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1、中国矿业大学成人教育学院2006届毕业设计第一章 概 述1.1液压支架对现代煤矿生产的意义综观采煤机械化发展的历史，液压支架是现代煤矿实现采煤、运输和支护等所有工序全部机械化，即采煤综合机械化中最后一个实现技术突破的环节，这固然有其技术和经济上的原因，但也充分说明液压支架对与现代煤矿的生产具有举足轻重的意义。（1）液压支架的架型、参数和结构等都与采煤工艺、煤层赋存条件，尤其是与煤层顶底板的特性等直接相关，因而针对性强、不确定因素多，对适应性和可靠性要求高。 （2）液压支架不仅用于支护工作面顶板，同时又与采煤运输等设备紧密关联，提供空间、相互推移、协调作业等等，而且与采煤、运输设备相比，因故障而
2、拆除更换支架十分困难，因而液压支架的性能对于工作面设备的总体配套乃至实现高产高效等都至关重要。（3）液压支架为工作面人员提供安全的作业空间、行人通道，对保证工作面安全生产具有重要意义。（4）液压支架的数量多、重量大，在工作面所有设备中，无论以总购置费用还是总重量来说，一般都要占到50%60%左右，因而资金投入与回报率，以及与此相关的工作面设备的运输、搬家等方面都是必须考虑的最重要因素之一。 1.2我国液压支架的发展现状及存在问题随着工业的发展，对煤炭需求量的日益增长，要求人们改进回采工艺，提高采煤机械化程度。20世纪70年代我国先后研制出垛式、节式、掩护式和支撑掩护式支架，同时集中对支架阀类、
3、立柱、密封件、高压胶管进行研究攻关，从无到有使我国支架实现了“顶得住，走得动”的基本要求；80年代国内通过对国外支架技术的消化吸收，从设计，制造，使用等各方面对支架的架型，工作阻力，结构和控制系统进行了研究探索，自主开发了适应不同地质条件和采煤方法的各种不同的液压支架。90年代我国液压支架的CAD优化设计、手动快速移动和大流量供液系统，高可靠性支架研制成功，为高产高效提供条件。尤其放顶煤支架渐趋成熟，使我国放顶煤技术达到了国际领先的水平。高产高效综采技术的核心是工作面综采设备，多年来，工作面三大配套设备采煤机、刮板输送机和液压支架，在设计方法和结构上都有了重大发展，主要是提高设备生产能力和可靠
4、性，改进操作性能。我国液压支架从无到有，逐步完善。随着我国煤矿集约化程度的提高，工作面单产、效率和安全越来越成为煤矿生存和发展的关键，因而液压支架必将逐步向高工作阻力、高可靠性、架型和结构简单（如两柱掩护式和四柱支撑掩护式及整体顶梁）、加大中心距等方向发展。电液控制支架是液压支架发展的必然趋势，也是实现工作面自动化的必由之路。我国综采技术发展中存在的问题：（1）我国煤层赋存条件复杂，老矿井受生产系统制约，综采效率难以发挥。我国大部分矿井井型较小，生产系统不适应集中生产的要求。巷道端面小，支护质量差，掘进设备落后，进度慢，运输系统环节多，辅助运输落后。工作面长度、采煤机截深、采区长度等工作面参数
5、都比较小。（2）职工队伍素质差，许多综采队以农民轮换工为主，文化基础差，队伍不稳定。管理水平低，管理模式落后，管理层次多，扯皮现象严重。（3）煤炭企业普遍经济效益较差，负担重，技术改造任务难度大，资金投入严重不足，以致发展后劲不足，一些矿井没有设备更新能力，机械化出现倒退局面。1.3液压支架选型背景根据国内外使用液压支架的经验证明，支架架型的选择主要决定与矿山地质条件，特别是顶板的性质，它直接影响支架的架型和工作阻力。随着高产高效矿井的建设，煤炭开采工艺及装备水平不断提高，综采放顶煤技术，在全国得到迅速发展和广泛普及。集团公司针对各矿井下煤炭储量及采掘面地质条件实际情况，有的放矢的加大综采设备
