液壓支架的選型設計

白建軍

（山西煤炭運銷集團鴻泰煤業(yè)有限公司，山西陽泉045000）

0 引言

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

對于不同的采煤區(qū)域，其所對應的采煤工作面的煤層厚度、傾角、結構、煤和煤層周圍巖石的性質以及煤層頂板和底板狀態(tài)燈都各不相同。這就要求在設計液壓支架的過程能夠充分考慮到上述因素，只有設計出和開采區(qū)相匹配的不同類型和結構尺寸的液壓支架，才能保證開采區(qū)的安全高效生產。本文主要對液壓支架的選型設計進行闡述［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生支撐力并實現自動移動進行頂板支護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的順利進行，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）液壓支架應具有足夠的推溜力，推溜力一般取100 kN；液壓支架還應具有一定的移架力。煤層厚度不同，所對應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備，液壓支架還應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、地質構造、設備成本等多個方面，因此選擇一種既能滿足性能要求又經濟實惠的液壓支架至關重要。

2.1 液壓支架分類

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

2.2 老頂等級和直接頂類別的確定［3］

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

表1 老頂等級

直接頂類別確定見表2。

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

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

根據老頂等級和直接頂的類別確定液壓支架的選型，見表3。

表3中，括號內數字為掩護式支架頂梁上的支護強度（采高為最大采高1.3），1.6為增壓系數。

3 支架整體結構設計

3.1 支架高度

液壓支架的高度應根據采煤區(qū)煤層的厚度、傾角以及采煤區(qū)其它條件等進行確定。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，液壓支架應能夠應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，支撐掩護式支架為2.5，掩護式支架可達3。煤層越薄取值越大。為了節(jié)約成本并降低支架的重量，一般根據單位缸長行程K1來確定采用伸縮油缸的個數，當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，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。

支架的間距是由支架的組織結構形式決定的，而在實際工作中支架間距主要與支架推移千斤頂相關。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，當千斤頂的連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，在保證具有相應的結構強度外，還必須保證具有一定的穩(wěn)定性。因此在設計支架底座時應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）保證支架內部空間富余，便于安裝相應的結構設施。

通常掩護式支架的底座長度為2.1 m，支撐掩護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力損壞的能力。頂梁結構形式主要分為：掩護式支架頂梁和支撐式支架頂梁。掩護式與支撐掩護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］+掩護梁與頂梁鉸點至頂梁端點距離。

式中：配套尺寸參考原煤炭部煤炭科學研究院編制的綜采設備配套圖冊確定；底座尺寸為后連桿下鉸點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，水平面同支架掩護梁所成角度、水平面同后連桿所成角度。

4 結語

對液壓支架的選型及其整體結構設計進行了闡述，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構設計進行了詳細說明，為液壓支架的設計工作提供了理論依據。

［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，2011（1）：47-48.

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

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

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

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