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1、 1 绪论液压支架是在摩擦支柱和单体液压支柱等基础上发展起来的工作面机械化支护设备，支架与滚筒采煤机、可弯曲刮板输送机、转载机及胶带输送机等组成一个有机的整体，实现了采、支、运等主要工序的综合机械化采煤工艺，从而使长壁采煤技术迈入了一个新的阶段。液压支架能可靠而有效的支撑和控制工作面顶板，隔离采空区，防止矸石窜入工作面，保证作业空间，并且可以够随着工作面的推进而机械化移动，不断的将采煤机和输送机推向煤壁，从而满足工作面高产、高效和安全生产的要求。液压支架的总重量和初期投资费用占工作面整套综采设备的60%70%左右，因此液压支架是现代采煤技术中的关键设备之一。1.1液压支架的用途在采煤工作面的生
2、产过程中，为了防止顶板冒落，维持一定的工作空间，保证工作人员安全和各项作业正常进行，必须对顶板进行支护。而液压支架是以高压液体为动力，由液压元件与金属构件组成的支护和控制顶板的设备，它能实现支撑、切顶、移动和推移输送机等一套动作。实践表明液压支架有支护性能好、强度高、移架速度快、安全可靠等优点。液压支架与可弯曲输送机和采煤机组成综合机械化采煤设备，它的应用对提高采煤工作面产量、提高劳动生产率、降低成本、减轻工人的体力劳动和保证安全生产是不可缺少的有效措施。因此，液压支架是在技术上先进、经济上合理、安全上可靠，是实现采煤综合机械化和自动化不可缺少的主要设备。1.2液压支架的组成液压支架由顶梁、底
3、座、掩护梁、前后连杆、立柱、推移装置、操纵控制系统等部分组成。1.2.1 顶梁作用：1）用于支撑维护控顶区的顶板。2）承受顶板的压力。3）将顶板载荷通过立柱、掩护梁、前后连杆经底座传到底板。要求：1）顶梁应有足够的强度，即使在接触应力分布不均匀的情况下也不致被压坏。2）顶梁应有足够的刚度，以承受扭力。3）顶梁对顶板的覆盖率高。4）顶梁能适应顶板的起伏变化。1.2.2 底座作用：1）为支架的其他结构件和工作机构提供安设的基础。2）与前后连杆和掩护梁一起组成四连杆机构。3）将立柱和前后连杆传递的顶板压力传递给底板。要求：1）底座应有足够的强度和刚度。2）底座对底板的起伏变化适应性好。3）底座与底板
4、的接触面积大，以减小底座对底板的接触比压，避免支架陷入底板。4）底座应有足够的地方来安设立柱、推移装置以及液压控制装置。5）底座要能把落入支架内的碎矸排弃到老塘中。1.2.3 掩护梁作用：1）掩护梁承受顶梁部分载荷和掩护梁背部载荷并通过前后连杆传递给底座。2）阻挡并承载采空区冒落的矸石，承受顶板水平推力、侧向力和传递扭转载荷，并保持支架整体的稳定性。3）掩护梁和顶梁（包括侧护板）一起 ，构成了支架完善的支撑和掩护体，完善了支架的掩护和挡矸能力。1.2.4 前后连杆 前后连杆是四连杆机构中重要的运动和承载部件，与掩护梁和底座的一部分共同组成四连杆机构，使支架能承受围岩载荷、水平作用力和保持稳定。
5、其四连杆机构的作用：1）通过四连杆机构，使支架顶梁端点的运动轨迹呈近似双纽线，从而使用使支架前端头离煤距离大大减小，提高了管理顶板性能。2）能承受较大的水平力。1.2.5 立柱作用：1）支撑顶梁，承受载荷的作用。2）调节支架的高度，使支架的高度满足工作面的要求。3）立柱设置有大流量安全阀，以避免顶板冲击压力造成支架过载较大。1.2.6推移装置作用：1）将输送机推向煤壁，保证作业循环。2）将液压支架拉向煤壁方向，及时支护顶板。3）框架或推杆与底座导向通道共同作为支架、输送机移动时的导向，起一定的防滑作用。1.2.7操纵控制系统液压支架由不同数量的立柱和千斤顶组成，采用不同的操纵阀用以实现升柱、降
