放顶煤液压支架选型及参数选择研究.ppt

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）& cumtb,1.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11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： 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。 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20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： 与单体液压支架和滑移支架相比，悬移支架稳定性好； 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； 它适用于在厚度变化大、埋藏不稳定的煤层中一次采全高； 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； 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；, 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； 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； 适应性强，允许工作面倾角在045之间，在采取换柱和放顶煤措施后，允许煤层厚度在110m范围内变化； 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； 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25m32m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1.6m2.4m，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810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1.6m2.4m，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38m，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17 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 四柱反四连杆中位放顶煤过渡支架 四柱式反四连杆低位放顶煤过渡支架 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阻力及移架力时应充分考虑尾梁附加外载的影响。,2）过渡支架应留有宽度不小于500mm的人行道空间，同时支架后部也要留有足够的前、后输送机头（尾）安装及工作空间，并保证足够的过煤高度，水平方向极限位置最小安全空间应大于50mm，支架在工作高度时，垂直方向安全间隙应大于电机直径。 3）一般过渡支架顶梁长度均比基本架长，但设计中要尽量压缩顶梁长度，以减少控顶面积提高支护强度。,4）一般过渡支架的调高范围要比基本架大一些，最大高度可依据巷道、端头支架、工作面支架的高度确定。由于输送机过渡段设备升高，一般放顶煤过渡支架最大高度应大于工作面支架高度，端头支架高度，并能与工作面支架平稳过渡。放顶煤过渡支架最小高度的确定原则与工作面支架相同，以能方便运输为准。,5）过渡支架推移机构要求工作可靠，同时推移力应足够大，这是因为一般放顶煤过渡支架架体都大于工作面支架，底座前端比压也比工作面支架要大，移架时阻力较大，需较大移架力。另外，输送机机头（尾）的重量也较大，需较大推（拉）溜力。一般应采用正推式推移机构，移架力应大于3倍的支架重量，推溜力应大于1.5倍的移架力。