液压支架设计课件

1、液压支架设计液压支架设计第一节第一节 采煤工作面顶板组成及其分类采煤工作面顶板组成及其分类 一、顶板组成一、顶板组成 采场围岩包括煤层上方的直接顶、基本顶和煤层下方采场围岩包括煤层上方的直接顶、基本顶和煤层下方的直接底板。的直接底板。 采场围岩的机械性质和运动特征对工作面支护设备选型采场围岩的机械性质和运动特征对工作面支护设备选型和支护参数选择至关重要。和支护参数选择至关重要。 煤层采动后，因顶板出现变形、断裂和垮落，煤体被压煤层采动后，因顶板出现变形、断裂和垮落，煤体被压松和发生片帮，支护设备的载荷增大和底板鼓起等原因引松和发生片帮，支护设备的载荷增大和底板鼓起等原因引起的矿山压力显现。起的

2、矿山压力显现。 1-煤层煤层2-直接顶直接顶3-基本顶基本顶-冒落带冒落带-裂隙带裂隙带-弯曲下沉带弯曲下沉带第一节第一节 采煤工作面顶板组成及其分类采煤工作面顶板组成及其分类1-煤层煤层2-直接顶直接顶3-基本顶基本顶 从开切眼向前推进，直接顶悬露面积逐渐增大，下沉和从开切眼向前推进，直接顶悬露面积逐渐增大，下沉和变形随之增大。当推进到初次垮落步距变形随之增大。当推进到初次垮落步距(从开切眼到工作从开切眼到工作面初次切顶线的距离面初次切顶线的距离)时，直接顶冒落，形成冒落带时，直接顶冒落，形成冒落带。 直接顶冒落，基本顶悬露。随工作面推进，基本顶在矿直接顶冒落，基本顶悬露。随工作面推进，基本

3、顶在矿压作用下不断产生裂隙和变形，形成裂隙带压作用下不断产生裂隙和变形，形成裂隙带。当达到极。当达到极限垮落步距时发生断裂和垮落限垮落步距时发生断裂和垮落基本顶初次来压。基本顶初次来压。 随工作面推进，基本顶周期垮落。在弯曲下沉带随工作面推进，基本顶周期垮落。在弯曲下沉带，裂，裂隙少，仅岩层间有离层现象，对支护设备载荷影响不大。隙少，仅岩层间有离层现象，对支护设备载荷影响不大。 第一节第一节 采煤工作面顶板组成及其分类采煤工作面顶板组成及其分类 二、顶底板稳定性特征及分类二、顶底板稳定性特征及分类 1直接顶稳定性划分直接顶稳定性划分 直接顶是工作面支架首要的支护对象。对直接顶的稳定直接顶是工作

4、面支架首要的支护对象。对直接顶的稳定性评价，是支架结构和支护参数选择的首要依据。性评价，是支架结构和支护参数选择的首要依据。 影响顶板稳定性的主要因素：影响顶板稳定性的主要因素： (1)组成顶板岩石的坚硬程度和脆性特征。用单轴抗压组成顶板岩石的坚硬程度和脆性特征。用单轴抗压强度表征其坚硬程度，抗拉强度反映其脆性特征。强度表征其坚硬程度，抗拉强度反映其脆性特征。 (2)顶板岩层分层厚度和分层强度沿厚度的分布。涉及顶板岩层分层厚度和分层强度沿厚度的分布。涉及刚度较大的岩层刚度较大的岩层(承载层承载层)和刚度较小的岩层和刚度较小的岩层(随动层随动层)的厚的厚度及相对关系。度及相对关系。 (3)顶板岩

5、体的完整程度。以节理弱面的发育程度来表顶板岩体的完整程度。以节理弱面的发育程度来表征，包括分层厚度和节理特征征，包括分层厚度和节理特征(密度、方向、组数密度、方向、组数)。 3个指标是反映直接顶稳定性的基本要素。从岩层控制个指标是反映直接顶稳定性的基本要素。从岩层控制需要出发，对直接顶的稳定性进行实用性分类。需要出发，对直接顶的稳定性进行实用性分类。第一节第一节 采煤工作面顶板组成及其分类采煤工作面顶板组成及其分类 2基本顶矿压显现分级基本顶矿压显现分级 基本顶基本顶(原称老顶原称老顶)指位于煤层直接顶之上，抗弯刚度较指位于煤层直接顶之上，抗弯刚度较大，较难跨落的岩层或岩层组合，其运动特征对于

