采煤工作面液压支架的选型

液压支架的选型
一、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、顶板分类（级）
直接顶分为四类，见〔Ⅰ〕。

老顶分为四级，见〔Ⅰ〕。

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，〔Ⅰ〕表9-1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、下滑等现象。

当煤层倾角大于00
18时，应同时具有防滑防倒装置。

10~15时，应设防滑和调架装置，当倾角超过0
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（对于砂岩底板，允许比压为1.96~2.16Mpa,软底板为0.98Mpa左右）。

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
m和地质构造十分复杂，煤层厚度变化又较大，顶板允许暴露面积和时间分别在5~82
20min以下时，暂不宜采用液压支架。

二、主要参数计算和支架型号的确定
1、支护强度（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。

下面介绍两个经验公式：
⑴ βα
γcos )1(-'
⋅⋅≥
K q H q
式中：q ------液压支架的支护强度，〔2
/m T 〕；
H ------采高，
〔m 〕； γ------顶板岩石容量，一般取2.33/m T ；
K ------顶板岩石破碎膨胀系数，一般取1.2～1.5；
α------工作面倾角，〔度〕；
β------附加阻力系数，二排立柱支架β取1.6，单排立柱支架β取1.2；
q '------顶板周期来压动载系数。

q '=
非周期来压时矿压值
周期来压时矿压值
，q '值可按以下情况选取：周期来压不明显顶板：q '取
1.1；周期来压明显顶板：q '取1.3；周期来压强烈顶板：q '取1.5～1.7。

⑵5
10,q KH Mpa γ-=⨯
式中：K —作用于支架上的顶板岩石系数，一般取5~8。

顶板条件好、皱起来压不明显时取
下限，否则取上限；
H —采高，m ；
γ—顶板岩石密度，一般取2.3×310kg/m 3。

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。

310,kN P qF =⨯
式中 F — 支架的支护面积，m 2。

可按下式计算
21()()(),m F L C B K L C A =++=+
式中 L —支架顶梁长度，m ； C —梁端距， m ；
B —支架顶梁宽度，m ；
1K —架间距，m ；
A — 支架中心距，m 。

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p 总为
,p
p kN η
=
总
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。

2、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%。

3、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 。

推溜力一般为100~150kN 。

4、支架高度
支架高度一般系指支架的最大和最小结构高度，它必须适应煤层采厚变化所要求的最大和最小支撑高度。

最小高度过大，可能会出现压架现象；最大支撑高度过小，可能会造成丢煤浪费资源，或支架顶空现象。

支架的最大和最小支撑高度，应根据煤层厚度的变化合理选择，片面地认为调高范围越大越好，过大地加大调高范围将增加设备重量及制造成本。

支架高度可由下式计算：
max H =大h －1S +0.2
min H =小h —2S —a —c
式中：max H ------支架最大结构高度，〔m 〕；
min H ------支架最小结构高度，〔m 〕； 大h ------煤层最大采高，〔m 〕；
小h ------煤层最小采高，〔m 〕；
1S ------支架前柱上方顶板下沉量，一般取0.1m ； 2S ------支架后柱上方顶板下沉量，一般取0.2m ； a ------支架前移时可缩余量，一般取不小于0.05m ； c ------支架与顶底板间的浮煤，破矸厚度一般取0.1m 。

根据一些生产的实际经验，为防止伪顶冒落而引起支架顶空现象和一些难于预见的因素，最大结构高度max H ，要在计算的基础上，再考虑增加0.1～0.3m 的富裕量。

确定支架的最低高度时还应考虑到井下的允许运输高度。

支架的伸缩比
max
min
S H K H =
s K 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，s K 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s K 值一般为2.5左右。

薄煤层支架可达3。

5、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。

⑴直接撑定掩护式支架，如图4-1所示。

c tg l
d y b -⋅-+++∆=α3.01
式中：∆------铲煤板铲尖到煤臂的距离，取100～200mm （具 体大小也可计算）；
y =F+G+J+V 式中：F------铲煤板宽度，一般取150～240mm ；
G------中部槽宽（查特征表）；
J------导向槽宽度，无链牵引时尚有齿轨部分宽度；
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；滞后移架时可取零；
e------人行道宽度，不小于0.6m ，高度不小于采高的70％； H------采高，〔m 〕； α------立柱倾角；
c ------梁端距，取250～350mm 。

