段開采，支架本身采用中四連桿機構(gòu)，增加了支 架的縱向穩(wěn)定性，并使梁端距變化較??； 7. 放煤增設(shè)擺動伸縮式尾梁，以調(diào)整工作空間和放煤口大??； 8. 頂梁較長，改善了掩護梁受力狀況，以利頂煤在礦壓作用下能較好的壓 碎； 9. 為了保證支架整體穩(wěn)定性，在底座上鉸接四連桿機構(gòu)，在底座中間設(shè)置 有推移裝置，側(cè)面設(shè)置拉后輸送機的千斤頂和推移桿。 自移式液壓支架廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代長臂采煤工作面上。它不但能夠支撐頂 板、推進工作面刮板輸送機、自行前移，而且能夠為井下聯(lián)合采煤作業(yè)提供一 個安全的環(huán)境。因此，正確、合理地選擇液壓支架架型是長臂工作面采煤成功 的前提和關(guān)鍵。此外，井下采煤需要大量的液壓支架，通常對液壓支架的資金 投入占整個長臂采煤工作面初期投入的一半還要多。因此，從技術(shù)和經(jīng)濟的角 度來看，液壓