6、综采工大，较难跨落的岩层或岩层组合，其运动特征对于综采工作面支架设计和选型意义重大。作面支架设计和选型意义重大。 基本顶断裂对工作面压力显现的影响程度取决于：基本顶断裂对工作面压力显现的影响程度取决于： (1)基本顶初次或周期来压步距基本顶初次或周期来压步距基本顶厚度、抗拉或抗基本顶厚度、抗拉或抗压强度及被裂隙弱化程度的综合反映。压强度及被裂隙弱化程度的综合反映。 (2)直接顶垮落后的充填程度，用直接顶厚度与采高的直接顶垮落后的充填程度，用直接顶厚度与采高的比值表示。比值表示。 (3)采高，在直接顶厚度一定情况下，采高愈大，矿压采高，在直接顶厚度一定情况下，采高愈大，矿压显现愈强烈显现愈强烈

7、。 长壁工作面的开采边界条件，如周围未采、一侧采空、长壁工作面的开采边界条件，如周围未采、一侧采空、两侧采空等因素对围岩应力及基本顶断裂步距有一定的影两侧采空等因素对围岩应力及基本顶断裂步距有一定的影响，特别是当基本顶初次来压步距超过工作面长度响，特别是当基本顶初次来压步距超过工作面长度1/2时，时，影响显著影响显著进行基本顶进行基本顶初次来压步距等效值初次来压步距等效值计算。计算。 第一节第一节 采煤工作面顶板组成及其分类采煤工作面顶板组成及其分类 3采煤工作面底板分类采煤工作面底板分类 对综采工作面围岩控制有重要影响的是直接底板对支架对综采工作面围岩控制有重要影响的是直接底板对支架的抗压入

8、特性。的抗压入特性。 底板抗压入特性分脆性、塑脆性和塑性类型。底板抗压入特性分脆性、塑脆性和塑性类型。 每种类型分增阻型和降阻型两类，共同特点是在支架未每种类型分增阻型和降阻型两类，共同特点是在支架未压入底板前，底板具有线弹性特征，具有不同的抗压缩刚压入底板前，底板具有线弹性特征，具有不同的抗压缩刚度；支架或支柱压入底板后抗压缩刚度显著降低，顶板下度；支架或支柱压入底板后抗压缩刚度显著降低，顶板下沉显著增大。沉显著增大。 第二节第二节 支架架型选择支架架型选择 在液压支架与围岩力学相互作用研究的基础上，综合分在液压支架与围岩力学相互作用研究的基础上，综合分析不同地质条件下支护阻力确定的理论研究

9、成果并分析不析不同地质条件下支护阻力确定的理论研究成果并分析不同支架的结构力学特征，为支架选型提供依据。同支架的结构力学特征，为支架选型提供依据。液压支架选型准则液压支架选型准则液压支架选型必须考虑的地质和采矿条件：液压支架选型必须考虑的地质和采矿条件：直接顶稳定性类型；直接顶稳定性类型；基本顶级别及相应矿压显现参数基本顶级别及相应矿压显现参数(初次和周期来压步初次和周期来压步距，来压时载荷，直接顶厚度距，来压时载荷，直接顶厚度)；底板类别及相应的力学参数底板类别及相应的力学参数(容许载荷强度，抗压缩容许载荷强度，抗压缩刚度刚度)；截高，煤层强度，节理方向，煤层厚度变化等；截高，煤层强度，节理

10、方向，煤层厚度变化等；煤层倾角和工作面推进方向；煤层倾角和工作面推进方向；瓦斯等级和必需的通风断面等。瓦斯等级和必需的通风断面等。 选型顺序：选型顺序： 根据直接顶、基本顶、底板类型初步选定基本架型；根据直接顶、基本顶、底板类型初步选定基本架型； 考虑上述考虑上述诸因素选定具体结构，包括顶梁、底诸因素选定具体结构，包括顶梁、底座、侧护结构等；座、侧护结构等； 根据地质条件和矿压显现参数，计算支架必需的支护根据地质条件和矿压显现参数，计算支架必需的支护强度和相应的额定工作阻力。强度和相应的额定工作阻力。 考虑顶底板含水层条件，验算支架对底板比压或载荷考虑顶底板含水层条件，验算支架对底板比压或载荷