6、资金投入及设备的更新改型设计。近几年来，按照集团公司安排部署，我厂先后开发了ZFQ2900支架、ZF3700/16/26型支架，在付村和柴里、新安三煤矿得到广泛赞誉，并创出了非常可观的经济效益，为轻型支架在我集团公司各矿的推广使用打下了基础。与此同时，针对放顶煤支架在井下的适用条件，结合付村矿某工作面煤层厚度，我厂计划在制造轻型放顶煤支架的基础上研制承载能力更大、支护强度更高的新型支架。这就是本课题的设计初衷。1.4综放开采的技术经济优势近年来综放开采之所以成为我国高产高效矿井建设的重要技术途径，是因为这种采煤方法不但符合我国国情，而且它在技术上较厚煤层分层开采和单一煤层综采有明显的技术和经济
7、优势。（1）综放开采实现了缓倾斜特厚煤层的一次采全厚开采和急倾斜特厚煤层的水平分段开采，对地质条件的适应性较分层综采和单一煤层综采更强。适应于煤层厚度变化大、顶底板起伏不平、断层构造多以及其他地质条件变化的不稳定煤层。（2）综放开采一次开采厚度大幅度增加，煤层开采强度加大，实现了垂直集中生产，而且低位放顶煤支架工作面有两个出煤点，在同样工作面长度和工作面推进速度的情况下，综放开采较分层综采和单一煤层综采工作面的单产可以成倍的增长。（3）综放开采较分层综采的巷道掘进率低，工作面寿命长，搬家次数少，吨煤设备投入费用少；工作面材料、电力等消耗少，因而工作面直接成本大大降低。据部分矿区统计，综放开采的
8、吨煤成本可比分层综采的成本降低10元/t以上，因而矿井的经济效益可以明显提高，不少矿区都是靠综放开采实现扭亏增盈的。实践证明，综放开采是一种高产、高效、安全、低耗、经济效益好的采煤方法，已成为我国高产高效矿井建设的重要技术途径。第二章 支架选型设计主要结构参数和形式的确定2.1液压支架的工作原理液压支架的主要动作有升架、降架、推移输送机和移架。这些动作是利用乳化液泵站提供的高压乳化液，通过液压控制系统控制不同的液压缸来实现的。每架支架的进、回液管路都与连接泵站的工作面主供液管路并联，全工作面的支架共用一个集中的泵站作为液压动力源。工作面的每架支架形成各自独立的液压系统，其中液压单向阀和安全阀均
9、设在本架内；操纵阀可设在本架内，也可装在相邻支架上，前者称为“本架操作”，后者为“邻架操作”。图2-1工作原理图液压支架的工作过程如图2-1所示：将操纵阀8置于上阀位（升架位置），由乳化液泵站10来的工作液体经操纵阀8和液控单向阀6进入立柱2下腔，立柱上腔回液，支架升起，并撑紧在顶底板之间。当操纵阀8置于下阀位（降架位置）时，工作液体进入立柱上腔，同时打开液控单向阀，立柱下腔回液，支架下降。支架的移动和推移输送机是靠操纵阀7控制推移千斤顶实现的。推移千斤顶的两端分别与支架的底座3和输送机9相连接。移架时，先使支架卸载，立柱下腔回液，再将操纵阀7置于下阀位（移架位置），工作液体进入推移千斤顶活塞
10、杆腔，后腔回液，此时，支架以输送机为支点前移。此后，再把支架撑紧在顶底板之间。将操纵阀7置于上阀位（推溜位置），工作液体进入推移千斤顶活塞腔，前腔回液，此时以支架为支点就将输送机推向煤壁。2.2液压支架基本参数的确定液压支架是放顶煤综采的关键设备，合理确定放顶煤液压支架的基本参数，对充分发挥综采设备的效能影响很大。2.2.1 中心距和宽度的确定支架中心距一般等于工作面一节溜槽的长度。我国液压支架中心距大部分采用1.5 m。大采高支架为了提高稳定性一般采用1.75m，轻型支架的中心距采用1.25m。为了保证支架的运输、安装、调架，支架顶梁装有活动侧护板，侧护板行程一般为170200mm。中心距在
