液压支架的选型设计

白建军

（山西煤炭运销集团鸿泰煤业有限公司，山西阳泉045000）

0 引言

煤矿的开采需要借助机械设备的帮助。液压支架作为煤矿开采必备的设备之一，在煤矿开采的过程中起着至关重要的作用。液压支架的设计便成了开采煤矿的首要任务之一。

对于不同的采煤区域，其所对应的采煤工作面的煤层厚度、倾角、结构、煤和煤层周围岩石的性质以及煤层顶板和底板状态灯都各不相同。这就要求在设计液压支架的过程能够充分考虑到上述因素，只有设计出和开采区相匹配的不同类型和结构尺寸的液压支架，才能保证开采区的安全高效生产。本文主要对液压支架的选型设计进行阐述［1］。

1 液压支架的基本要求

液压支架的作用就是利用液体压力产生支撑力并实现自动移动进行顶板支护和管理的一种液压动力装置。这就要求其必须满足一定的基本条件［2］：

1）为了保证在采煤过程中人员的安全和生产的顺利进行，液压支架必须具有一定的初撑力来支撑煤层顶板和工作阻力。

2）液压支架应具有足够的推溜力，推溜力一般取100 kN；液压支架还应具有一定的移架力。煤层厚度不同，所对应的移架力也各不相同，煤层越厚所需要的移架力则越大。一般薄煤层取100kN，中煤层取150～250kN，厚煤层取300～400 kN；

3）为了防止煤层中矸石掉落砸伤人和设备，液压支架还应具有良好的防矸和排矸能力。

4）空间宽敞，保证空气流通，人员呼吸顺畅；足够的设备操作和人员行走空间。

5）由于采煤区工作环境相对较差且具有许多不确定因素，因此液压支架必须具有良好的稳定性、刚度，能够承受冲击和不均匀载荷。

2 液压支架架型的选择

液压支架的选型主要取决于煤层的厚度、倾角、瓦斯含量、地质构造、设备成本等多个方面，因此选择一种既能满足性能要求又经济实惠的液压支架至关重要。

2.1 液压支架分类

液压支架型式很多，按照架型结构可以分为：a.支撑式支架，可以分为节式支架和垛式支架；b.掩护式支架，可以分为支撑掩护式和支顶掩护式。

2.2 老顶等级和直接顶类别的确定［3］

来压强度决定了老顶的等级，而冒落带岩石对采空区的充满程度则决定了老顶的来压强度。充满程度记为N。我们把老顶初次来压步距记为Lp。此时老顶的来压强度可以分为四级，见表1。

表1 老顶等级

直接顶类别确定见表2。

表2 中，D1=σ×c1×c2。σ 为岩石单向抗压强度，MPa；c1为节理裂隙影响系数；c2为分层厚度影响系数。

表2 直接顶类别

表3 液压支架选型的确定

2.3 液压支架选型的确定

根据老顶等级和直接顶的类别确定液压支架的选型，见表3。

表3中，括号内数字为掩护式支架顶梁上的支护强度（采高为最大采高1.3），1.6为增压系数。

3 支架整体结构设计

3.1 支架高度

液压支架的高度应根据采煤区煤层的厚度、倾角以及采煤区其它条件等进行确定。液压支架的最大、最小高度为［4］：

式中：Hm为液压支架的最大高度；Hn为液压支架的最小高度；hm为开采煤层的最大厚度；hn为开采煤层的最小厚度；S1为初撑力要求的支撑高度，一般为200～300 mm；S2为顶板的极限下沉范围，一般为100～200 mm；α为液压支架移动时的最小伸缩距离，一般为50 mm；σα为浮煤层和浮矸石的厚度，一般为50 mm。

3.2 支架伸缩比

液压支架的极限伸出度和液压支架的极限缩回度的比为支架伸缩比，公式为m=Hm/Hn。

为了提高液压支架的利用率，同时降低成本，液压支架应能够应用在不同高度的工作区。这就要求液压支架具有一定的伸缩比，一般取1.5～2.5。不同型式的液压支架的伸缩比各不相同：采用双立柱时，垛式支架为1.9，支撑掩护式支架为2.5，掩护式支架可达3。煤层越薄取值越大。为了节约成本并降低支架的重量，一般根据单位缸长行程K1来确定采用伸缩油缸的个数，当K1＜0.7时用单伸缩油缸支架，公式为

式中：K1为单位缸长行程；Lm为活塞满行程时立柱的尺寸；Ln为活塞初始状态时立柱的尺寸；Lm-Ln为活塞行程。

3.3 支架间距

相互挨着的一组液压支架中心之间的长度表示支架间距，公式为bc=Bm+nc3。

式中：bc为支架中心距；Bm为支架顶梁宽度；c3为紧挨的两个支架顶梁之间的距离；n为单个支架个数，其中整体自移式支架n=1；整体迈步式支架n=2，节式组合迈步支架n=支架节数。

支架的间距是由支架的组织结构形式决定的，而在实际工作中支架间距主要与支架推移千斤顶相关。由于支架千斤顶与溜槽相连，因此溜槽的单节长度和支架千斤顶与溜槽的连接位置决定了支架间距。通常情况下溜槽的单节长度为1.5 m，当千斤顶的连接位置处于溜槽中间时，此时支架的间距为1.5 m。

3.4 底座长度

底座作为承受采煤工作载荷的主要部件，在保证具有相应的结构强度外，还必须保证具有一定的稳定性。因此在设计支架底座时应考虑到以下几个方面的因素：1）保证支架与底座有较小的接触比压；2）保证支架内部空间富余，便于安装相应的结构设施。

通常掩护式支架的底座长度为2.1 m，支撑掩护式支架的底座长度为2.4 m。

3.5 顶梁长度计算

液压支架的顶梁是与采煤区顶板直接接触的部件，主要起对顶板的支撑和防护作用，这就要求顶梁和顶板要有足够的接触面积，同时由于采煤区顶板状态的不平整性，还要求液压支架顶梁具有防止局部应力损坏的能力。顶梁结构形式主要分为：掩护式支架顶梁和支撑式支架顶梁。掩护式与支撑掩护式支架顶梁长度计算公式为［5］

顶梁长度=［配套尺寸+底座长度+AcosQ1］-［GcosP1+300+e］+掩护梁与顶梁铰点至顶梁端点距离。

式中：配套尺寸参考原煤炭部煤炭科学研究院编制的综采设备配套图册确定；底座尺寸为后连杆下铰点同底座前部分的长度；e为支架从上到下顶梁最前部分的最大范围；P1、Q1为支架处于最高处时，水平面同支架掩护梁所成角度、水平面同后连杆所成角度。

4 结语

对液压支架的选型及其整体结构设计进行了阐述，特别是对影响液压支架选型的因素和液压支架各个部件的结构设计进行了详细说明，为液压支架的设计工作提供了理论依据。

［1］ 干云洪，孔玉全.液压支架合理选型及支架阶梯创新［J］.煤采矿技术，2011（1）：47-48.

［2］ 阎建国.浅析中厚煤层液压支架选择及其特点［J］.北京：工业技术，2012（12）：95-96.

［3］ 王启广，耿东峰,李琳,等.液压支架的现状与发展趋势［J］.矿山机械，2008（8）：9-10.

［4］ 赵衡山.高产高效工作面液压支架的发展［J］.煤炭科学技术，1998（1）.

［5］ 史元伟.液压支架与围岩力学相互作用及支架选型研究［J］.煤炭科学技术，1999（5）.