11、强度。强度。 验算通风断面、风流、风速等。如果瓦斯涌出量较大，验算通风断面、风流、风速等。如果瓦斯涌出量较大，避免用插底式支架。避免用插底式支架。第二节第二节 支架架型选择支架架型选择第二节第二节 支架架型选择支架架型选择 根据使用经验，在综采工作面支架选型时，根据使用经验，在综采工作面支架选型时，注意：注意： (1)不稳定和中等稳定顶板优先选用掩护式支架。在底不稳定和中等稳定顶板优先选用掩护式支架。在底板极松软条件下，严格验算并限制支架底座尖端比压，不板极松软条件下，严格验算并限制支架底座尖端比压，不得超过底板容许比压即极限载荷强度得超过底板容许比压即极限载荷强度避免使用重型支架避免使用重型

12、支架 (2)非常稳定和稳定的难垮落顶板和周期来压强烈和十非常稳定和稳定的难垮落顶板和周期来压强烈和十分强烈的顶板，优先考虑选取支撑掩护式支架。分强烈的顶板，优先考虑选取支撑掩护式支架。 (3)顶板不平，四柱式支架中总有一根支柱对顶板的实顶板不平，四柱式支架中总有一根支柱对顶板的实际支撑力很低际支撑力很低掩护式支架支撑能力利用率高于四柱式掩护式支架支撑能力利用率高于四柱式(二二柱式支架对顶板的实际支撑力高于同样名义额定阻力的四柱式支架对顶板的实际支撑力高于同样名义额定阻力的四柱式支架，特别是对机道上方顶板的支护强度柱式支架，特别是对机道上方顶板的支护强度)。 (4)不稳定顶板条件下使用四柱式支架

13、注意对机道上方不稳定顶板条件下使用四柱式支架注意对机道上方的顶板控制，包括增加前柱阻力及可伸缩前梁等。的顶板控制，包括增加前柱阻力及可伸缩前梁等。第三节第三节 支架参数确定支架参数确定 一、支架高度一、支架高度 首先确定支架适用煤层的平均截高，然后确定支架高首先确定支架适用煤层的平均截高，然后确定支架高度。度。 支架最大结构高度支架最大结构高度1maxmaxSMH支架最小结构高度支架最小结构高度 2minminSMH Mmax、Mmin为煤层最大、最小截高，为煤层最大、最小截高，mm； S1考虑伪顶冒落的最大厚度。大采高支架取考虑伪顶冒落的最大厚度。大采高支架取200400 mm，中，中厚煤层

14、支架取厚煤层支架取200300mm，薄煤层支架取，薄煤层支架取100200mm； S2考虑周期来压时的下沉量、移架时支架的下降量和顶梁上、考虑周期来压时的下沉量、移架时支架的下降量和顶梁上、底板下的浮矸之和。大采高支架取底板下的浮矸之和。大采高支架取500900mm，中厚煤层支架取，中厚煤层支架取300400mm，薄煤层支架取，薄煤层支架取150250mm。第三节第三节 支架参数确定支架参数确定 支架调高范围：支架调高范围： 支架的最大结构高度与最小结构高度之差。支架的最大结构高度与最小结构高度之差。 调高范围越大，支架适用范围越广，但过大调高范围给调高范围越大，支架适用范围越广，但过大调高范

15、围给支架结构设计造成困难，可靠性降低。支架结构设计造成困难，可靠性降低。 支架最大结构高度和最小结构高度取值应符合规定。支架最大结构高度和最小结构高度取值应符合规定。 支架伸缩比：支架伸缩比：支架的最大结构高度与最小结构高度之比。支架的最大结构高度与最小结构高度之比。 minmax/ HHKs 二、支护强度和工作阻力二、支护强度和工作阻力 支护强度：支护强度： 支架有效工作阻力与支护面积之比。支架有效工作阻力与支护面积之比。 顶板所需支护强度取决于顶板等级和煤层厚度。制订不顶板所需支护强度取决于顶板等级和煤层厚度。制订不同顶板等级的支护强度标准，支护强度按规定选用或按经同顶板等级的支护强度标准