拉后溜力也应大于中部架拉后溜力。,6）过渡支架必须设置活动侧护板，侧护板的宽度应以防止支架在最高位置时的侧向窜矸为主。 7）过渡支架一般应配置有防倒、防滑装置；可靠的放煤机构（由于设备配套和工艺要求不放煤时，也可不设放煤机构）；伸缩前探梁机构，由于过渡支架一般采用滞后支护的方式，为缩小梁端空顶面积，必须配置伸缩前探梁。,8）应根据工作面支架结构型式、工作阻力、调高范围、顶煤破碎程度及压力大小等条件选择放顶煤过渡支架架型。通常为便于设备配套及生产管理，放顶煤过渡支架架型及放煤机构应尽量与工作面支架架型及放煤机构相类似。,图1-9 反四连杆辅助支撑天窗式放顶煤过渡支架,图1-10 四柱、反四连杆带托梁中位放顶煤过渡支架 1顶梁；2掩护梁；3后梁；4底托梁；5底座,图1-11 四柱式反四连杆低位放顶煤过渡支架,图1-12 四柱式单摆杆低位放顶煤过渡支架,图1-13 四柱单摆杆中位放顶煤过渡支架,1.2.5 端头液压支架 液压端头支架的种类很多，根据支架相对于巷道中心线的位置可分中置与偏置两种，偏置可以更好地利用巷道下帮断面。端头支架大都是两架一组，根据配套情况，有与一般掩护式。支撑掩护式配套的；有与大采高。放顶煤液压支架配套的，也有为大倾角工作面配套的。此外，除正式研制生产的端头支架外，还有各局矿在工作面支架的基础上改制的端头支架，也有简易的滑移支架，提腿式滑移支架，提腿式组合端头支架。根据使用地点还有下端头、上端头之分。,1.2.5.1 一般综采工作面端头液压支架,支撑掩护式端头支架 图1-14 D1ZY35型端头支架 1底座；2前连杆；3后连杆；4掩护梁；5掩护梁侧护板；6顶梁侧护板； 7顶梁；8侧推千斤顶；9锚固千斤顶；10前探梁；11调架千斤顶；12前拖座； 13推拉千斤顶；14操纵阀；15立柱；16滑移座；17推机千斤顶,图115 PDZ型端头支架 1挡块；2锚固座；3推拉千斤顶；4工作面输送机；5转载机； 6滑移座；7基本架；8工作面支架；9过渡架；10采煤机滚筒,1.2.5.2 放顶煤开采端头支架,目前使用的放顶煤端头液压支架一般为两架一组，一架主架，一架辅架。也有使用三架一组的放顶煤端头支架，中间支架为主架，容纳机巷转载机，两侧为副架，支架宽度较大，只能适用在大断面和大跨度顺槽的工作面端头。 放顶煤端头支架的稳定结构一般多用四连杆机构并辅以单摆杆和二连杆等机构。四连杆机构一般设置在支架后方，采用反四连杆时常设在支架中部。这种结构调高范围大，抗扭与抗水平推力的能力强。为使结构简单并减轻重量，在端头支架中部和前端可采用单摆杆或二连杆机构。,放顶煤开采端头支架,放顶煤端头支架的顶梁和底座都较长，而且一般铰点较多。因此，需要设置多组调架机构，以防支架的歪斜与倾倒，一般在顶梁上设置2-3组调架机构，底座上设置12组调架机构，就可以满足调架的需要了。 放顶煤端头支架能否放煤是衡量支架性能的重要指标之一。目前国内所使用的端头支架放煤机构多采用摆动尾梁插板式结构，这种结构具有操作简单，回采率高等优点，是目前较为理想的放煤机构。,放顶煤开采端头支架,图1-17 ZT1F8900-20/30型放顶煤端头支架,图1-18 ZFT8100/20/28型偏置式放顶煤端头支架,图1-19 ZFT19200/19/30S型中置式放顶煤端头支架,2 .支架与围岩关系及支架工作阻力的确定,维护顶板的原则涉及到支架与围岩的相互作用。事实证明，顶板压力随着围岩活动是一个动态过程，而且其作用点的位置将与顶板（主要是直接顶）的完整性有关，而支架的反作用力又与支架结构及其特性有关，这两者并不一定吻合，从而导致了各种支架与围岩的相互作用。 采场支架与围岩的相互作用，涉及到支架性能、工作状况以及采场上覆岩层（主要是直接顶与老顶）活动规律对支架的影响。,2.1 支架与围岩的关系 2.1.1 工作面上覆岩层运动对支架围岩关系的影响 2.1.1.1 直接顶 直接顶是回采工作空间直接维护的对象，其稳定性将直接影响回采工作的安全及工作面生产能力发挥，而且直接影响支护方式的选择，对于液压支架则直接影响架型的选择。 