支撐掩護式液壓支架整體機構(gòu)設(shè)計分析

魏鐵鎖

（山西焦煤集團介休正益煤業(yè)有限公司， 山西 晉中 032000）

引言

近年來，為了滿足日益增長的煤炭需求，我國各大煤礦開始提升采煤設(shè)備的機械化、自動化水平，特別是在綜合機械化采煤工作面版塊，而液壓支架作為綜采面最主要的機械設(shè)備，對于提升煤炭采掘效率，確保生產(chǎn)安全，降低勞動成本，具有十分顯著的提升作用，不同綜采面的頂板條件、煤層傾角、地理環(huán)境等不盡相同，對液壓支架的技術(shù)特性的要求也不同，為了有效地支護和控制頂板，必須因地制宜設(shè)計出不同結(jié)構(gòu)尺寸液壓支架。

液壓支架根據(jù)結(jié)構(gòu)類型可分為掩護式、支撐式及支撐掩護式三類[1]，而支撐掩護式支架不僅具有支撐式的頂梁和掩護式的掩護梁，還兼有切頂性能和防護作用，適于范圍更廣。

1 支撐掩護式液壓支架的結(jié)構(gòu)

液壓支架的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 支撐掩護式液壓支架結(jié)構(gòu)示意圖

2 液壓支架的選型原則

液壓支架主要作用是使綜采設(shè)備能夠滿足綜采面的工作環(huán)境，確保投入使用以后能夠達到高產(chǎn)、高效、優(yōu)化管理、最佳效益的有機統(tǒng)一，因此必須根據(jù)礦井的實際條進行選擇，主要包括以下幾個方面[2]：

1）要適合于綜采面頂板的實際條件；

2）支撐掩護式支架適用于煤層厚度大于2 800 mm或瓦斯涌出量大的綜采面環(huán)境；

3）當煤層的傾角小于10°時，支架可不設(shè)防倒防滑裝置；當在15°～25°之間時，排頭支架必須設(shè)置防滑裝置，當煤層傾角大于25°時，排頭的支架須設(shè)防倒防滑裝置；

4）當煤層為軟煤時，支架最大采高需不超過2.5m，當為中硬煤時，支架最大采高一般不超過3.5m，當為硬煤時，支架最大采高應(yīng)小于5m。

3 液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論分析

3.1 支撐掩護式液壓支架高度

支撐掩護式液壓支架高度的選擇，應(yīng)綜合考慮煤炭層的實際厚度、綜采面的實際地質(zhì)情況等各方面的因素來選定，高度的計算方法為：

式中：Hmax、Hmin分別為液壓支架的最大、最小高度；hmax、hmin分別為煤層最大、最小采高；S1為考慮煤皮冒落后仍有可靠初撐力所需要的支撐力高度；S2為頂板的最大下沉量；a為液壓支架的最大收縮量；δ為浮煤厚度。

3.2 支撐掩護式液壓支架的距離

支撐掩護式液壓支架的距離實際上是指在鄰近的兩個液壓支架之間的中心距離，通常按如下的計算方式計算：

式中：b為相鄰兩個支架間的中心距離；B為頂梁的寬度；c為相鄰兩個支架頂梁之間的縫隙；n為每組的組架或者框架的數(shù)量。

因液壓支架的推移千斤頂需要與皮帶相連，我國標準的皮帶溜槽的節(jié)長約1 500 mm，故b取1 500mm。

3.3 四連桿機構(gòu)的選擇

四連桿機構(gòu)是支撐掩護式液壓支架的重要組件，其核心作用是當支撐架從高到低運行時，四連桿機構(gòu)能夠使頂梁前部分的運行呈現(xiàn)近似雙扭線的軌跡，從而保證支撐架頂梁前部分與煤層之間距離的變化，提高支撐架頂板的工作可靠性[3]，同時也能夠增強支撐架承受橫向和縱向工作載荷的能力，保證支架結(jié)構(gòu)整體的強度。

3.4 頂梁的設(shè)計

頂梁作為與頂板的接觸結(jié)構(gòu)，因此要求頂梁具有足夠的強度和剛度外，還要具有足夠的覆蓋率[5]，以保證工作的可靠性，頂梁各配套尺寸的選擇可按如下方式進行：頂梁的長度＝[配套的尺寸＋底座的長度＋L1cosθ]－[L cosδ+300]＋掩護梁與頂梁鉸點至頂梁后端點之間的距離。式中：θ為后連桿與底座平面的夾角；δ為頂梁與掩護梁之間的夾角[4]。

頂梁寬度：頂梁的寬度可以根據(jù)支架的間距來選定，頂梁的寬度一般選擇為為1 200～1 500mm。

穩(wěn)定頂板覆蓋率δ值為60%～70%，對破碎頂板，覆蓋率δ指應(yīng)達到85%～95%。

3.5 液壓支架支護強度的計算方法

支護強度可采用差值法進行計算，如下：

式中：Q為當液壓支架處于最大采高狀態(tài)時，液壓支架所具有的強度；Q1為當液壓支架處于位置1采高狀態(tài)時，液壓支架所具有的強度；Q2為當液壓支架處于位置2采高狀態(tài)時，液壓支架所具有的強度；h1為Q1所對應(yīng)的采高；h2為Q2所對應(yīng)的采高；Hm為液壓支架的最大高度。

3.6 底座的設(shè)計

底座將頂板的工作壓力轉(zhuǎn)移到穩(wěn)固支架上，因此底座必須要具有足夠的強度，同時因綜采面環(huán)境復雜，起伏較大，底座還必須具有很強的適應(yīng)能力，需要對底板的接觸比壓小，具有一定的空間來安裝立柱、液壓裝置及其他的輔助系統(tǒng)，要有足夠的重量及平穩(wěn)性，以確保在工作時候其支持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

目前支撐掩護式支架的底座構(gòu)型通常選擇底分式剛性底座，該類型底座的主要特點是將底座的前部做成雪橇形狀，用來降低液壓支架在轉(zhuǎn)移時所承受的阻力，并且為了避免在移動過程中發(fā)生移架啃底現(xiàn)象，要求底座后部的重量大于前端的重量。

為了提高液壓支架在工作時的橫向穩(wěn)定性，通常情況下支撐掩護式支架的底座長度取約4倍的移架步距（1個移架步距為600mm）[6]。

4 結(jié)論

在對支撐掩護式液壓支架的整體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，應(yīng)遵循“液壓支架必須具有強大的初撐力及工作阻力，防矸性與排矸性好、支架穩(wěn)定性高，具有足夠的剛度，結(jié)構(gòu)簡單、易拆卸等特點”的設(shè)計原則，確保液壓支架具有較強的可靠性與穩(wěn)定性。