16、，支护强度按规定选用或按经验公式估算验公式估算MPa105KMqK作用于支架上的顶板岩石厚度系数，一般取作用于支架上的顶板岩石厚度系数，一般取58；M截高，截高，m； 岩石密度，一般取岩石密度，一般取2.5103kg/m3 第三节第三节 支架参数确定支架参数确定第三节第三节 支架参数确定支架参数确定支架支撑顶板的有效工作阻力支架支撑顶板的有效工作阻力 kN103 qFQF支架的支护面积，支架的支护面积，m2 2m)(KBCLF L支架顶梁长度，支架顶梁长度，m；C梁端距，梁端距，m；B支架顶梁宽度，支架顶梁宽度，m；K架间距，架间距，m CLBKA支撑效率支撑效率：有效工作阻力与支架工作阻力之

17、比值。有效工作阻力与支架工作阻力之比值。 支撑式支架支撑效率为支撑式支架支撑效率为100%； 掩护式和支撑掩护式支架顶梁与掩护梁铰接，立柱斜撑，掩护式和支撑掩护式支架顶梁与掩护梁铰接，立柱斜撑，支撑效率小于支撑效率小于1，初选支架时可取，初选支架时可取80%左右。左右。 第三节第三节 支架参数确定支架参数确定 三、中心距和宽度三、中心距和宽度 支架中心距支架中心距一般等于工作面一节溜槽长度。一般等于工作面一节溜槽长度。 液压支架中心距大部分采用液压支架中心距大部分采用1.5m。大采高支架为提高稳。大采高支架为提高稳定性，中心距可采用定性，中心距可采用1.75m，轻型支架为适应中小煤矿工，轻型支

18、架为适应中小煤矿工作面快速搬家的要求，中心距可采用作面快速搬家的要求，中心距可采用1.25m。 第三节第三节 支架参数确定支架参数确定 四、初撑力四、初撑力 初撑力大小对支架的支护性能和成本有很大影响。初撑力大小对支架的支护性能和成本有很大影响。 较大初撑力能使支架较快达到工作阻力，减慢顶板的早较大初撑力能使支架较快达到工作阻力，减慢顶板的早期下沉速度，增加顶板的稳定性。但对乳化液泵站和液压期下沉速度，增加顶板的稳定性。但对乳化液泵站和液压元件的耐压要求提高。元件的耐压要求提高。 一般取初撑力为一般取初撑力为(0.60.8)倍的工作阻力。倍的工作阻力。 五、移架力和推溜力五、移架力和推溜力 移

19、架力与支架结构、质量、煤层厚度、顶板性质等有关移架力与支架结构、质量、煤层厚度、顶板性质等有关 一般薄煤层支架移架力为一般薄煤层支架移架力为100150kN；中厚煤层支架；中厚煤层支架为为150300kN；厚煤层支架为；厚煤层支架为300400kN。 推溜力一般为推溜力一般为100150kN。 六、梁端距和顶梁长度六、梁端距和顶梁长度 梁端距：梁端距： 移架后顶梁端部至煤壁的距离。移架后顶梁端部至煤壁的距离。 梁端距是由于工作面顶板起伏不平造成输送机和采煤机梁端距是由于工作面顶板起伏不平造成输送机和采煤机的倾斜，以及采煤机割煤时垂直分力使摇臂和滚筒向支架的倾斜，以及采煤机割煤时垂直分力使摇臂和

20、滚筒向支架倾斜，为避免割顶梁而留的安全距离。倾斜，为避免割顶梁而留的安全距离。 支架高度越大，梁端距应越大。支架高度越大，梁端距应越大。第三节第三节 支架参数确定支架参数确定 即时支护方式即时支护方式，大采高支架梁端距取，大采高支架梁端距取350480mm，中，中厚煤层支架梁端距取厚煤层支架梁端距取280340mm，薄煤层支架梁端距取，薄煤层支架梁端距取200300mm。 顶梁长度受支架型式、配套采煤机截深顶梁长度受支架型式、配套采煤机截深(滚筒宽度滚筒宽度)、刮、刮板输送机尺寸、配套关系及立柱缸径、通道要求、底座长板输送机尺寸、配套关系及立柱缸径、通道要求、底座长度、支护方式等因素制约。度、

