采煤工作面液压支架的选型

辽宁工程技术大学

《采掘机械》综合训练（二）

题 目：

液压支架选型设计

姓 名：

指导教师：完成日期： 班 级：

矿电11-3 李广达 师建国 2014.12.24

综合训练任务书

一、设计任务及要求

(1) 根据所给原始数据进行液压支架选型的详细计算；

(2) .编写综采工作面液压支架选型设计说明书；

(3) 工作面液压支护设备配套关系图

设计原始数据及条件：

二、上交材料

(1) 设计图纸（综采工作面设备配套关系图）

(2) 设计说明书

三、进度安排(参考)

(1) 熟悉设计任务，收集相关资料

(2) 拟定设计方案

(3) 绘制图纸

(4) 编写说明书

(5) 整理及答辩

四、成绩评定

成 绩：

教 师

日 期

目 录

1 确定液压支架的选型 .............................. 错误！未定义书签。

1.1确定架型 ................................... 错误！未定义书签。

1.1.1顶板分类（级） ....................... 错误！未定义书签。

1.1.2架型与支护强度初选 ................... 错误！未定义书签。 2主要参数计算和支架型号的确定 .................... 错误！未定义书签。

2.1支架高度 ................................... 错误！未定义书签。

2.2顶梁长度 ................................... 错误！未定义书签。

2.3 底座的宽度 ................................ 错误！未定义书签。

2.4支架中心距 ................................. 错误！未定义书签。

2.5支架移架步距 ............................... 错误！未定义书签。

2.6支护强度和工作阻力 ......................... 错误！未定义书签。

2.7初撑力 ..................................... 错误！未定义书签。

2.8移架阻力及推溜力 ........................... 错误！未定义书签。

2.9确定支架型号 ............................... 错误！未定义书签。

3、性能验算 ....................................... 错误！未定义书签。

3.1底板比压校验 ............................... 错误！未定义书签。

3.2工作阻力（支护强度）和初撑力的验算 ......... 错误！未定义书签。

3.3顶板覆盖率 ................................................. 10

4、支架布置台数 ................................... 错误！未定义书签。

5乳化液泵站的选型 ................................................ 11

5.1乳化液泵 ................................................... 11

5.1.1 泵站压力的确定 ....................................... 11

5.1.2泵站流量确定 ......................................... 13

5.1.3选择乳化液泵 ......................................... 14

5.2乳化液泵的电机功率 ......................................... 15

5.3乳化液箱容积的验算 ......................................... 16

5.4乳化液 ..................................................... 17

6防护装置 ........................................................ 17

参考文献 .......................................................... 17

1 确定液压支架的选型

1.1确定架型

按顶板分类方案对液压支架的架型进行初选。

根据煤炭部（81）煤科字第429号文件关于《缓倾斜煤层工作面顶板分类》方案，按稳定性不同直接顶分为四类，按来压强度不同将老顶分为四级，并分别提出相应的架型、支护强度和顶板管理方法。

1.1.1顶板分类（级）

直接顶分为四类，见附件1。

老顶分为四级，见附件1。

1.1.2架型与支护强度初选

正确选择支架的架型，对于提高综采工作面的产量和效率，充分发挥综采设计的效能，实现高产高效，是一个很重要的因素。在具体选择架型时，首先要考虑煤层的顶板条件，就是根据国内外液压支架的使用经验，提出了各种顶板条件下适用的架型。它是选择支架架型的主要依据。

对于不同类（级）顶板，其架型、支护强度的选择见〔Ⅰ〕。

液压支架架型的选择除了取决于顶板条件之外，还应考虑以下因素，并结合各类支架的不同性能和特点，最终选择一种较为合理的架型。

⑴厚度

煤层厚度不但直接影响到支架的高度和工作阻力，而且还影响到支架的稳定性。当煤层厚度大于2.5~2.8m(软煤取下限,硬煤取上限)时，选用抗水平推力强且带护帮装置的掩护式或支撑掩护式支架。当

煤层厚度变化较大时，应选用调高范围大的支架。

⑵煤层倾角

煤层倾角主要影响支架的稳定性，倾角大时易发生倾倒、下滑等

00现象。当煤层倾角大于10~15时，应设防滑和调架装置，当倾角超

过18时，应同时具有防滑防倒装置。

⑶底板性质

底板承受支架的全部载荷，对支架的底座影响较大，底板的软硬和平整性，基本上决定了支架底座的结构和支承面积。选型时，要验算底座对底板的接触比压，其值要小于底板的允许比压（对于砂岩底

