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1、 中国矿业大学本科生毕业设计 第 1 页放顶煤液压支架1 绪论1.1放顶煤支架架型的发展与演变放顶煤支架是随着放顶煤开采方法应用而生的，综合机械化开采应用到放顶煤开采工作面后，使放顶煤开采技术进入了一个新的发展阶段。由于工作面由液压支架实现可靠、快速的支护，采用采煤机或刨煤机采煤，放顶煤作业在安全可靠的工作条件下进行，从而使工作面产量有明显提高。近年来，综采放顶煤技术在我国得到了迅速的发展和广泛的普及，综采放顶煤正成为一种高产高效的采煤方法。1957年，前苏联研制出KTY型单输送机掩护式放顶煤液压支架，并在库兹巴斯煤田的托姆乌辛斯克矿使用，开采该矿的2号和45号煤层。煤厚为912m，煤层倾角5
2、18，该放顶煤工作面为预先开采顶层煤铺设人工假顶，然后再采底煤。1963年，法国研制出用于放顶煤开采的支撑掩护式放顶煤液压支架，并且于1964年在布朗齐矿区试验成功。该支架为四柱式，尾梁呈“香蕉”型，其摆动角度由千斤顶控制，配有两台输送机，第二台输送机安置于尾梁后部的底板上。放落的煤由第二台输送机运输，结构如图1.1。图1.1“香蕉”型放顶煤液压支架自70年代开始，法国、前西德、英国等国家陆续成功研制成功了“开天窗”的支撑掩护式或带插板的支撑式放顶煤液压支架。英国研制的“开天窗”式放顶煤液压支架在掩护梁上开了放顶煤“天窗”，由液压千斤顶控制开关，“天窗”附近设有搅动杆，以便于冒落顶煤，掩护梁上
3、还有钻眼孔，供煤硬不落时打眼放炮。第二台输送机安置在支架后部底座上，结构如图1.2。图1.2“开天窗”式放顶煤液压支架法国针对“香蕉”尾梁式放顶煤液压支架存在的问题，先后研制成功MB1728S、FB2130S型放顶煤液压支架。MB1728S放顶煤液压支架为四柱掩护式，掩护梁通过液压千斤顶控制进行伸缩，便于顶煤冒落装煤。第二台输送机放置在底板上，结构如图1.3 。FB2130S型放顶煤液压支架为四柱支撑掩护式，掩护梁上设有落煤窗口，由液压千斤顶控制其开关，落煤窗口内装有一个用于控制的搅动杆，有助于破碎大块煤，并有助于顶煤冒落操作。掩护梁上还有圆孔，用以通过此孔将管子伸向采空区，以便输送氮或泡沫。
4、掩护梁无四连杆机构，而直接与支架底座的尾端相铰接。在顶梁、掩护梁的侧护板及落煤口处装有若干喷嘴，以便喷水除尘。第二台输送机放置在支架后部底座上，结构如图1.4。图1.3 MB1728S放顶煤液压支架图1.4 FB2130S型放顶煤液压支架MB1728S和FB2130S型放顶煤液压支架分别代表了插板式和“开天窗”式放顶煤液压支架的结构特点。这两类支架都配有双输送机运煤，滚筒采煤机采煤，然后由掩护梁上的窗口或插板放出顶煤。这两类支架的主要区别是：插板式放顶煤液压支架重量较轻，后部空间大，易于排放大块煤，而且输送机置于煤层底板上，便于维修。“天窗”式放顶煤液压支架重量较大，支架整体稳定性好，放顶煤输
5、送机置于支架底座之上，便于推移和放顶煤。80年代初期，匈牙利研制成功单输送机前开“天窗”式放顶煤掩护式支架，其结构如图1.5。机采煤炭与放落煤炭均采用单输送机运输，在实际应用中取得了良好效果。图1.5 匈牙利VHP-732型“天窗”式放顶煤液压支架1982年，煤炭科学研究总院北京开采研究所与沈阳煤炭研究所共同设计，郑州煤矿机械厂制造的FY400-14/28型放顶煤液压支架是我国首次研制成的放顶煤液压支架。1984年在沈阳矿务局蒲河矿投入试验，开始取得了较好的效果，后来因支架的稳定性差，工作面发火中止了试验。虽然没有取得预期的效果，但人们看到了这种新型支架的前景，从此拉开了设计、研制放顶煤液压支