6、柱、移架、推溜等动作。虽然支架的液压缸种类、数量很多，但其液压系统都是采用多执行元件的并联系统。对于液压支架的操纵控制系统传动装置，应具备以下基本要求：采用结构简单，设备外形尺寸小，能远距离的传送大的能量；能承受较大载荷；没有复杂的传动机构；在爆炸危险和含尘的空气里保证安全工作；动作迅速；操作调节简单；过载及损坏保护简单。1.3液压支架的工作原理液压支架在工作过程中，必须具备升、降、推、移四个基本动作，这些动作是利用泵站供给的高压乳化液通过工作性质不同的几个液压缸来完成的。如图所示：每架支架的液压管路都与工作面主管路并联，形成各自独立的液压系统，如图1-1所示，其中液控单向阀和安全阀设在架内，
7、操纵阀可设在本架或邻架内，前者为本架操作，后者为邻架操作。图1-1 液压支架工作原理图1-顶梁；2-立柱；3-底座；4-推移千斤顶；5-安全阀；6-液控单向阀； 7、8-操纵阀；9-输送机；10-乳化液泵；11-主供液管；12-主回液管1.3.1支架升降支架的升降依靠立柱2的伸缩来实现，其工作过程如下：1、初撑如图1-1所示，操纵阀8处于升柱位置，由泵站输送来的高压液体经液控单向阀6进入立柱的下腔，同时立柱的上腔排液，于是活柱和顶梁升起，支撑顶板。当顶梁接触顶板，立柱下腔的压力达到泵站的工作压力后，操纵阀置于中位，液控单向阀6关闭，从而立柱下腔液体被封闭，这就是支架的初撑阶段。2、承载支架初撑
8、后，进入承载阶段。随着顶板的缓慢下沉，顶板对支架的压力不断增加，立柱下腔被封闭的液体压力将随之迅速升高，液压支架受到弹性压缩，并由于立柱缸壁的弹性变形而使缸径产生弹性扩张，这一过程就是支架的增阻过程。当下腔液体的压力超过安全阀5的动作压力时，高压液体经安全阀5泻出，立柱下缩，直至立柱下腔的液体压力小于安全阀的动作压力时，安全阀关闭，停止泄液，从而使立柱工作阻力保持恒定，这就是恒阻过程。此时，支架对顶板的支撑力称为工作阻力，它是由支架安全阀的调定压力决定的。3、卸载当操纵阀8处于降架位置时，高压液体进入立柱的上腔，同时打开液控单向阀6，立柱下腔排液，于是立柱卸载下降。图1-2 液压支架工作特性曲
9、线由以上分析可以看出，支架工作时的支撑力变化可分为三个阶段，如图1-2，即：开始升柱至单向阀关闭时的初撑增阻阶段t0，初撑后至安全阀开启前的增阻阶段t1 ，以及安全阀出现脉动卸载时的恒阻阶段t2 ，这就是液压支架的阻力-时间特性。它表明液压支架在低于额定工作阻力下工作时，具有增阻性，以保证支架对顶板的有效支撑作用，在达到额定工作阻力时，具有恒阻性；为使支架恒定在此最大支撑力，又具有可缩性，即支架在保持恒定工作阻力下，能随顶板下沉而下缩。增阻性主要取决于液控单向立柱的密封性能，恒阻性与可缩性主要由安全阀来实现，因此安全阀、液控单向阀和立柱是保证支架性能的三个重要元件。1.3.2支架移动和推移输送
10、机支架和输送机的前移，由底座3上的推移液压缸4来完成。需要移架时，先降柱卸载，然后通过操纵阀使高压液体进入推移液压缸4的活塞杆腔，活塞腔回液，以输送机为支点，缸体前移，把整个支架拉向煤壁。需要推移输送机时，支架支撑顶板，高压液体进入推移活塞缸4的活塞腔，活塞杆腔回液，以支架为支点，活塞杆伸出，把输送机推向煤壁。1.4 液压支架架型的分类按照液压支架在采煤工作面安装位置来划分，有有端头液压支架和中间液压支架。端头液压支架简称端头支架，专门安装在每个采煤工作面的两端；中间液压支架是安装在除工作面端头以外的采煤工作面上所有位置的支架。目前使用的液压支架在分三类：支撑式、掩护式和支撑掩护式支架。1.4