直接顶的稳定性取决于直接顶本身的力学特性及老顶运动对它的影响，同时也受支架架型及力学性质的影响。岩层本身的力学性质是指它的岩块强度以及层理和裂隙的切割情况。,当老顶破断后，随着回采工作面推进，破断岩块均发生回转运动，这种运动将迫使直接顶变形及破断， 在一般情况下可得出以下结论： 1）老顶在煤壁前方断裂并开始回转，它将导致直接顶上部产生多条纵向裂隙，从而形成拉断区； 2）随着工作面推进，老顶岩块的回转角继续加大，此时将在机道上方顶板形成塑性变形区，而且随老顶回转角加大而扩大，同时有可能在该处出现不同程度的冒顶现象； 3）最危险的是拉断区与塑性变形区形成贯通的情况，此时可能导致贯穿式的端面顶板冒落； 4）端面上方顶板有可能形成平衡拱，支架的力学性能可能促成平衡拱的形成。 由此，可根据老顶及直接顶的条件以及开采后形成拉断区与塑性变形区的相互关系将直接顶划分为易控顶板、较难控顶板及难控顶板三种类型。,2.1.2 工作面顶板下沉量的估算,在工作面安设观测顶板下沉量的基点，即可测到顶板下沉量（S）与时间（t）的关系曲线，落煤与放顶引起的顶板下沉量最为剧烈。 若在观测时，于靠近煤壁一侧及采空区一侧各设一观测站，则可测得放顶和采煤时的顶板下沉速度。 一般情况下，靠近煤壁的顶板变形速度远小于采空区的变形速度。,这样可将顶板下沉量公式简化为： 由此可见，回采工作面的顶板下沉量与采高及控顶距的大小成正比关系。 鉴于一个工作面沿推进方向岩性及条件的变化，因此值并不是一个确定值，而是一个范围，对选择支护方式来说也是如此。,图22上覆岩层结构与工作空间顶板下沉关系图,从我国实际测定的50个工作面的统计可得，在距煤壁4m处的下沉量一般相当于采高的1020，即下沉系数0.0250.05。 用同样原理可以推得采用充填或局部充填处理采空区时，回采工作面顶板下沉量要比采用垮落法为小，根据实际统计，控顶距4m处的顶板下沉量仅是采高的45，即0.01左右。对急斜煤层开采时下沉值也同样减小。,2.2 支架工作阻力的确定,2.2.1 一般综采工作面顶板压力的估算 顶板压力的大小是确定工作面支架工作阻力的主要依据，因此，在确定支架工作阻力前，必须估算工作面顶板的压力。顶板压力主要来自直接顶与老顶，现将有关估算方法介绍如下： 经验估算法 顶板结构的平衡关系估算 威尔逊估算法 实测法,2.2.1.1 经验估算法 1）直接顶载荷Q1 式中 直接顶厚度，m； L控顶及悬顶距，m； Y容重， 。 若取悬顶距为零则其载荷集度,2）老顶载荷Q2 采用以直接顶载荷的倍数估算老顶的载荷。例如，在多数矿井的测定中，以一般工作面为准，周期来压时形成的载荷超不过平时的2倍。若以平时载荷视为 由直接顶荷重所引起，则可得以下关系。 式中：n老顶来压和平时来压的比值，称增压系数，根据我国大部分矿区单体支柱工作面测定n1.6占83.3。 顶板压力相当于采高的48倍岩柱的重量。 日本5，俄罗斯6，德国12，美国16，印度5,图23老顶周期来压的力学模型,图24估算顶板压力的力学模型,2.2.1.2顶板结构的平衡关系估算 此种估算法认为直接顶的载荷应由支架全部承受，而老顶岩层由于能形成结构，因此支架所承受的载荷仅是由于老顶岩层结构失稳时所形成。失稳的方式有两种，其一为滑落失稳，其二为变形失稳。,1）从老顶结构的滑落失稳估算顶板压力 老顶岩块间在工作面上方的滑落失稳（即顶板的台阶下沉）是必须避免的。为此，对于老顶所需的平衡力，事实上即是作用于支架上的力： 式中Q(A+B)岩块A与B的重量及其载荷，KN; L相当于B岩块（悬露的岩块）的长度，m； h老顶岩层厚度，m； SB岩块的下沉量，m； 、 岩块的破断角与内摩擦角，（）。,2）由老顶破断岩块结构的变形失稳估算顶板压力。 为了限制顶板下沉量所作用于支架上的顶板压力为： 实测所得回采工作面顶板下沉量，m； 要求控制的回采工作面顶板下沉量，m； 顶板下沉量为 时，老顶在控顶距范围内的作用压力（ ）, -为控顶距,2.2.1.3 威尔逊估算法 英国学者威尔逊（Wilson）在估算顶板压力时只考虑直接顶的形状与载荷，鉴于载荷作用力的位置与支架可能形成的最大反力的作用位置不一定一致，从而引起由于支架与围岩相互平衡而产生的附加力的概念。 