21、支护方式等因素制约。 综采工作面工序采煤、移架和推溜。工序不同组合，形综采工作面工序采煤、移架和推溜。工序不同组合，形成成3种支护方式。种支护方式。 1)即时支护方式：即时支护方式： 割煤割煤移架移架推溜，顶板暴露时间短。推溜，顶板暴露时间短。 2)滞后支护方式：滞后支护方式： 割煤割煤推溜推溜移架，顶板暴露时间长。移架，顶板暴露时间长。 3)复合支护方式：复合支护方式： 割煤割煤支架伸缩梁伸出支架伸缩梁伸出推溜推溜伸缩梁缩回伸缩梁缩回移架，支移架，支护滞后时间短，增加反复支撑次数。护滞后时间短，增加反复支撑次数。第三节第三节 支架参数确定支架参数确定 根据液压支架各部件功能和作用，根据液压支

22、架各部件功能和作用，组成：组成： (1)承载结构件承载结构件 如顶梁、掩护梁、底座、连杆、尾梁如顶梁、掩护梁、底座、连杆、尾梁等。主要功能是承受和传递顶板和垮落岩石的载荷。等。主要功能是承受和传递顶板和垮落岩石的载荷。 (2)液压缸液压缸 包括立柱和各类千斤顶。主要功能是实现包括立柱和各类千斤顶。主要功能是实现支架的各种动作，产生液压动力。支架的各种动作，产生液压动力。 (3)控制元部件控制元部件 包括液压系统操纵阀、单向阀、安全包括液压系统操纵阀、单向阀、安全阀等各类阀，以及管路、液压、电控元件。主要功能是操阀等各类阀，以及管路、液压、电控元件。主要功能是操作控制支架各液压缸动作及保证所需的

23、工作特性。作控制支架各液压缸动作及保证所需的工作特性。 (4)辅助装置辅助装置 如推移装置、护帮如推移装置、护帮(或挑梁或挑梁)装置、伸缩梁装置、伸缩梁(或插板或插板)装置、活动侧护板、防倒防滑装置、连接件、喷装置、活动侧护板、防倒防滑装置、连接件、喷雾装置等，是实现支架的某些动作或功能所必需的装置。雾装置等，是实现支架的某些动作或功能所必需的装置。第四节第四节 支架结构选择支架结构选择 一、顶梁一、顶梁 顶梁形式：整体顶梁、铰接顶梁和楔形结构顶梁。顶梁形式：整体顶梁、铰接顶梁和楔形结构顶梁。 铰接顶梁的前段称为前梁，后段为主梁，简称顶梁。铰接顶梁的前段称为前梁，后段为主梁，简称顶梁。1整体顶

24、梁整体顶梁 整体顶梁结构简单，可靠性好；顶梁对顶板载荷的平衡整体顶梁结构简单，可靠性好；顶梁对顶板载荷的平衡能力较强；前端支撑力较大；可设置全长侧护板，有利于能力较强；前端支撑力较大；可设置全长侧护板，有利于提高顶板覆盖率，改善支护效果，减少架间漏矸。为改善提高顶板覆盖率，改善支护效果，减少架间漏矸。为改善接顶效果和补偿焊接变形，整体顶梁前端接顶效果和补偿焊接变形，整体顶梁前端(8001000mm)一般上翘一般上翘13o 。第四节第四节 支架结构选择支架结构选择2铰接式顶梁铰接式顶梁1-前梁前梁2-前梁千斤顶前梁千斤顶3-顶梁顶梁 在前梁千斤顶在前梁千斤顶2的推拉下，前梁的推拉下，前梁1上下摆

