大倾角液压支架设计与应用

大倾角液压支架设计要点及应用注意事项

摘要:急倾斜煤层的高产高效机械化开采一直是采煤行业的技术难题,由于煤层赋存条件

的特殊性,给安全、高效、机械化开采带来了诸多困难。大倾角液压支架合理设计及正确应用为该类煤层的顺利开采提供了技术保障。论文阐述了大倾角液压支架的定义、特点及技术要求,并结合其特殊的使用情况,提出了大倾角液压支架的设计要点及其应用过程中的注意事项。

关键词:急倾斜煤层;大倾角工作面;液压支架

1 大倾角液压支架的特点及技术要求

支架最大高度不大于3.2m、使用倾角为35°~55°;或最大高度3.2m以上4•5m以下、使用倾角20°~40°的液压支架,称为大倾角液压支架。

1• 1 大倾角液压支架的特点

1•1• 1 受力状态复杂

当采高为3m,倾角为30°时,顶板对支架的合力作用点已位于底座的外边,此时支架的掩护梁受侧向力非常大。因此大倾角液压支架在设计和制造过程中要保证支架有足够的强度,尤其是掩护梁要有较大的安全系数。

1•1• 2 支架自由状态失稳

支架安装在倾角大于20°的工作面,在非支撑状态或自由状态时,自身失去稳定性。为了防止支架倒架和下滑,要求支架配备防倒、防滑机构,因此支架的结构比较复杂。

1•1• 3 作业环境恶劣

支架在倾角20°~55°条件下工作时,顶板冒落碎石或片帮煤块在重力作用下产生很大的加速度,将威胁工人安全。工人在倾斜的支架通道内行走和作业,应有完善的防护装置。

1• 2 大倾角液压支架的技术要求

大倾角液压支架除满足普通支架技术要求外还应满足一定的特殊要求:①为了防止升、降架时矸石伤人,液压系统应采用邻架控制;②严格控制四连杆机构销孔间隙,四连杆机构销孔与销轴的间隙应小于1.6mm;③支架应有足够的初撑力,初撑力与工作阻力之比不小于83%,并应配备初撑力保持阀,使支架保证达到初撑力;④移架机构在收回位置时,与底座前端单边侧向间隙不应小于30mm;⑤在支架设计最大使用角度时,应保证支架的一侧活动侧护板推出和收回后,支架的最大和最小总体宽度满足工作面最大伪斜角对宽度的要求;⑥支架活动侧护板应为双侧活动侧护板,侧护板应满足相邻两支架前、后错动一个步距时,保证移架方向不小于200mm 的重合量,相邻两架高差200mm时,保证支架顶梁侧护板在高度方向上有不小于200mm的重合量;⑦当工作面倾角大于35°时,支架的人行通道处应设有可靠的梯子和扶手;⑧当工作面倾角大于35°时,在采煤机机道与人行作业空间之间,支架上应有隔离装置,以防止煤块或矸石

伤人;⑨支架的纵向应设有可安装防护板的吊钩;⑩工作面的下端应布置有特殊支架构成的排头支架组,配备符合安全要求的防倒、防滑、移架、系统急需解决的一个重要问题。这些地带的共同特点是:①松(围岩结构疏松),容重小,空隙度大;②散,岩石胶结程度差,或是未胶结的颗粒状岩层;③软,岩石强度低、塑性大或粘土矿物质多易膨胀;④弱,受地质构造的破坏,形成许多弱面,如节理、裂隙、片理等破坏了原有岩体的强度,形成极破碎、易冒落的不稳定岩层。对于这类围岩条件,主要是不破坏或尽量少破坏巷道围岩的完整性,选择对围岩破坏最小的进刀方式。掘进机在443运输巷通过5个月的试验应用,累计完成掘进进尺1500m(其中全岩巷道180m),平均月进尺达到300m,最高进尺达到450m/月,试验达到了预期效果,填补了新汶矿区半煤巷综合机械化快速掘进方面的空白,缓解了该矿采掘接续紧张的矛盾。调架机构,并要求支架操作方便,动作灵活,无蹩卡。

