液壓支架的選型設(shè)計

白建軍

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)鴻泰煤業(yè)有限公司，山西陽泉045000）

0 引言

煤礦的開采需要借助機(jī)械設(shè)備的幫助。液壓支架作為煤礦開采必備的設(shè)備之一，在煤礦開采的過程中起著至關(guān)重要的作用。液壓支架的設(shè)計便成了開采煤礦的首要任務(wù)之一。

對于不同的采煤區(qū)域，其所對應(yīng)的采煤工作面的煤層厚度、傾角、結(jié)構(gòu)、煤和煤層周圍巖石的性質(zhì)以及煤層頂板和底板狀態(tài)燈都各不相同。這就要求在設(shè)計液壓支架的過程能夠充分考慮到上述因素，只有設(shè)計出和開采區(qū)相匹配的不同類型和結(jié)構(gòu)尺寸的液壓支架，才能保證開采區(qū)的安全高效生產(chǎn)。本文主要對液壓支架的選型設(shè)計進(jìn)行闡述［1］。

1 液壓支架的基本要求

液壓支架的作用就是利用液體壓力產(chǎn)生支撐力并實(shí)現(xiàn)自動移動進(jìn)行頂板支護(hù)和管理的一種液壓動力裝置。這就要求其必須滿足一定的基本條件［2］：

1）為了保證在采煤過程中人員的安全和生產(chǎn)的順利進(jìn)行，液壓支架必須具有一定的初撐力來支撐煤層頂板和工作阻力。

2）液壓支架應(yīng)具有足夠的推溜力，推溜力一般取100 kN；液壓支架還應(yīng)具有一定的移架力。煤層厚度不同，所對應(yīng)的移架力也各不相同，煤層越厚所需要的移架力則越大。一般薄煤層取100kN，中煤層取150～250kN，厚煤層取300～400 kN；

3）為了防止煤層中矸石掉落砸傷人和設(shè)備，液壓支架還應(yīng)具有良好的防矸和排矸能力。

4）空間寬敞，保證空氣流通，人員呼吸順暢；足夠的設(shè)備操作和人員行走空間。

5）由于采煤區(qū)工作環(huán)境相對較差且具有許多不確定因素，因此液壓支架必須具有良好的穩(wěn)定性、剛度，能夠承受沖擊和不均勻載荷。

2 液壓支架架型的選擇

液壓支架的選型主要取決于煤層的厚度、傾角、瓦斯含量、地質(zhì)構(gòu)造、設(shè)備成本等多個方面，因此選擇一種既能滿足性能要求又經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的液壓支架至關(guān)重要。

2.1 液壓支架分類

液壓支架型式很多，按照架型結(jié)構(gòu)可以分為：a.支撐式支架，可以分為節(jié)式支架和垛式支架；b.掩護(hù)式支架，可以分為支撐掩護(hù)式和支頂掩護(hù)式。

2.2 老頂?shù)燃壓椭苯禹旑悇e的確定［3］

來壓強(qiáng)度決定了老頂?shù)牡燃?，而冒落帶巖石對采空區(qū)的充滿程度則決定了老頂?shù)膩韷簭?qiáng)度。充滿程度記為N。我們把老頂初次來壓步距記為Lp。此時老頂?shù)膩韷簭?qiáng)度可以分為四級，見表1。

表1 老頂?shù)燃?/p>

直接頂類別確定見表2。

表2 中，D1=σ×c1×c2。σ 為巖石單向抗壓強(qiáng)度，MPa；c1為節(jié)理裂隙影響系數(shù)；c2為分層厚度影響系數(shù)。

表2 直接頂類別

表3 液壓支架選型的確定

2.3 液壓支架選型的確定

根據(jù)老頂?shù)燃壓椭苯禹數(shù)念悇e確定液壓支架的選型，見表3。

表3中，括號內(nèi)數(shù)字為掩護(hù)式支架頂梁上的支護(hù)強(qiáng)度（采高為最大采高1.3），1.6為增壓系數(shù)。

3 支架整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 支架高度

液壓支架的高度應(yīng)根據(jù)采煤區(qū)煤層的厚度、傾角以及采煤區(qū)其它條件等進(jìn)行確定。液壓支架的最大、最小高度為［4］：

式中：Hm為液壓支架的最大高度；Hn為液壓支架的最小高度；hm為開采煤層的最大厚度；hn為開采煤層的最小厚度；S1為初撐力要求的支撐高度，一般為200～300 mm；S2為頂板的極限下沉范圍，一般為100～200 mm；α為液壓支架移動時的最小伸縮距離，一般為50 mm；σα為浮煤層和浮矸石的厚度，一般為50 mm。