25、动，对不平顶板上下摆动，对不平顶板的适应性强。运输时将前梁放下与顶梁垂直，以减小运输的适应性强。运输时将前梁放下与顶梁垂直，以减小运输尺寸。尺寸。 前梁千斤顶必须有足够的支撑力和连接强度，前梁上不前梁千斤顶必须有足够的支撑力和连接强度，前梁上不宜设置侧护板。为顺利移架，前梁间一般留有宜设置侧护板。为顺利移架，前梁间一般留有100150 mm间隙，增加了破碎顶板漏矸的可能性。间隙，增加了破碎顶板漏矸的可能性。 第四节第四节 支架结构选择支架结构选择 二、侧护板二、侧护板 侧护板装置组成：侧护板、弹簧筒、侧推千斤顶、导向侧护板装置组成：侧护板、弹簧筒、侧推千斤顶、导向杆和连接销轴等。杆和连接销轴等

26、。 支架活动侧护板形式：直角式单侧活动侧护板、直角式支架活动侧护板形式：直角式单侧活动侧护板、直角式双侧可调活动侧护板和折页式单侧活动侧护板。双侧可调活动侧护板和折页式单侧活动侧护板。 直角式单侧活动侧护板直角式单侧活动侧护板一一侧固定式，一侧活动式。固侧固定式，一侧活动式。固定侧护板是梁的边筋板，可定侧护板是梁的边筋板，可增加梁体强度，减轻支架重增加梁体强度，减轻支架重量。量。 适用于倾角较小适用于倾角较小(150时，必须采取防滑防倒措施。时，必须采取防滑防倒措施。 在支架底座旁边装设一个与防滑撬板在支架底座旁边装设一个与防滑撬板3相连的防滑调架相连的防滑调架千斤顶千斤顶4，移架时千斤顶推出

27、，推动撬板顶在邻架的导向，移架时千斤顶推出，推动撬板顶在邻架的导向板上，起导向防滑作用，顶梁之间装有防倒千斤顶板上，起导向防滑作用，顶梁之间装有防倒千斤顶2防止防止支架倾倒。支架倾倒。 1-顶梁顶梁2-防倒千斤顶防倒千斤顶3-撬板撬板4-防滑调架千斤顶防滑调架千斤顶 第四节第四节 支架结构选择支架结构选择1-顶梁顶梁2-防倒千斤顶防倒千斤顶第五节第五节 支架结构选择支架结构选择 两个防倒千斤顶两个防倒千斤顶4装在底座箱的上部，通过动作，达到装在底座箱的上部，通过动作，达到防滑、防倒和调架作用防滑、防倒和调架作用多用于垛式支架多用于垛式支架 在相邻两支架的顶梁在相邻两支架的顶梁(或掩护或掩护梁梁

28、)与底座之间装一个防倒千斤与底座之间装一个防倒千斤顶顶2，通过链条或拉杆分别固定，通过链条或拉杆分别固定在各支架的顶梁和底座上，用在各支架的顶梁和底座上，用2防倒，用防倒，用4调架。调架。 1-顶梁顶梁2-防倒千斤顶防倒千斤顶4-防滑调架千斤顶防滑调架千斤顶 十、液压支架控制系统十、液压支架控制系统 液压支架按操纵阀与所控支架的相对位置分本架控制液压支架按操纵阀与所控支架的相对位置分本架控制和邻架控制。和邻架控制。 本架控制：本架控制：操作者操纵所在支架的控制系统，系统结构操作者操纵所在支架的控制系统，系统结构简单，应用普遍。简单，应用普遍。 邻架控制：邻架控制：操作者在支架内操纵相邻支架的控制系统，操作者在支架内操纵相邻支架的控制系统，系统结构简单、操作方便安全，但过架胶管多给移架带来系统结构简单、操作方便安全，但过架胶管多给移架带来不便。不便。 第四节第四节 支架结构选择支架结构选择 按控制原理分全流量控制和先导控制。按控制原理分全流量控制和先导控制。 全流量控制：全流量控制：用全流量操纵阀直接向液压缸工作腔输用全流量操纵阀直接向液压缸工作腔输入压力液，实现支架动作。入压力液，实现支架动作。 先导控制：先导控制：通过先导阀驱动主控阀实现支架各种动作，通过先导阀驱动主控阀实现支架各种动作，系统结构比较复杂，可采用多芯胶管实现邻架控制，过