Mp6a,软底板为0.98Mpa左右）板，允许比压为1.96~2.1。 0

⑷瓦斯涌出量

对于瓦斯出量大的工作面，支架的通风断面应满足通风的要求，选型时要进行验算。

⑸地质构造

地质构造十分复杂，煤层厚度变化又较大，顶板允许暴露面积和时间分别在5~8m和20min以下时，暂不宜采用液压支架。

根据附录1初选四柱支撑掩护式支架。

2

2主要参数计算和支架型号的确定

2.1支架高度

一般应首先确定支架适用煤层的平均采高，然后确定支架的高

度。

支架最大结构高度

Hmax=Mmax+S1

支架最小结构高度

Hmin=Mmin-S2

式中Mmax，Mmin——煤层最大、最小采高，mm；

S1——考虑伪冒顶落的最大厚度，对于大采高支架取200--400mm，对于中厚度煤层支架取200--300mm，对于薄煤层支架取100--200mm；

S2——考虑到周期来压是的下沉量、移架时支架的下降量和顶梁上地板下的浮矸之和，对于大采高支架取500--900mm，对于中厚度煤层支架取300--400，对于薄煤层支架取150--250mm。

Hmax=1900mm

Hmin=1200mm

支架最大结构高度与最小结构之比称为支架的伸缩比，即

Ks=Hmax/Hmin=1.58

Ks值的大小反映了支架对煤层厚度变化的适应能力，其值越大，说明支架适应煤层厚度变化的能力超强。采用单伸缩立柱，Ks值一般为1.6左右。若进一步提高伸缩比，需采用带机械加长杆的立柱或双伸缩立柱，其Ks值一般为2.5左右。薄煤层支架可达3。

2.2顶梁长度

顶梁长度取决于必要的作业空间和通风断面要求，还与支架方式有关。支护方式有超前支护和滞后支护两种方式。根据选定的架型和支护方式，来估算所需支架的顶梁长度（范围），以供确定支架型号作参考。

支撑掩护式，如图2-1所示。

顶梁全场：l=b1+b2+b3

b1=∆+y+d+a-H⋅tgα-c

式中：∆,y,d,H,α,c同前；

∆——铲煤板铲尖到煤臂的距离，取150mm；

y=F+G+J+V

F——铲煤板宽度，一般取150～240mm，取200mm；

G——中部槽宽，查特征表取722mm；

J——导向槽宽度，无链牵引时尚有齿轨部分宽度，取400mm； V——电缆槽宽。参数查不到时可估算V=350～450mm；

d——超前移架时取＞截深，取800mm；

H——采高，1.55m；

α——立柱倾角,20；

c——梁端距，取250～350mm

a——由结构而定，考虑支架稳定性和减

少底座前端的比压。a＞300mm； 图2-1

b2——通常b2=0.9～1.2m，在中厚煤层中可设置为人行道；

b3——由结构而定，一般情况为300～500 mm。

计算得顶梁全长为3971mm。

注：1. 顶梁的长度和宽度取决于支架的类型，它影响支架与顶

板的接触性能、控顶距、移架速度和稳定性，一般在保证一定的工作空间和合理布置设备的前提下，应尽量减小顶梁长度，以缩小控顶距和支架的重量。对于支撑式和支撑掩护式支架，由于立柱为双排布置，支撑力较大，故这类支架的顶梁较长，当采用滞后支护时，顶梁全长为2.5m左右；当采用及时支护时，顶梁全长为3.0~4.0m。对于掩护式支架，由于一般用于破碎顶板，应尽量减小支架对顶板的重复支撑次数，加之立柱多为单排布置，故顶梁长度较小，通常1.5~2.5m，最大达3 m左右。顶梁的宽度应根据支架间距和架型来定。我国规定支架标准中心距为1.5m。掩护式和支撑掩护式支架包括侧护板在内的顶梁宽度为1.4~1.6m(下限为侧护板收缩时的运输宽度，1.5m为支架的正常宽度，1.6m为调架时侧护板伸出后的最大宽度)。垛式支架的架间距一般为0.1~0.2m。

2.3 底座的宽度

支架底座宽度一般为1.1~1.2m。为提高横向稳定性和减小对底板比压，厚煤层支架，可加大到1.3 m左右，放顶煤支架为 1.3~1.4m。底座中间安装推移装置的槽子宽度，与推移装置的结构和千斤顶缸径有关，一般为300~380mm。