直接顶的形状由垮落角决定，因为直接顶形状不同，顶板压力Q1的作用点也就发生变化，如a作用于前方，而b则作用于后方。整个支架可视为一反作用力P。这样P 与Q1位置上的差异而形成了附加力Q3。其关系为：,2.2.1.3 威尔逊估算法 由于垮落角的不同，将导致Q3作用位置的不同。因而，威尔逊将直接顶分为以下几类： 顶板较破碎 a=900 破碎顶板 a=750 中等稳定顶板 a=600 稳定顶板 a=450 坚硬顶板 a=300 这种计算法，实际上已考虑了“支架围岩”相互作用导致顶板的作用力。显然，它将随支架架型（即P力的作用位置）及顶板完整状态而变化。因此，Q3是一个不定值。此法对决定支架工作阻力较为实用。,2.2.1.4 实测法 即测定工作面支架上实际承受的载荷。从一定意义上所测得的载荷应是前述的的结果，一方面反映了顶板压力的作用，同时又反映了支架性能及支架与围岩相互接触状态。因此，实测可能获得结果如下： 1）测定的载荷不可能超过支架的额定工作阻力； 2）在顶板比较完整时，一般支架均有可能达到设计额定载荷（主要由于老顶回转变形所致）； 3）当顶板比较破碎时，由于支架接顶不好，即使顶板压力比较大也难于在支架上得到反映。 因此，在使用实际测定的载荷时必须记录当时的顶板状态，只有在顶板状态良好时该数据才有参考价值。,岩石自重法 动载系数法 载荷折算法 老顶来压步距法 支架工作特性法 实测统计法,2.2.2 一般支架工作阻力的确定 方法,2.2.3 放顶煤综采工作面顶板压力的估算,拱拱组合结构 拱拱砌体梁组合结构 拱传递梁组合结构 台阶式悬臂梁砌体梁组合结构 台阶式悬臂悬臂组合结构,根据前述放顶煤开采矿压特点及十多年来的实践经验，我国放顶煤工作面时间支架载荷一般都不大于开采单一煤层的支架载荷。因此，放顶煤开采支架工作阻力的确定应与放顶煤开采的实践和理论相结合，求出合理的支架工作阻力。 在有关支架与围岩关系的论述中，对放顶煤工作面的载荷计算提出了一些具体方法和公式，为工作面支架阻力的正确选取提供了理论依据。,2.2.4. 放顶煤开采支架的工作阻力确定,放顶煤支架工作阻力的确定 1). 利用煤岩组合特征估算法 拱-拱组合结构 拱-拱砌体梁组合结构,拱传递梁组合结构 台阶式悬臂-砌体梁组合结构 台阶式悬臂-悬梁组合结构,: 支架通过顶煤,直接顶对基本顶破断时施加的力 l : 控顶距 :悬梁自身单位长度重力 L: 周期来压步距 : 预处理的下位顶板厚度 : 岩体抗拉强度,2). 动载系数法 :动载系数 : 来压时支架时间加权平均工作阻力 :支架时间加权平均工作阻力 :安全系数,取 1.2,3). 实测统计法 :实测统计平均差,400600KN/架,4 ) . 放顶煤支架载荷特征 支架初撑力小(额定值的51%) 支架工作阻力小(额定值的55.3%) 支架载荷平均相当于1.87倍采高覆岩的重量 支架前柱工作阻力大于后柱(1.16倍) 支架动载系数小(平均为1.29) 降阻运行特征占12.5%,3.工作面液压支架选型,综采工作面的设备选型是很重要很复杂的工作，其中液压支架受矿山地质条件的影响最大。因此，在设备选型中，液压支架架型及其主要参数的选择，必须与矿山地质条件相适应。 液压支架选型不仅包括支架的架型及额定工作阻力，支护强度等参数，而且涉及顶梁、护帮、底座、侧推及阀组等主要部件的选型及其参数的决定。,3.1 支架各部件的结构与选择 支架的立柱与伸缩比 支架的顶梁与控顶距和覆盖率 支架的底座及类型 支架的掩护梁及护帮装置 支架的推移装置 支架的防倒防滑装置 支架控制系统,支架的立柱与伸缩比,一般采用能升降活柱的双作用立柱，分单伸缩、双伸缩两种，可根据要求的伸缩量占立柱总长之比来选用，其伸缩调高方式又分液压式及机械式。对立柱的要求主要为： （1）立柱的伸缩量要符合全部采高变化范围及卸载降柱量的需要。在采高约1m时应使用双作用双伸缩立柱，其伸缩范围为0.751.45m。在层厚1.23m时一般用单伸缩立柱； （2）立柱的轴向载荷达到1.5倍额定载荷时及偏载（偏心2cm）达到2/3额定载荷时应具有侧向弯曲的稳定性。