坚硬顶板条件下综采面设备选型及液压支架设计.pdf

第 l 5卷 第 4期 总第 9 5期 2 0 1 0年 8月 煤 矿 开 采 Co a l mi ni ng Te c hn o l o g y V o 1 ． 1 5 N o ． 4 S e r i e s N o ． 9 5 Au g us t 2 01 0 坚硬顶板条件下综采面设备 选型及液压支架设计 李明忠 天地科技股份有 限公 司 开采没计事业部，北京 1 0 0 0 1 3 [ 摘要] 针对长治矿区中鼎矿 1 5号煤层的地质条件 ，综合考虑煤层储量、坚硬顶板条件、地 质储量、供 电条 件 、投资规模等 问题 ，对该综采工作面进行设备选型及液压支架设 计研 究，并对 支架 的理论 参数进行 了计算 ，同时对支架的结构特点进行 了详细 的设计研 究。 [ 关键词] 液压支架；选型；设计 [ 中图分类号]T D 3 5 5 ． 4 2 [ 文献标识码】B [ 文章编号]1 0 0 6 - 6 2 2 5 2 0 1 0 0 4 - 0 0 8 3 - 0 2 Eq u i p m e nt s Le c t o t y p e o f Fu l l - m e c ha n i z e d M i ni ng Fa c e a n d Po we r e d Su pp o r t De s i g n u nd e r Ha r d Ro o f Co nd i t i o n 1 工作面煤层地质情况与综采可行性分析 山西长治矿 区中鼎 矿设计 生产 能力 3 0 0 k t ／ a 。 矿井开采 1 5号 煤层 ，煤 层 厚度 4～5 ． 2 m，平均 4 ． 5 5 m，煤层倾角一般 8～ 9 。 ，煤层结构简单 ，含 1 ～ 2层炭质泥岩夹矸 ，全井田稳定可采 ；1 5号煤层 直接顶缺失，煤层基本顶为石灰岩 ，局部为泥岩 、 炭质泥岩伪顶。底板 为泥岩 ，局部 为炭质泥岩伪 底 ，易发生底鼓现象 ；为低瓦斯矿井 ；煤尘有爆炸 性；属 自燃煤层 。 矿井现用刀柱式采煤方法 ，采出率较低 ，仅仅 达到 3 0 ％ ～4 0 ％，拟采用综合机械 化开采 ，以提 高采出率。受供 电影响 ，工作面设备总功率不超过 1 0 0 0 k W，投资规模不宜太大。 2 工 作面 综采 设备选 型 结合 1 5号煤层地质条件 ，以提高煤炭采出率 为 目的、保证综采工作面的作业安全为原则 ，优选 工作面配套设备 ，使其符合工作面供电要求 ，采用 一 次采全高综合机械化开采。 采煤机1 5号煤 层属于 中厚煤层 ，适 宜的采 煤机较多 ，但受矿井供电能力及投资规模限制 ，工 作面不能采用大功率的采煤机 ，经过比较各个采煤 机的功率 、采高 ，确定采用 MG 2 0 0 ／ 4 7 5 一 WD型采 煤机 ，其改进后最大采高可达 到 4 ． 1 m，可 以回采 9 0 ％以上的煤层 ，与刀柱式采煤方法相 比，采出率 得到了显著的提升。 刮板输送机工作面年产 3 0 0 k t ，工作面长度 1 2 0 m，每天 只需 推进 1 ． 2 m，即可满足产量要求 ， 工作面倾 角 8～ 9 。 ，可选用 S G Z 7 3 0 ／ 2 6 4型刮板 输 送 机 。 其 他 设 备 转 载 机 S Z B 7 3 0 ／ 7 5 ；破 碎 机 P C M9 0 ；乳 化 液 泵 站 B R W4 0 0 ／ 3 1 ． 5 ；喷 雾 泵 BPW 2 0 0 ／ 6． 3。 根据以上选 型 ，工作面所需设 备总功率 约为 9 4 5 k W，满足矿方 1 0 0 0 k W 的要求 。 3综采工作面液压支架设计方案 3 ． 1 煤层赋存特点及对支架的设计要求 1 设计生产能力 3 0 0 k t ／ a ，综 采面供 电容量 1 0 0 0 k W，且投资额度 不宜过大 ，不适合大型综 采 设备。 2 坚硬顶板 ，支架应保证有足够 大的支撑 能力及切顶力 ，应优先选用 四柱支撑掩护式支架 。 3 煤层基本顶 为石灰岩 ，完整性较好 ，沿 顶板开采 ，采用整体顶梁 ，不带侧护板结构 ，既减 轻了支架重量，又便于加工生产 。 