2.4支架中心距

支架中心距有1.25m，1.5m，1.75m，2.05m，与刮板输送机溜槽长度相适应。取1.5m。

2.5支架移架步距

与配套采煤机截深相对应，推移装置的行程要大于采煤机的截深。取800mm。

2.6支护强度和工作阻力

支架的结构尺寸确定之后，与支架重量和成本关系最大的参数是支架的支护强度。从理论上分析，合理的支护强度应正好与顶板压力相平衡。支护强度过大，不仅增加支架重量和设备投资，而且给搬运、安装带来困难；过小则会造成顶板过早下沉、离层、冒落，使顶板破碎，造成顶板维护困难。因此支护强度的大小应取决于工作面采场矿压的大小。但由于目前对采场矿压的大小还不能进行准确的定量计算，这样目前主要以经验法或实测数据，来确定支架的支护强度。下

面为计算经验公式：

-5q=KHγ⨯10,M pa

式中：K—作用于支架上的顶板岩石系数，一般取5~8，取6。顶板条件好、皱起来压不明显时取下限，否则取上限；

H—采高，计算取1.55m；

33 γ—顶板岩石密度，一般取2.3×10kg/m。

计算得q=0.25Mpa

放顶煤支架的支护强度一般为0.5~0.7MPa。支架工作阻力P应满足顶板支护强度要求，即支架工作阻力由支护强度和支护面积所决定。

P=qF⨯103,kN

式中 F—支架的支护面积，m。可按下式计算

2F=(L+C)(B+K)=(L+C),m1 A

式中 L—支架顶梁长度，取4m；

C—梁端距，0.1-0.35m,取0.2；

B—支架顶梁宽度，1.5m； 2

K1—架间距，0.1m；

A—支架中心距，1.5m。

2 F=6.75m

P=1575kN

对支撑式支架，支架立柱的总工作阻力等于支架工作阻力。对于掩护式和支撑掩护式支架，由于受到立柱倾角的影响，支架工作阻力小于支架立柱的总工作阻力。工作阻力与支架立柱的总工作阻力的比值，称为支架的支撑效率η。所以支架立柱的总工作阻力为

p总=,kNη p

支撑式支架的η=100%，支掩护式和支撑掩护式支架取η=80%左右。 P总=1968.8kN

2.7初撑力

初撑力的大小是相对于支架的工作阻力而言，并与顶板的性质有关。液压支架的初撑力，对支架维护顶板的性能方面，要比工作阻力（支护强度）起着更加显著的作用。有足够初撑力的支架，一开始就能和顶板压力取得平衡，可最大限度地减小顶板下沉；初撑力偏低，要等顶板下沉时才能增阻，会增大顶板的下沉量；初撑力过大，会使顶板反复受拉导致直接顶蠕动，造成直接顶早剥离，使顶板管理困难。所以支架初撑力选择的合理与否，时非常重要的。

目前在坚硬、中硬和破碎的顶板条件下，多趋向于采用较高的初撑力。现在支架的设计中初撑力，已高达工作阻力（支护强度）的90％以上。根据有关资料介绍，初撑力与支护强度的比例关系，即=初撑力强度/支护强度，以顶板的的稳定性不同，一般在60～85％区内选取为宜。

在确定出撑力时，可按以下原则考虑：对于不稳定和中等稳定顶板，为了维护机道上方的顶板，应取较高的初撑力，约为工作作阻力的80%；对于稳定顶板，初撑力不易过大，一般不低于工作阻力的60%，对于周期来压强烈的顶板，为了避免大面积垮落对工作面的动载威胁，应取较高的初撑力，约为工作阻力的75%。

综上所述，取初撑力为工作阻力的80%，为1575KN。

2.8移架阻力及推溜力

移架阻力与支架结构、吨位、支撑高度、顶板状况是否带压移架等因素有关，通常根据煤层的厚度来考虑，即采高愈大，移架阻力愈大。一般薄煤层支架的移架力为100~150kN；中厚煤层支架为

150~300kN；厚煤层支架为300~400kN。

由此可知，取推溜力为150kN。

2.9确定支架型号

根据以上所确定的架型和计算的参数，查支架技术特征表选择支架。

注：⑴采高达到2.5~2.8m以上时，需要选择带有护帮装置的液压支架。

⑵要考虑是否需设防倒防滑装置。我国《缓倾斜煤层工作面顶板分类方案》中规定：

煤层倾角大于10°，支撑式支架应带有防滑装置；

煤层倾角大于15°，掩护式和支撑掩式支架应带有防滑装置； 煤层倾角大于18°，各类支架都应带有防倒装置；

⑶考虑到支架对底板的最大比压，防止支架底座会被压如底板。 查表可知初选ZY2400/09/20型掩护式液压支架。特征参数如下：

3性能验算

3.1底板比压校验

顶板压力是通过顶梁、支柱传到底板的，如底板的抗压如强度小于支架所要求的抗压强度，则支架底座会被压如底板。因此，合理的选择支架对底板的最大比压（支架技术特征表中可查），是支架选型中一个很重要的指标，特别对于底板松软的工作面更为重要，必要时应进行测定和计算。计算公式如下：