立柱的锁紧环应能承受1.5倍正常载荷； （3）立柱应在乳化液为1.5倍正常压力时保持良好密封，在井下条件的一次使用期不少于2a； （4）立柱应能抗腐蚀及煤、岩抛砸时免受机械损伤； （5）立柱上下球面应能满足调角需要，一般纵向为230，横向为180，立柱与顶梁及底座的联结应能承受冲击及根据特殊要求承受一定的拉伸载荷； （6）立柱的液压通路联接应简易，要能迫降。,支架的立柱与伸缩比,支架伸缩比（K）是支架最大结构高度HZmax与最小结构高度HZmin的比值。伸缩比越大，支架对煤层厚度变化的适应能力也就越大。单伸缩立柱的支架，K不小于1.6；若K 大于1.6，需加长段或采用双伸缩立柱。通常，薄煤层支架的K值为2.53.0；中厚煤层支架K不小于1.41.6，掩护式支架K值大，可达3.0，支撑掩护式支架可达2.02.5。,支架的顶梁与控顶距和覆盖率,液压支架的顶梁又分为前、后梁的铰接梁及整体顶梁两种。为有效地支护端面顶板而设置有前探梁，伸缩梁及折叠梁多种辅助顶梁。,一般对顶梁的要求为： （1）顶梁宽度应满足护顶要求，顶梁的间隙不应大于1020cm，掩护式及支撑掩护式支架的主梁应有在任何状态下均能主动掩盖间隙，防止漏矸的侧护板； （2）梁的前端应为圆弧形，以便铺金属网及当顶板稍有不平时也能擦顶前移； （3）梁前端可做成弹性上挠或有主动支撑的前探梁，以改善端部接顶状况； （4）合力点前后顶梁长度比大致为2：1，悬梁长不应大于1.8m； （5）顶梁受载达1.1倍额定载荷，并在最不利的分布情况下，仍能保持其应有的抗弯能力； （6）顶梁上应设有挂孔或吊勾以备使用。,支架的顶梁与控顶距和覆盖率,顶梁及侧护板的结构类型有如下几种： （1）刚性顶梁（图a）。这种顶梁结构简单，重量较轻，造价低，但对顶板不平性的适应能力差，接顶不够理想。刚性顶梁多用于顶板比较平整，或轻型支架和薄煤层上。 （2）铰接式顶梁（图b）。前梁在前梁千斤顶作用下可绕销轴向上和向下各摆动大约20o左右。这种顶梁的接顶性好，也加大了靠近煤壁顶板的支撑能力。前梁千斤顶的承载回路上多用较大流量安全阀，以提高支架初撑时的梁端支撑能力。 （3）伸缩铰接顶梁（图c）。它是在铰接顶梁的前梁上又套上（或插入）一个可伸缩的梁，其行程为采煤机的截深。这种顶梁除具有铰接顶梁的优点外，对于煤壁片帮而暴露出的顶板可超前支护。前梁或刚性顶梁的前端，往往做成圆弧形，其作用是当铺顶网时不致将网撕破,侧护板: 掩护式和支撑掩护式支架的主梁、掩护梁两侧都有侧护板，图中a、b两种应用广泛，但a种在支架撑紧时不能伸缩。c种仅一侧活动，另一侧为固定（a、b两种也有），当煤层倾角很小时，用这种形式可以简化结构、减轻重量、降低造价。c图右侧活动侧护板为折页式结构，其优点是侧护板受力比a、b两种好，不会因变形而卡死，其缺点是三角区的碎矸石极易掉入工作空间。,支架的顶梁与控顶距和覆盖率,支架的控顶距为顶梁长度与梁端距之和。支架覆盖率是支架顶梁面积与控顶面积之比值，覆盖率应满足顶板要求：不稳定顶板不小于8595%；中等稳定顶板不小于7585；稳定顶板不小于6070。,支架的底座及类型 为防止支柱压入底板及适应底板的不平程度，液压支架的底座有：底鞋、分底座、门形底座、整体刚性底座等多种类型。一般对底座的要求为： （1）底座前端对底板造成的载荷集度一般不大于0.4MPa，在压入底板极限深度达20cm时能予抬起，且移架时不发生压入底板现象，必要时可采用插底式底座； （2）当底板不平达30cm高时，底座不应有残余变形，在超载为1.1倍正常载荷且分布最为不利时，刚性底座仍具有规定抗弯能力； （3）架间有不小于30cm30cm的通向采空区的出矸口； （4）移架缸的推力一般不应小于70KN，拉力达200300KN，不受横向载荷，移架缸的偏移量，一般向上25cm，向下15cm，在水平方向可不垂直于输送机而倾斜13o； （5）移架千斤顶能将输送机推至距煤壁达5cm，目前移架距可达100cm； （6）底座高度不大且无尖角，便于行人，并装有吊环。,支架的底座及类型,支架底座一般分为如下两种类型： 1）整体底座。支撑立柱的两半个底座在底面、后面等处被焊接在一起，形成了一个整体的刚性结构。