4 工作面倾角为 8～ 9 。 ，且采高较大 ，支架 预留防倒 、防滑装置连接耳座。 5 底板易发生底鼓 现象 ，支架需设 置抬底 机构。 6 1 5号煤层煤尘有爆炸性 ，要求支架配置 喷雾降尘装置。 3 ． 2液压支架方案设计 3 ． 2 ． 1支架 高度 确定 一 般工作 面支架高度 的确定是根据煤层厚度 ， 【 收稿 日期 ]2 0 1 0 0 4 2 6 [ 作者简介]李明忠 1 9 7 8 一 ，男，山东郓城人，在读博士，工程师，现从事液压支架研究工作。 83 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 9 5期 煤矿 开 采 2 0 1 0年第4期 但该煤矿受矿井供 电、投资规模限制，只能采用 M G 2 0 0 ／ 4 7 5 一 WD采 煤机 ，改进 后最 大 采 高可 达 4 ． 1 IT I 。因此 ，支架的最大结构高度定为 4 ． 3 m。 在坚硬顶板条件下，为减少掩护梁载荷 ，掩护 梁应尽量短。顶梁 、底 座柱 窝处要求具有更高强 度，通常在满足配套及下井要求前提下，根据 目前 成熟架型，以及立柱的伸缩比，确定支架最小结构 高度为 2 ． 1 I n 。 3 ． 2 ． 2支护 强度确 定 根据 1 5号煤层的地质条件 ，确定 液压支架的 额定支护强度下限为 Q 。 7 2 ． 3 h 4 ． 5 L 。 7 8 ． 9 B 一 1 0 ． 2 4 N一 6 2 ． 1 式中，Q 为额定支护强度下限，MP a ；h 为采高 ， 取最大采高 h 4 ． 1 m；L 。 为基本 顶周期来压步 距 ，取 L 。 5 0 m； B 。 为控顶距 ，取 B 。 4 m 顶梁 长度 梁端距 ； N为充填系数 ，Ⅳ 0 ． 7 5 。 将上述各参数代入上述公式计算得 Q 0 ． 7 6 7 MP a 因此，确定支护强度 Q O ． 7 6 7 MP a 。 3 ． 2 ． 3工作 阻力确定 根据支架的支护强度及结构参数 ，可以确定支 架的额定工作阻力 ，计算公式如下 P Q B L C／ 7 5 1 1 3 k N 式中， 为支架中心距取 ，1 ． 5 m；L为支架顶梁长 度 ，取 3 ． 5 m；C为梁端距 ，取 0 ． 5 m；7 7 为支撑效 率系数 ，取 0 ． 9 。 根据计算结果及 我国行业标准 中工作 阻力 系 列，综合考虑初撑力和工作阻力的比值 、立柱缸径 等因素 ，取额定工作阻力为 5 5 0 0 k N。 根据以上分 析计 算，确定选用 Z Z 5 5 0 0 ／ 2 1 ／ 4 3 型支撑掩护式液压支架 ，并对支架方案进行 了详细 的设计 结构如图 1 ，其主要技术参数如下 高度 2 1 0 04 3 0 0 ra m；初撑力 P 3 1 ． 5 MP a 4 3 1 7～ 4 4 5 1 k N；工作阻力 P3 9 ． 7 MP a 5 4 4 0～ 5 6 1 0 k N；支护强度 0 ． 9～0 ． 9 3 M P a；底板对 比压 0 ． 5 4～ 2 ． 5 3 MP a ；立柱 型式缸 径为 2 1 0 m m 的双伸 缩立柱 ；推移千斤顶行 程 7 0 0 ra m；拉架力 6 3 3 k N； 推溜力 3 6 1 k N 。 图 1 z z 5 5 0 0 ／ 2 1 ／ 4 3型支撑掩护式液压支架 杆 的抗弯、抗扭能力 ，提高 了支架的稳定性。 3 采用四柱支撑掩护式架型 ，后端切顶力 最大可以达到 4 0 0 0 k N，适应于坚硬顶板的开采。 4 支架在设计上通过增大掩护梁背角和减 小掩护梁长度的方式 ，尽量减小掩护梁在水平方向 上的投影，降低冒落顶板对掩护梁产生的冲击。 5 坚硬类 顶板综 采工作面，周期来压及初 次来压期间超前支承压力较大，易造成严重的煤壁 片帮及 冒顶事故，而且支架采高较高，为此设置用 四连杆机构控制的可挑平护帮板 ，挑起力矩较大， 有利于防止煤壁的片帮及顶梁前端顶板的维护。 6 增强各承载部件 的刚性，充分考虑到大 块冒落矸石对支架结构件的影响，各部件铰接部连 接强度 ，如连接耳板的厚度 、半径比普通支架增加 2 0 ％ 以上 。 