2 大倾角液压支架的设计要点

2• 1 支架的受力分析

对于大倾角煤层特殊的地质条件,支架在工作面受到的重力可分解为垂直于支架顶梁的法向分力和平行于工作面的切向分力。其法向分力有利于支架的稳定,切向分力推动支架沿煤层向下滑动和翻倒,不利于支架稳定,随着工作面倾角的增大,法向力减小,切向力增大,支架稳定性不好。当倾角达到一定值后,支架将失稳,难以控制,这个倾角就是综采的极限倾角。倾角越大,支架所受的切向力增大,法向力减小,从而使工作面支护系统所受的有效载荷变小,引起支护系统失稳的外载荷增大,工作面支架下滑、倾倒及架间挤、咬现象加剧;同时煤层倾角的增大,工作面矿压显现变化也变大。随着倾角的增大,煤层顶、底板移近量逐渐减小,上覆岩石重力沿层面法向减小,切向下滑力增大,从而加大了支架的侧向载荷。倾角越大,支架侧向挤压、倒滑问题就越突出,所以合适的支架选型是大倾角煤层综合机械化开采成功的关键。

2• 2 主要结构的确定

2•2• 1 顶梁形式的确定

顶梁形式应采用结构简单、可靠性好、平衡能力强、前端支撑力较大的整体顶梁,并设置防倒系统连接筒,在必要时安装防倒系统。

2•2• 2 底座形式的确定

采用半开档的刚性加宽底座形式,有利于减小底板比压,前端设置过桥以增强整体刚性。过桥上留有固定抬底座千斤顶的位置,底座下方中后部装有调架千斤顶所需的连接装置。为了增加支架的稳定性,应尽量增加支架的底座宽度,降低支架的重心。

2•2• 3 推移装置形式的确定

采用倒拉铰接式长推杆结构,其推溜力、拉架力大,并配备抬底装置,能更好地实现大倾角工作面快速推进。

2•2• 4 护帮装置形式的选择

煤壁片帮和梁端冒顶是影响综采效率和工人安全的主要因素。应选用常规的简单铰接式强度高的护帮板,要求能够反转180°,并能满足护帮板上翘量。

2• 3 防护装置的确定

2•3• 1 活动侧护板

1)活动侧护板的作用:①起挡矸密封作用;②在支架前移时起导向作用;③起防倒、调架作用。

2)活动侧护板的安装方向。活动侧护板的活动侧应向上,以便支架在移架过程中,与其下一支架的活动侧护板可以扶持上一架支架,同时活动侧护板在弹簧的作用下起到密封作用。3)活动侧护板多采用直角式侧护板,其密封性能好、接触面积大、导向性能好;可以调架,有利于支架稳定。

2•3• 2 排头支架的防倒、防滑装置

对于大倾角液压支架,必须配备排头支架,排头支架由3~5架组成,排头支架是整个工作面的基础,只要解决了排头支架的防倒、防滑问题,其余支架的防倒、防滑问题就可以基本解决。

1)排头支架的防滑装置。防滑装置可以防止支架下滑,调节架间距,当支架下滑时,使支架复位。其主要结构形式:①调架梁,一般布置在底座侧面,在移架时还起导向作用,防止底座下滑;

②调架杆,通过调架千斤顶推拉滑杆和摆杆实现调架,同时也具有导向功能;③平拉式,通过连接头、调架千斤顶将邻架底座相连,通过调架千斤顶的推拉实现调架;④兜角式,调架千斤顶安装在排头支架的第一架底座的下侧,通过圆环链与第三架底座相连,当第一架降架后,收调架千斤顶可以实现调架。

2)排头支架的防倒装置。防倒装置可以防止支架歪倒,如果出现倒架时,能把支架扶正。其主要结构形式:①斜拉式,防倒千斤顶通过圆环链与排头支架第一架的顶梁相连,另一端与第三架的底座相连,通过防倒千斤顶的拉力来实现防倒,常用于倾角较大的工作面;②平拉式,防倒千斤顶通过连接头与相邻两架的顶梁相连,通过防倒千斤顶的推拉来实现调架。

2•3• 3 支架的防倒、防滑

由于有排头支架为基础,一般情况下,工作面中部支架只是保留防倒装置的位置,平时防倒装置不安装,必要时再安装。但防滑装置每架都要配备,以便随时调架。结构形式可以与排头支架的防滑装置一样。

2•3• 4 防护挡板

当工作面倾角大于35°时,液压支架必须配备防护挡板。使采煤机机道与人行空间隔离,避免工作面上部的矸石或块煤下落时伤人。

2•3• 5 防护网的设计

在煤层倾角为30°~55°的条件下采煤,一旦有煤块、矸石滚落,则会使渣块加速运行,对工作