q>qm*K1*K2

式中：q——实测底板的最小抗压入强度，kg/cm2； K1⋅——底板载荷集中系数，一般取3； K2——洒水影响系数，一般取1.2～1.6；

qm——支架对底板的最大比压，可由支架特征表可知道qm=1050kg/cm2。

q＞qm⋅K1⋅K2=4410kg/cm2。由此可知所选型号满足条件。 我国煤田一般顶底板单轴抗压强度试验数据

3.2工作阻力（支护强度）和初撑力的验算

对于掩护式和支撑—掩护式支架、立柱，多为倾斜布置。因此，工作阻力和初撑力随支架的工作高度的不同而不同。高度大，支撑力大，支架的技术特征大多给出的是最大值（在最大高度下）。为此，对于立柱倾角比较大时，需验算该支架用于这个采高下的工作阻力和初撑力，即：

所选定的支架在H采高时的支撑力（支护强度）≥计算值。由此

可知选型满足条件。

3.3顶板覆盖率

δ=

支架顶梁对支护面积的覆盖率为式中：δ——覆盖率；

BL

⨯100%

(L+C)(B+K1)

B——顶梁宽度，取1.5m； K1——支架间距，0.1m；

L——顶梁长度，4m；

C——梁端距，0.2m；

K1——由侧护板的支架取0.1m，无侧护板的支架取0.1～0.2m。

δ：覆盖率应符合顶板性质的要求，一般不稳定顶板不小于85%~95%；中等稳定顶板不小于75%~85%；稳定顶板不小于60%~70%。

计算得δ=85.6%>85%。满足条件。

4.支架布置台数

n=L/A

式中：n——支架布置台数；

L——工作面长度，220m； A——台支架支护宽度，通常为1.5m。

则n=220/1.5=147

5乳化液泵站的选型

5.1乳化液泵

乳化液泵站是采煤工作面液压支架的动力源，一般由两台乳化液泵、一个或两个乳化液箱，以及相应的电机、电控、保护原件所组成。

在选择泵站时主要的指标是满足液压支架所要求的泵站工作压力，以保证支架有足够的初撑力。另外，为保证液压支架的升降和工作面的支护速度，乳化液流量也是一个重要的因素。目前泵站的乳化液流量有逐渐向大流量发展的趋势，以获得较高的支护速度。

5.1.1 泵站压力的确定

⑴根据初撑力的要求

Pb'≈

P0⋅K'

4

⋅D2⋅n

MPa

式中：P0------确定的支架初撑力，1575kN； D------支架立柱缸径，0.2m； n------支架立柱个数n=2；

K'------考虑到立柱倾斜布置等因素的修正系数，

K'

≈

1

cosα，α为立柱倾斜角度75；

'

Pb-----由初撑力确定的泵站压力。 '

则：Pb=19MPa

⑵根据拉架力和推溜力的要求

拉架力和推溜力的计算应根据支架所采用的推拉方式具体考虑。例如：框架式推拉方式，则有：

P拉

2

D1

''Pb = 4 MPa

式中：P拉------确定的拉架力，306kN； D1------推拉油缸缸径，0.14m；

''

Pb------由拉架力确定的泵站压力，〔N〕。 ''

则:Pb=15MPa

P推

2

D-d)1Pb'''= 4

MPa

2

式中：P推------确定的推溜力，178kN； d------推拉油缸活塞杆直径，0.08m；

Pb'''------由推拉力确定的泵站压力。

'''

则：Pb=17MPa

即：Pbmax=MAX｛19，15，17｝=19MPa。

再考虑压力损失，得所需的泵站压力Pb：

Pb≥Pbmax·K1 =20.9MPa （压力损失系数K1=1.1～1.2） 5.1.2泵站流量确定

确定的原则是：液压支架的移架速度≥采煤机的工作牵引速度（这样才能保证连续、安全地进行生产），即：

v移≥式中：

vq

vq

------采煤机工作牵引速度；

v移------支架的移架速度。即：单位时间内移动支架的数目，它反映了沿采煤机牵引方向的距离。

A

v移=t

式中： A------一台支架支护宽度，一般为1.5m；

t------移架时间，t=t1+t2。t1为降架、移架、升降的动作时间（供液时间）；t2为操作调整时间，一般约为0.3～0.5min/架。

t1与移架千斤顶、立柱、调架千斤顶的缸径和行程以及乳化液泵站的流量有关。

22

π⎡d2l+2(D1L1+nD2L2)⎤

⎢

t1= 4⎣

'Qb

⎥⨯10

⎦ 〔分/架〕

3

'