11、.1 支撑式支架支撑式支架的架型有垛式支架和节式支架两种。如图1.2所示，前梁较长，立柱较多并呈垂直分布，支架的稳定性由立柱的复位装置来保证。它依靠立柱和顶梁的支撑作用控制工作面的顶板，维护工作空间。顶板岩石则在顶梁后部切断垮落。这类支架具有较大的支撑能力和良好的切顶性能，适用于顶板坚硬完整、周期压力明显或强烈、底板较硬的煤层。a 垛式 b 节式图1.2支撑式支架1.4.2掩护式支架掩护式支架有插腿式和非插腿式两种型式。如图1.3所示，顶梁较短，对顶板的作用力均匀；结构稳定，抵抗直接顶水平运动的能力强；防护性能好调高范围大，对煤层厚度变化适应性强。整架工作阻力小，通风阻力大，工作空间小。这类支
12、架适用于直接顶不稳定或中等稳定的煤层。a 插腿式支架 b 立柱支在掩护梁上非插腿式支架 c 立柱支在顶梁上非插腿式支架 图1.3掩护式支架1.4.3支撑掩护式支架支撑掩护式支架架型主要有：四柱支在顶梁上；二柱支在顶梁；一柱或二柱支在掩护梁上。支柱两排，每排1-2根，多呈倾斜布置，靠采空区一侧，装有掩护梁和四连杆机构。它的支撑力大、切顶性能好、护性能好、结构稳定、但结构复杂、重量大、贵、不便于运输。这类支架适用于直接顶中等稳定或稳定，老顶有明显或强烈的周期来压，瓦斯储量较大的中厚或厚煤层。1.5 液压支架的应用与研究现状液压支架是综合机械化工作面的主要设备，它能可靠而有效地支撑和控制工作面顶板，
13、隔离采空区，保持安全的地下作业空间，并可实现回采工作面及其相关设备的机械化推移。液压支架与采煤机、可弯曲输送机和顺槽转载机配合，共同构成了回采工作面的综合机械化设备，从而为煤矿地下开采实现高产、高效和安全生产创造了条件。因此，采用液压支架支护顶板是当代采煤技术一次重要的变革，也是煤矿生产现代化的重要标志。1.5.1 国外液压支架现状煤矿地下开采中的首要任务是支护和控制顶板，保持工作面的安全生产空间。在二十世纪五十年代前，国内外煤矿生产中，基本上均采用木支柱、木顶梁或金属摩擦支柱和铰接顶梁来支护顶板。1954年英国首次研制出液压支架，将液压技术应用到支护设备上，从而开辟了回采工作面支护设备的技术
14、革命。从二十世纪六十年代起，国外各主要产煤国家，如前苏联、英国、法国、澳大利亚、美国、波兰等国家均相继大力发展和研制了各种型式的液压支架，并在煤矿生产中获得了广泛而成功的应用，从根本上改变和提高了地下开采的作业条件和安全性。据统计，目前这些主要产煤国家的地下开采综合机械化程度己达到90%左右，取得了良好的经济和社会效益。八十年代以来， 世界主要采煤国家一直围绕减面提产、减人提效、降低成本、实现矿井集中生产做努力， 他们积极开发和应用新技术， 致力于高性能、高可靠性的新一代重型液压支架的研制。目前，以液压支架为主体的地下开采设备，己逐步向程控、遥控和自动化方向发展。这种新型液压支架普遍具有微型电
15、机或电磁铁驱动的电液控制阀，推移千斤顶装有位移传感器， 采煤机装有红外线传感装置，立柱缸径超过400mm。为减少割煤时间，一般采用0. 81m 的截深。支架还采用屈服强度8001000MPa 的钢板，既有较高的强度、硬度和韧性， 又具有良好的冷焊性能。随着长壁工作面长度的不断增加， 为适应快速移架的需要， 国外还广泛采用高压大流量乳化液泵站， 其额定压力为4050MPa ， 额定流量400500L / min ，可实现工作面成组或成排快速移架，达到68s/ 架。美国是世界上最先进的采煤国家， 早在1990年就已采用额定压力50MPa 、额定流量478L / min的乳化液泵站， 以实现支架快速推进， 移架速度达68s/ 架。美国的高产高效工作面采用两柱掩护式支架， 使用寿命8 10 年， 可用率高达95 %98 % 。支架平均工作阻力6470kN ( 最大为9800kN) ， 支架宽度普遍增大， 中心距达到1.75m ，并向2m 发展，增大架宽有利于减少工作面架数、缩短移架时间、增加有效工作时间和提高单产。如洛斯公司20 英里矿在2505280m 长壁综采面用工作阻力为285