11、1.5m时最小宽度一般取14001430mm，最大宽度一般取15701600mm。此支撑掩护式放顶煤液压支架支护宽度最小取1430mm，最大宽度取1600mm。2.2.2 高度的确定综放工作面机采高度主要由煤壁的稳定性、采煤机生产能力及顶板管理状态所决定，一般控制在2.5m左右。对于高产高效工作面，为了提高工作面的推进速度，并考虑割煤速度通常大于放顶煤速度的情况，可根据煤层的厚度、顶煤冒放性以及工作面通风和液压支架后部空间合理的要求确定综放工作面的机采高度，一般取2.83.2m。已知煤层最大采高3.3m，最小采高1.95m，取伪顶冒落的最大厚度为0.2m，顶板周期来压时的最大下沉量、移架时支架
12、的下降量、顶梁上及底座下的浮矸厚度之和为0.25m。支架最大结构高度 （m） （2-1）（m）支架最小结构高度 （m） （2-2） （m）式中，分别为煤层最大、最小采高，m；S1为伪顶冒落的最大厚度，一般取0.20.3m；S2为顶板周期来压时的最大下沉量、移架时支架的下降量、顶梁上及底座下的浮矸厚度之和，一般取0.250.35 m。支架伸缩比反映了对煤层厚度变化的适应能力，其值越大，支架对煤层厚度变化S1为伪顶冒落的最大厚度，一般取0.20.3m；的适应能力就越大。由于大于1.6，因此需加机械加长段或采用双伸缩立柱；小于1.6时，采用单伸缩立柱。2.2.3 梁端距和顶梁长度的确定梁端距是为了避
13、免割顶梁而留的安全距离，支架高度越大，梁端距也越大。采用即时支护时，一般大采高支架梁端距应取350480mm，中厚煤层支架梁端距应取280340mm，薄煤层支架梁端距应取200300mm。根据此液压支架的高度及与其配套的综采设备尺寸，确定此支架的梁端距为260364mm。顶梁长度受支架型式、配套采煤机、刮板输送机尺寸、配套关系及立柱缸径、通道要求、底座长度、支护方式等因素的制约。如图2-1所示图2 2液压支架尺寸关系选支架采用即时支护方式，取梁端距为320mm，即时支护一般循环方式为：割煤移架推溜，它的特点是，顶板暴露时间短，适用于各种顶板条件，也是我国目前应用最为广泛的支护方式。根据公式（2
14、-3）初步确定顶梁长度 （2-3） 2583+2325-348+110（3800） 4290（mm）式中：LA：为刮板运输机与采煤机的配套尺寸；L15：为底座长度，初步设为2325mm；XE：为顶梁与掩护梁铰接点相对与后连杆下铰点的水平距离，设为348mm；L0：为顶梁与掩护梁铰接点后段的水平尺寸，设为110mm；Ln：为梁端距，设为380mm；Cd：为采煤机截深；当采用即时支护时Cd0，当采用滞后支护时Cd等于采煤机截深。2.3 液压支架技术特征参数的确定2.3.1 技术参数的确定根据液压支架的选型背景有关内容，结合矿区实际，参照液压支架技术等资料，分别算出放顶煤液压支架的各项技术参数如下：
15、（1） 支护强度支护强度是液压支架最主要的技术参数之一，它的实质是代表液压支架对顶板的支护能力。支护强度主要取决于工作面顶板条件、煤层埋藏深度和采高等因素。放顶煤支架支护强度的确定与普通支架支护强度的确定由较大的区别。实践证明，放顶煤工作面来压强度一般要低于普通综采工作面的来压强度。放顶煤液压支架支护强度的确定方法还不够成熟，在介绍的两种方法中，有一种为“参照相同条件确定放顶煤支架支护强度”，根据以往在付村矿、新安矿同一煤层中使用的ZZP4800型放顶煤液压支架的支护强度，可以取本支架的支护强度为0.75MPa 。（2） 支架工作阻力和初撑力的确定液压支架的工作阻力即为支架的合力，是支架的主要参数之一，它代表了支架的支承能力。由确定的支护强度，根据配套尺寸确定支架的顶梁长度和控顶距，可算出支架的工作阻力。P=4765（N）（2-1）式中 P支架的工作阻力（N）； 支架的支护强度（MPa）； 控顶距 （m）； 顶梁长度 （m）； B支护中心距 （m）； 支架的支护效率 。为支撑效率；支撑式支架的支撑效率为100；掩