122
1b b ≤
顶梁全长：21b b l +=
⑵支撑掩护式，如图4-2所示。

c tg H a
d y b -⋅-+++∆=α1
式中：c H d y ,,,,,α∆同前；
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 ；
2b ------通常2b =0.9～1.2m ，在中厚煤层中可设置为人行道； 3b ------由结构而定，一般情况为300～500 mm 。

顶梁全长：321b b b l ++=
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. 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 。

6、确定支架型号
根据以上所确定的架型和计算的参数，查附录5（或〔Ⅰ〕表8-4）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。

三、性能验算
1、底板比压
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 ＞⋅m q ⋅1K 2K
式中：q ------实测底板的最小抗压入强度，〔2
/cm kg 〕；
⋅1K ------底板载荷集中系数，一般取3；
2K ------洒水影响系数，一般取1.2～1.6；
⋅m q ------支架对底板的最大比压，〔2
/cm kg 〕。

可由支架特征表查得，若查不到也可
计算。

m q 的计算：
⑴平均接触比压p q ：若正压力正好通过底座的形心，且底座为刚性，则接触比压在整个接触面积上是均匀分布的。

它的平均接触比压为：
p q =
L
b p A
⋅ 式中：A p ------支架工作阻力；
b ------底座与底板的接触宽度； L ------底座与底板的接触长度；
⑵最大接触比压m q ：实际上，支架底座对底板的正压力并不通过底座的形心。

如图4-3所示底座正压力作用点的位置。

底座正压力作用点的位置可按下述公式求出：
1L =L —（0L +S ）+⋅H tg ϕ
式中：1L ------正压力作用点到底座前端的距离；
L ------底座与底板的接触长度； S ------A p 的作用点到O 点水平距离；
0L ------底座后端到O 点的水平距离；
⋅H ------支护高度；
ϕ------顶梁与顶板的摩擦角f =tan ϕ
f =0.1～0.3。

正压力作用点位于接触长度前半段时： 当1L ≤
⋅3
1
L 时：接触比压分布图形为三角形，如图4-4a 所示。

最大接触比压数值为： ⋅m q =
1
32L b p A
⋅⋅⋅≥2p q
当
⋅31L ＜1L ＜L ⋅2
1
时：接触比压分布图形为梯形，如图4-4b 所示，最大接触比压数
值为：
⋅m q =
A p L L L ⋅⋅-2
1
664
p q ＜⋅m q ＜2p q
正压力作用点位于接触长度后半段时：
最大接触比压位于底座后端与底板的接触点处。

接触比压分布图形与前面所述相似，如图4-4c 和d 所示。

⋅m q 的计算类同上述情况，只要将式中1L 用2L 代替即可。

若1L （2L ）确定不下来，可按⋅m q =2p q 来验算。

我国煤田一般顶底板单轴抗压强度试验数据 岩石类别
抗压强度（2
/cm kg ）
砂岩类
细砂岩
中粒砂岩 粗砂岩 粉砂岩 1060～1460 875～1360 580～1260 370～560 砾岩类
沙砾岩 砾岩 710～1240 820～960 页岩类 砂质页岩 砾岩 400～920 190～400 灰岩
石灰岩
540～1610
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。

当然若使用高度与支架本身的最大高度相差不多或立柱倾斜角较少时，可以不用计算。

3、顶板覆盖率
支架顶梁对支护面积的覆盖率为1100%()()
BL
L C B K δ=⨯++
式中：δ------覆盖率；
B ------顶梁宽度，
〔m 〕； 1K ------支架间距，〔m 〕；
L ------顶梁长度，
〔m 〕； C ------梁端距，
〔m 〕； 1K ：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%。

四、支架布置台数
n =A
L
式中：n ------支架布置台数；
L ------工作面长度，
〔m 〕； A ------一台支架支护宽度，通常为1.5m 。