其优点是掉入推移机构槽子里的浮煤碎矸不易清理，影响推移机构的伸缩，另外，当底座陷入底板时不能自拔。 2）分离底座。底座的两半个底箱在前部的上面通过一根横梁，将它们铰接起来，支架的后连杆必须是分体的。其优点是对底板起伏的适应性强，改善了底座、连杆的受力状况，便于排矸，当底座陷入底板后，可一柱支撑，另一柱提起而将一半底座从底板中拉出。,支架的掩护梁及护帮装置 掩护梁与底座的连接方式一般有单铰及双铰（即四连杆连接）。对掩护梁的一般要求为： （1）当顶板有凹凸不平时，掩护梁应能承受扭力； （2）架间应有相互可伸缩的侧护板以遮盖架间间隙，侧护板的边沿应为直角，侧护板的宽度应比伸缩量大10cm； （3）可伸缩侧护板应装有双作用的液压千斤顶； （4）掩护梁与支柱的连接应能承受相应于支柱迫降力的拉伸力，以利于拆卸； （5）掩护梁应使大块矸石能在上面滑动。,支架的掩护梁及护帮装置,根据煤层软硬程度，采高超过2.52.8m时，应选用带护帮装置的支架，避免煤壁垮落伤人和损坏设备。护帮装置如图所示。图中a、b只能护帮，而图c的挑梁在千斤顶作用下，不但可以护帮，而且还可以超前支护因片帮而暴露出的顶板，作为伸缩梁使用，但同时只能起一个作用。,支架的推移装置,支架的推移装置,推移装置的作用是移架和推溜。一般有如下四种： 1）普通结构的推移装置（图a）。推移千斤顶的活塞杆和缸体分别与输送机和支架底座（D）相铰接。总是推溜力大，移架力小。目前应用不多。 2）长框架式推移装置（图b）。千斤顶的活塞杆与支架底座前端铰接，缸体与长框架K铰接，框架的另一端与输送机铰接。总是移架力大，推溜力小。这种推移装置既可用于整体底座，也可用于分离底座。其缺点是框架易弯曲。这种装置的千斤顶斜置，移架时的向上分力可将支架底座前端抬起，有利于越过台阶或凹坑。 3）短框架式推移装置（图c）。其原理和优点与长框架式相同。但因它框架较短，改善了框架的受力，不易发生弯曲。 4）浮动活塞式推移装置（图d）。这种推移装置结构简单，又能满足要求，目前应用最多。推移千斤顶的活塞杆与活塞轴向不固定，推溜时缸的后腔进压力液，先将活塞推到缸口，然后活塞杆才移动推溜；移架时缸的前腔进压力液，缸的环形面积受液压力而移架。这种推移装置只能用于整体底座支架。另外，缸的径向尺寸大，利用率低；缸的轴向尺寸也较大。,支架的推移装置,推移装置的推溜力一般为100150KN。移架力与架型、重量、顶板性质、采高等有关，一般: 薄煤层支架为100150KN， 中厚煤层支架为150300KN， 厚煤层支架为300400KN,支架的防倒防滑装置,支撑式支架在煤层倾角大于10o，掩护式和支撑掩护式支架在倾角大于15o时，应有防滑装置；当煤层倾角大于18o时，支架应同时具有防滑和防倒装置。,支架的防倒防滑装置,1）排头支架防滑防倒。工作面下端三架支架组成排头支架，只要排头支架不滑不倒，工作面其余支架就不会下滑和倾倒。最下端第一架的下侧安装有防滑千斤顶3，其活塞杆端连接的链条绕过支架后部与第三架底座后部相连。排头支架底座前部用调架千斤顶4将相邻底座拉住，并可调节架距。它们的上部用防倒千斤顶5互相拉住。这样，三架支架就组成了一个整体。 2）工作面其它支架的防滑防倒。当煤层倾角大于25到35时，或当支架支撑高度大、吨位重时，在支架底座后部装有防滑千斤顶A。当上架支架下滑时，其活塞杆伸出，配合侧护板伸缩千斤顶将上架支架往上推。该千斤顶平时全部收缩，不允许移架时调架，以免因过大的横向力而损坏千斤顶。其他支架的底座和顶梁也用千斤顶互相拉住（隔几架设一个）。支架的防倒还可以采用链条和千斤顶，将下面支架的顶梁与第三架的底座拉住，结构简单。,输送机防滑,当煤层倾角在8以上时，输送机应设防滑装置，一条由千斤顶和链条组成的装置，其一端与底座连接，另一端与溜槽相连。每四架构成一组。一般在815时，全工作面设10组；倾角大于15时，设10组以上。,支架控制系统 目前液压支架的控制系统有两种： 1）手动控制。有本架控制、单向邻架控制和双向邻架控制三种。本架控制，操作者在本架上操作本架，这种系统管路少，应用多。单向邻架控制，操作者在上架上操作相邻的下一架支架的各个动作，其优点是安全，操作速度块，缺点是管路较多。