3.2 支架伸縮比

液壓支架的極限伸出度和液壓支架的極限縮回度的比為支架伸縮比，公式為m=Hm/Hn。

為了提高液壓支架的利用率，同時降低成本，液壓支架應(yīng)能夠應(yīng)用在不同高度的工作區(qū)。這就要求液壓支架具有一定的伸縮比，一般取1.5～2.5。不同型式的液壓支架的伸縮比各不相同：采用雙立柱時，垛式支架為1.9，支撐掩護(hù)式支架為2.5，掩護(hù)式支架可達(dá)3。煤層越薄取值越大。為了節(jié)約成本并降低支架的重量，一般根據(jù)單位缸長行程K1來確定采用伸縮油缸的個數(shù)，當(dāng)K1＜0.7時用單伸縮油缸支架，公式為

式中：K1為單位缸長行程；Lm為活塞滿行程時立柱的尺寸；Ln為活塞初始狀態(tài)時立柱的尺寸；Lm-Ln為活塞行程。

3.3 支架間距

相互挨著的一組液壓支架中心之間的長度表示支架間距，公式為bc=Bm+nc3。

式中：bc為支架中心距；Bm為支架頂梁寬度；c3為緊挨的兩個支架頂梁之間的距離；n為單個支架個數(shù)，其中整體自移式支架n=1；整體邁步式支架n=2，節(jié)式組合邁步支架n=支架節(jié)數(shù)。

支架的間距是由支架的組織結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定的，而在實(shí)際工作中支架間距主要與支架推移千斤頂相關(guān)。由于支架千斤頂與溜槽相連，因此溜槽的單節(jié)長度和支架千斤頂與溜槽的連接位置決定了支架間距。通常情況下溜槽的單節(jié)長度為1.5 m，當(dāng)千斤頂?shù)倪B接位置處于溜槽中間時，此時支架的間距為1.5 m。

3.4 底座長度

底座作為承受采煤工作載荷的主要部件，在保證具有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度外，還必須保證具有一定的穩(wěn)定性。因此在設(shè)計支架底座時應(yīng)考慮到以下幾個方面的因素：1）保證支架與底座有較小的接觸比壓；2）保證支架內(nèi)部空間富余，便于安裝相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)施。

通常掩護(hù)式支架的底座長度為2.1 m，支撐掩護(hù)式支架的底座長度為2.4 m。

3.5 頂梁長度計算

液壓支架的頂梁是與采煤區(qū)頂板直接接觸的部件，主要起對頂板的支撐和防護(hù)作用，這就要求頂梁和頂板要有足夠的接觸面積，同時由于采煤區(qū)頂板狀態(tài)的不平整性，還要求液壓支架頂梁具有防止局部應(yīng)力損壞的能力。頂梁結(jié)構(gòu)形式主要分為：掩護(hù)式支架頂梁和支撐式支架頂梁。掩護(hù)式與支撐掩護(hù)式支架頂梁長度計算公式為［5］

頂梁長度=［配套尺寸+底座長度+AcosQ1］-［GcosP1+300+e］+掩護(hù)梁與頂梁鉸點(diǎn)至頂梁端點(diǎn)距離。

式中：配套尺寸參考原煤炭部煤炭科學(xué)研究院編制的綜采設(shè)備配套圖冊確定；底座尺寸為后連桿下鉸點(diǎn)同底座前部分的長度；e為支架從上到下頂梁最前部分的最大范圍；P1、Q1為支架處于最高處時，水平面同支架掩護(hù)梁所成角度、水平面同后連桿所成角度。

4 結(jié)語

對液壓支架的選型及其整體結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了闡述，特別是對影響液壓支架選型的因素和液壓支架各個部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)說明，為液壓支架的設(shè)計工作提供了理論依據(jù)。

［1］ 干云洪，孔玉全.液壓支架合理選型及支架階梯創(chuàng)新［J］.煤采礦技術(shù)，2011（1）：47-48.

［2］ 閻建國.淺析中厚煤層液壓支架選擇及其特點(diǎn)［J］.北京：工業(yè)技術(shù)，2012（12）：95-96.

［3］ 王啟廣，耿東峰,李琳,等.液壓支架的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.礦山機(jī)械，2008（8）：9-10.

［4］ 趙衡山.高產(chǎn)高效工作面液壓支架的發(fā)展［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，1998（1）.

［5］ 史元偉.液壓支架與圍巖力學(xué)相互作用及支架選型研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，1999（5）.