6、架的序幕。经过我国煤炭科技工作者的努力，研制成功了数十种放顶煤液压支架。兖州矿务局东滩煤矿使用国产放顶煤液压支架创造了年产410万t的高产高效记录，这标志着我国放顶煤液压支架的设计、制造走在了世界前列。我国放顶煤液压支架发展从低位放顶煤液压支架的研制开始，经历了高位、中位，现在又回到低位。最初的放顶煤支架采用的是低位放煤，代表架型是FY400-14/28型放顶煤液压支架，结构如图1.6。1987年平顶山矿务局引进了匈牙利VHP-732型放顶煤支架，该支架在缓倾斜工作面试验，最高月产达5.5万t，获得了成功。随即我国研制成了高位放顶煤液压支架，结构如图1.7。由于其放煤口高、放煤口小、存在顶煤损
7、失大、放煤与采煤机割煤不能平行作业、效率低等缺点，已基本淘汰。图1.6 FY400-14/28型放顶煤液压支架图1.7 高位放顶煤液压支架80年代末90年代初，我国研制出中位放顶煤液压支架，结构如图1.8。这种支架比单输送机高位放顶煤液压支架有所改进，有两部输送机，放煤与割煤可以平行作业，提高了效率，放煤口比高位放顶煤支架有所降低。随着放顶煤实践的深入，中位放顶煤支架也暴露出一些突出缺点，主要是放煤口仍然较小，受结构限制，放煤口不能连续，有背脊损失，采出率低，后部空间狭小，维修和清理浮煤不方便，底座前端比压大等。针对中位放顶煤液压支架存在的问题，我国又研制出低位放顶煤液压支架，其结构如图1.9
8、。早期的低位放顶煤液压支架是由铺网液压支架演变而来，其基本结构和铺网支架类似，只是尾梁上加上了插板，用于放煤，低位放顶煤液压支架是目前使用效果较好的架型。北京开采所在研究各种支架特点和使用经验基础上研制出一种反向四连杆低位放顶煤液压支架，其结构更加合理，用途更加广泛。图1.8 中位放顶煤液压支架图1.9 低位小插板放顶煤液压支架1.2 放顶煤液压支架的特点及适应性分析1.2.1放顶煤液压支架的分类 按与液压支架配套的输送机的台数，放顶煤液压支架可分类如下： 插底式 单输送机 不插底式 放顶煤液压支架 单铰接式 开天窗式 双输送机 四连杆式 前四连杆式 插板式 后四连杆式按放煤口位置，放顶煤液压
9、支架可分类如下： 高位（单输送机开天窗式） 放顶煤液压支架 中位（双输送机开天窗式） 低位（双输送机插板式）本文重点介绍低位放顶煤液压支架的特点及适应性。1.2.2放顶煤液压支架的安全性及适应性要求采用放顶煤综采的4个重要条件是：地质条件适应性，液压支架选型的正确性，采放工艺的合理性和工作面管理的严格性。其中前两个条件是基础，后者是保证。显而易见，要采用放顶煤综采，其中重要的一项工作是正确选择放顶煤液压支架的架型。现阶段我国已在急倾斜特厚煤层、缓倾斜中硬厚煤层（f3.5）、“三软”厚煤层、倾斜厚煤层（倾角2035）有了一些放顶煤综采成功的实例，对于合理选择放顶煤液压支架提供了宝贵经验。1. 对
10、缓倾斜中硬煤层放顶煤液压支架安全性和适应性的要求缓倾斜条件下的放顶煤工作面约占综放工作面总数的70以上，而且地质条件差别大，所以架型选择余地大。选型时一般根据以下原则： （1）必须保证放煤效果。能否把煤放下、放好，是缓倾斜中硬厚煤层开采最突出的问题，也是放顶煤液压支架选型的关键。保证放煤效果，首先是选择放煤的形式，低位放顶煤支架的放煤口是连续的，而且放煤口面积大，有利于大块煤放出，无脊背损失，适用于缓倾斜综放工作面。 （2）保证放落煤的运输空间。双输送机放顶煤液压支架要有足够的后部运输空间，这对缓倾斜中硬煤层长壁放顶煤尤为重要。放煤过程中难免出现大块煤和矸石，如果处理的不好，可能堵塞运输通道，