双向邻架控制，操作者站在某架可以操纵相邻的上架和下架的各个动作，双向邻架控制虽然管路多，复杂，但采用多芯软管后，管路显得并不杂乱，但采用这种系统的支架成本高。,支架控制系统,2）自动控制。自动控制是给出信号后，使每台支架或每一组支架（一般为15架）或全工作面支架自动依次动作。早期的全液压自动控制系统太复杂，不便于操作和维修。近几年，国内外主要研究电液自动控制系统。电液自动控制系统有单台支架动作循环的邻架自动控制、成组（1015架）顺序自动控制系统和全工作面顺序自动控制系统，由设在顺槽的集中控制台自动控制。每台支架的各个动作都可以从邻架电液控制，以便在自动系统发生故障时逐架逐个动作进行处理。 支架采用这种控制系统后可使其更好地与采煤机配合，减少支架滞后问题；以压力为信号的控制系统可保证额定初撑力，改善顶板管理，电液控制系统是今后的发展方向。但是这种系统复杂，制造和维护费用高。,放顶煤支架结构的性能与特点 一.顶梁、伸缩梁、侧护板 1）顶梁型式。液压支架的顶梁主要有两种型式，一种是铰接顶梁；一种是整体顶梁。我国使用的液压支架大部分是铰接顶梁。而放顶煤液压支架大部分是整体顶梁。 整体顶梁结构简单，总重量轻，可实现带压移架或擦顶移架，梁端支撑力较大，控制无立柱空间顶板的能力强。特别是整体顶梁可将顶梁侧护板一直延伸至顶梁前端，有利于全封闭顶板，也明显地减少架间漏煤和煤尘。但是，整体顶梁长度较大，运输时往往需要摘去顶梁，增加了运输和搬家的复杂性。为便于运输，即使是摘去顶梁运输，顶梁长度也不宜超过3.6m。,2）前探梁。为防止架前冒顶或片帮，液压支架顶梁的前端往往装置有伸缩前探梁，前探梁一般分为两大类：伸缩梁式和挑梁式，如图所示。,3）侧护板。 用于防止架间漏矸或漏煤，在破碎顶板条件下是液压支架能否发挥作用的关键技术，也是减少移架产生粉尘的重要条件。放顶煤工作面的下位顶板（煤）一般都很破碎，稳定性差的顶板尤其严重。因此，侧护板应能将架间全封闭，这是放顶煤支架能否在中硬以下煤层成功应用的一个最重要的因素。在不用伸缩梁时，大多数铰接顶梁不能在铰接前梁侧加装侧护板。因此，在松软煤层使用放顶煤支架时，必须选用整体顶梁带长侧护板的支架，侧护板伸至顶梁前端，实现全封闭。,二放煤机构 放煤机构的功能为：一是控制破碎冒落后的松散煤由放煤口放出的过程，即控制开、闭及放煤速度；二是将冒落后不能顺利通过放煤口的大块煤进行二次粉碎；三是破坏在放煤过程中松散煤可能出现的成拱现象，使放煤顺利进行。 根据放煤口位置不同，放煤机构可以分成三类：低位放煤机构；中位放煤机构；高位放煤机构。,图为摆动式放煤机构，尾梁由1根或2根斜撑千斤顶控制摆动，力臂大尾梁破碎大块煤的能力强，再加上低位放煤连续放煤口允许通过块度较大的煤，这种型式对强度较大的顶煤也有较好的适应性。但斜撑千斤顶压缩了后部输送机的过煤空间，使过煤通道和清理浮煤都受到限制。,2）中位放煤天窗机构 中位放煤机构是指双输送机放顶煤支架掩护梁，主要包括二次破碎及破坏成拱机构及放煤口机构。,3）高位放煤天窗机构 高位放煤天窗用于单输送机放顶煤支架，掩护梁开天窗。由靠近煤壁的刮板输送机运出，因而放煤口位置较高。ZFD360024/28型支架放煤簸箕后部铰接点高于底板1800mm以上。放煤簸箕由两根或一根斜撑千斤顶控制。为防止放煤时，散煤向两旁溅落，掩护梁放煤两侧有挡煤板，放煤簸箕两侧也有挡煤板。如图所示，放煤簸箕两侧挡煤板还可作为挤压破碎大块煤的二次破碎装置。尾梁放煤簸箕打开时松散顶煤顺利流出，坡度一般 应大于3235，簸箕不宜太长，因此架型选择为短托梁插腿掩护式，输送机的装载高度相应也较高。,放煤簸箕,3.2 液压支架的选型方法,3.2.1 工作面液压支架的选型原则 煤层厚度 煤层倾角 底板强度 瓦斯含量 地质构造 设备成本,1）煤层厚度 根据我国煤层赋存的特点，厚度超过2.5m、顶板有侧向推力或水平推力时，应选用抗扭能力强的支架，一般不宜用支撑式支架。根据煤层的不同硬度，厚度达到2.52.8m以上时，需要选择带有护帮装置的掩护式和支撑掩护式支架。煤层厚度变化大时，应选择调高范围较大的掩护式或双伸缩支柱的支架。 