式中：Qb------所需乳化液泵的额定输出流量，〔l/min〕；

d、l------移架千斤顶缸径和行程。d≈0.14m，l≈0.70m；

D1、L1------前探梁短柱缸径和移架时升降行程。L1约为0.16m； D2、L2------立柱缸径和移架时升降行程。降架移架时L2为0.1m；

带压移架时L2=0；

n------升降的立柱个数。

A

≥vq

'

即有：t1+t2，从此式中可求出Qb=69.3l/min。

5.1.3选择乳化液泵

'

根据Pb和Qb选择RB125/25型液压泵和RX-1000乳化液箱，泵站配备3泵（两用一备）2箱方式工作，具体参数如下：

公称压力/MPa 25 柱塞数量/个 3 公称流量/Lmin 125 乳化液箱 不锈钢 电机功率/Kw 55 有效容积/L 640 电压/V /

'

注：说明一点，若现有的泵站流量满足不了Qb的要求，则适当选一型号，并可采取一些措施提高移架速度。

减少操作调整时间t2，提高工人的操作水平和适当增加操作人员。

⑵采用不同的移步方式，以保证v移≥

vq

的要求。常用的移步方

式有顺序和交错移步。前者移架速度小于后者，故在条件允许下可采用交错移步，以提高v移。

顺序移步：支架沿采煤机牵引方向依次迁移，移动步距等于截深，对顶板的支护较好，操作较简单。移架速度为：

A

v移=t1+t2

此次设计是顺序移步，v移=6.43m/min，满足要求。

交错移步：支架呈交错布置，隔架前移，移动步距为两个采煤机截深，减少了对顶板岩层的多次作用。这种移步方式的缺点是增加了工作面空间没支护的面积，支架立柱排间的行人通道易堵塞。此方式多用于顶板比较稳定的煤层，由于只移一半支架，移架速度比较快。移架速度为：

2A

v移=t1+t2

5.2乳化液泵的电机功率

N=

Pb⋅Qb

612⋅η 〔kw〕

式中：Pb------选用乳化液泵的工作压力，〔25kg/cm2〕；

Qb------选用乳化液泵的流量，〔125l/min〕；

η------乳化液泵的总效率，0.7～0.8。

即：N=7.1（KW）

5.3乳化液箱容积的验算

乳化液箱应能容纳以下三部分流量，即：

V=V1+V2+V3

式中：V1=3Qb+Q0，〔l〕；； 3Qb------三分钟泵的流量，〔l〕；

1

V

Q0------箱底存液量，计算时取5；

V2------停泵时管路回流液量，〔l〕；

π

V2=4

⋅dg⋅lg⋅2⨯103

2

〔l〕；

式中：

dg

、

lg

------分别为主供液和主回液管的内径和长度；

dglg

------查Ⅰp219表10-3，〔cm〕；

------取工作面长度，〔cm〕。

V3------煤层厚度变化造成的液量差：

π V3=4

D2⋅∆H⋅n⋅2⨯10-3

〔l〕；

式中：D------立柱缸径，〔cm〕；

∆H------工作面煤层厚度变化量，〔cm〕； n------梅架支架的立柱数； 2------同时动作的支架数。

经验算符合条件。

5.4乳化液

液压支架一般用乳化液作工作介质，它是由水和乳化油按不同比例配制而成乳白色液体，按其比例的不同，乳化液分两类：⑴水包油型乳化液（o/w）：乳化油含量为3～5％；⑵油包水型乳化液（w/o）：乳化油含量为15～40％。国内外的液压支架多用水包油型乳化液。

6防护装置

（1）活动侧护板。活动侧护板起挡矸、密封、支架前移时导向、防倒调架作用。活动侧护板的活动侧应在工作面倾斜方向的上方，在支架移动的过程中，与相邻下一个支架的活动侧护板共同扶持上一架支架。

（2）排头支架的防倒、防滑装置。对于本次数据，煤层倾角为16°，必须配备排头支架。排头支架由3~5架组成，是整个工作面的基础。

参考文献

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