11、损坏设备。同时，空间太小，也影响设备维修，人员通行和安全。2对倾斜厚煤层放顶煤液压支架安全性和适应性的要求（1）倾斜厚煤层放顶煤液压支架的技术关键在于提高其稳定和抗扭性能，提高掩护梁的抗扭能力，保证在大倾角下支架能正常工作。（2）支架各部的密闭性要好，尤其是顶梁端部，防止漏煤、冒顶，切实保证顶梁的接顶性，避免倒架。（3）加大支架初撑力，有利于防止顶煤和上覆岩层过早离层，从而防止顶煤垮落切顶线前移，提高支架的支护性能。（4）提高支架防倒、防滑性能。3对“三软”厚煤层放顶煤液压支架安全性和适应性的要求（1）在缓倾斜“三软”条件下，因为顶梁上方是已破碎的顶煤，断裂线前倾已深入到煤壁上方，顶梁太短，冒
12、空区可能达到煤壁附近的上方。因此，高位放顶煤支架不适于“三软”煤层的放顶煤开采，低位放顶煤支架式较理想的架型。（2）为了防止架前冒顶，要求顶梁（或前梁）端部承载能力大，并且要把支架控顶的全长范围最大限度的严密封闭起来，有效控制漏顶。除了顶梁外，应注意掩护梁和尾梁的密封性能。（3）在保证对底板合理比压的前提下，适当加大初撑力，有利于端面顶煤的维护。4对急倾斜特厚煤层放顶煤液压支架安全性和适应性的要求 急倾斜特厚煤层放顶煤综采工艺，是指煤层倾角大于45、煤层厚度大于20m的条件下，把煤层沿水平分成612m的分段，使用以液压支架为主体的综采设备开采的放顶煤采煤法。由于急倾斜特厚煤层矿压小、工作面短，
13、因此，选择的支架应具有工作阻力小、体积小、重量轻、推进速度快等优点。低位放顶煤液压支架比较适合急倾斜特厚煤层综放工作面。1.2.3低位放顶煤液压支架的特点及适应性分析1.低位放顶煤液压支架的特点低位放顶煤支架是一种双输送机运煤，在掩护梁后部铰接一个带有插板的尾梁、低位放煤的支撑掩护式支架。这类支架有一个可以上下摆动的尾梁（摆动幅度在45左右）用以松动顶煤，并维持一个落煤空间。尾梁中间有一个液压控制的放煤插板，用以放煤和破碎大块顶煤，具有连续的放煤口。其主要特点如下：(1)由于具有连续的放煤口，放煤效果好，没有脊背煤损失，回收率高；(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
14、撑和在掩护梁上方的垮落，使顶煤破碎较为充分，对放煤极为有利；(3)后输送机沿底板布置，浮煤容易排出，移架轻快，同时尾梁插板可以切断大块煤，使放煤口不易堵塞；(4)低位放煤使煤尘减少；(5)前四连杆低位放顶煤液压支架的抗扭及抗偏载能力差，支架的稳定性较差；(6)尾梁摆动力和向上的摆角较小，破煤和松动顶煤的能力差。这类支架的原始形式是前四连杆式，在矿压较小的急斜水平分段开采时比较适应，为使这种支架在缓斜长壁工作面发挥其优势，几年来作了如下的探索：(1)把四连杆的上连接位置由顶梁上改在掩护梁上，使支架底部和上部的连接位置更接近扭转力矩的作用点，增加了支架强度，减少了支架的损坏，形成了目前在缓斜工作面大量使用的后四连杆式低位放顶煤液压支架；(2)大幅度加强前四连杆本身以及它与顶梁、底座的联接强度，这种作法增加了支架的重量，有的重达20t以上，但设计时容易实现加大后部运输空间和增加破煤能力；(3)增大后部空间和尾梁向上摆动的力，使其在较硬煤层中使用时也可让顶煤顺利放落和运出，如ZFPS5200/17/32型支架尾梁端