2）煤层倾角 倾角在1015（支撑式支架取下限，掩护式和支撑掩护式支架取上限）以上时，应选择自带防滑装置的支架。倾角在18以上时，应同时带防滑防倒装置,3）底板强度 应使支架对底板的载荷集度不超过底板的允许抗压入强度。在底板较软的条件下，选用前应作底板比压测定和验算。 4）瓦斯含量 对瓦斯涌出量大的工作面，应符合煤矿安全规程的要求，优先选用通风断面较大的支撑式和掩护式支架。 5）地质构造 断层十分发育，煤层厚度变化很大，顶板的允许暴露面积和时间在58m2、20mi n 以下时，暂不宜使用综采。,6）设备成本 在同时选用几种架型时，应优先选用价格便宜的支架,3.2.2 工作面液压支架的选型顺序 1）根据顶板岩石力学性质、厚度及岩层结构及弱面发育程度确定直接顶类型； 2）根据老顶岩石力学特性及矿压显现特征确定老顶级别； 3）根据底板岩性及底板抗压强度及刚度测定结果，确定底板类型； 4）根据矿压实测数据计算额定工作阻力或根据采高，控顶宽度及周期来压步距，估算支架必需的支护强度和每平米支护阻力；,5）根据顶底板类型，级别及采高，初选必须的额定支护强度，初选支架架型； 6）考虑工作面风量，行人断面，煤层倾角，修正架型及参数； 7）考虑采高、煤壁片帮（煤层硬度和节理）的倾向性及顶板端面冒落度，确定顶梁及护帮结构； 8）考虑煤层倾角及工作面推进方向，确定侧推结构及参数；,9）根据底板抗压入强度，确定支架底座结构参数及对架型参数的要求； 10）利用支架参数优化程序（考虑结构受力最小），使支架结构优化。 巷道及运输等有时对选架型有较大影响。其中最主要的是初选额定强度及初选架型。,图314 支架选型顺序,3.2.3 工作面液压支架的选型方法 液压支架选型涉及采面顶板分类，要根据综采工作面的矿压特性选定液压支架支护阻力，并要考虑煤层赋存条件对支架结构的要求。对于高产高效工作面液压支架的选型中液压控制方式和系统的选择尤为关键，因为它决定着工作面推进速度，影响着工作面高产高效。综采工作面矿压特性随不同的采煤方法及顶板类、级而异，因而对支架选型有相应要求。 目前液压支架的选型有两种方法：系统分析比较法及综合评分法。,系统分析比较法,系统分析比较法就是对要选择的多种方案的各个属性、部分、方面、分别研究比较决定的方法。根据矿山地质条件来分析、比较及决定支架各部分的类型及参数。其选型原则为： 1）主要根据直接顶、老顶的厚度、物理性质、层理和裂隙发育情况及类级；结合采高、开采方法等因素确定支架的额定工作阻力、初撑力、几何形状、立柱数量及位置、移架方式、顶板覆盖率。下位顶板的稳定性对液压支架选型尤为重要。例如经分析认为，目前适用最广的架型为两柱支顶式掩护支架及支撑掩护式支架，而前者可适用于老顶级、动压系数为1.21.5，直接顶较稳定，采高小于5m的煤层；后者主要适用于以上老顶，动压系数约1.5以上，直接顶中等稳定以上的煤层；,2）对于“三软”煤层，目前采取的架型有两种两柱掩护支架。一种是短顶梁的支掩式托梁掩护支架，为了缩小控顶距可采用插底式支架；另一途径是选取对顶板全封闭方式的支顶式掩护支架，可采用长侧护板的整体顶梁加伸缩梁，加大立柱的倾斜以增大支架的指向煤壁的水平支撑能力； 3）根据煤厚、变化范围及其规则程度，确定支架最大和最小高度、活柱伸缩段数、加高装置。结合煤层的强度和节理发育程度确定是否采用护帮装置，以及装置的尺寸。煤层厚度小于2.7m时，一般不使用护帮装置； 4）煤层倾角数据主要用于确定支架稳定性，防倒、防滑装置、锚固站及调架装置； 5）底板抗压强度及平整程度用于确定底座类型是整体刚性底座或弹性连接的分体底座；根据底板载荷集度分布确定底座面积以及在软底时采用减少底座端部载荷集度峰值的架型或采用插底式还是设置抬底座装置； 6）依据煤层的瓦斯含量及释放方式确定支架的最小过风断面是否能满足通风要求； 7）全矿井内地质构造情况，特别是断层的落差、影响范围，陷落柱的范围和规律。这一方面应使综采面避开地质构造复杂区域，用于断层落差小于1m，最大不超过煤厚1/2的稳定煤层时影响较小。此外应选对地质构造变化适应能力强的架型。,支架选型原则及要求： （1）1、2类直接