7 立柱采用大 流量安全 阀控制 ，增强过载 保护能力，提高立柱抗冲击的能力。 8 采用不带配液板 的液控单 向阀，将立柱 下腔出液 口旋转 9 0 。 等办法 ，在保证最低行人通道 的前提下 ，尽量压缩支架的纵向长度 ，以减轻支架 重量 ，节约投资。 9 采用整体 顶梁不带 活动侧 护板形式 ，结 构简单 ，性能可靠。 4 支架设计的主要技术措施及支架结构特点 5 结束语 1 支架梁端 曲线变化平稳 ，支架在从 高到 低的运动过程中，双纽线呈前倾趋势 ，以使顶板与 顶梁问的摩擦力始终向后 ，可有效减少底座前端 的 比压，有利于移架。 2 前、后连杆均为分体双连杆，增大了连 8 4 采用综合机械化开采，可以改善工作面的安全 条件 ，提高煤炭采出率。据初步估算 ，整个矿井约 5 Mt 的储量 ，可多采 出煤炭约 2 M t 。工作面初期共 需投资 2 4 4 0万元 ，和刀柱式采煤法相 比，一个工 下转9 7页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 牛艳奇矿井提升机主轴的静力学分析及其优化 2 0 1 0年第4期 2 3 式中， S 为只考虑弯矩作用时的安全系数 ； S 为按 疲劳强度计算 的许 用安全系数 ， ．s ≥ 1 ． 5 ～1 ． 8 ； 一 为对称循环应力下的材料弯曲疲劳极 限，MP a ； r一 为对称循环应力下的材料扭转疲劳极限 ，MP a ； K ， 分别为弯曲和扭转时的有效应力集 中系数 ； JB为表面质量系数 ； ， 分别为弯 曲和扭转时的 尺寸影响系数 ； ， 分别为材料拉伸和扭转 的平 均应力折算系数 ； ， 分别为弯曲应力的应力幅 和平均应力 ，MP a ； ， 分别为扭转应力 幅和平 均应力 ，MP a ；S为主轴安全系数。 校核截面A o r l II 2 7 0 M P a ， 一 】II 1 5 5 MP a ， K I I 2 ． 1 7 ， 2 ． 3 0 ， 卢1 ． 0， 0 ． 6 ， 0 ． 6 ， 61 ．1 2MP a， 0，丁 3 0． 6MP a，丁 0。 代入公式 1 ， 2 ， 3 得 S 1 ． 2 ， S 1 ． 8，S 1 ．1 Sp。 经过计算校核发现 A截面安全 系数不能满足 要求，须改进优化设计 。 采用相同的数值模拟和计算方法 ，可 以得 出危 险截面 B，C的平均应力 图、位移图以及应力曲线 图，进一步对 B，C截面安全系数进行校核 。 校核截面 B 一 1 2 7 0 MP a ， r 一 1 1 5 5 MP a ， K 2 ． 0 8 ， K 1 ． 6 9 ， 卢1 ． 0 ， s 0 ． 6， 0 ． 6 ， O - 4 2 ． 6 2MPa， 0， 5 6 ． 5 4MPa，丁 0。 代人公式 1 ， 2 ， 3 得 S 1 ． 8 2 ， S 0 ． 9 7，S 1 ．1 3 Sp。 校核截面 C 一 12 7 0 MP a ， r 一 】 1 5 5 MP a ， K 2． 08，K i -- ．1 ． 6 9， 1 ． 0， 0． 6，s 0 ． 6， 9 4． 1 2 MPa， 0，丁 2 2． 8 4MPa，．r 0。 代人公式 1 ， 2 ， 3 得 Q8 3 ， S 24 ， S Q7 9 S p。 经过计算 校核 B，C两个截 面均不 能满足 要 求，须改进优化设计 。 3 优 化设 计 通过采用减小卷筒的宽度来降低轴的长度。在 危险截面处增大轴的半径和减小轴肩的尺寸等手段 来提高危险截面的安全系数。采用数值模拟分析技 术对主轴进行优化设 计 ，按公 式 1 、 2 和 3 分别进 行计算校 核 ，所 得数据 如表 1所 示。 通过优化设计得到满足要求的方案 ，大大缩短了设 计的周期 ，提高了设计效率。 表 1 各 方案 的截 面安全 系数 4结束语 A N S Y S 提 供 供 了 与 C A D软 件 的专 用 数 据 接 口，能够实现与 C A D软件间无缝 的几何模型传递 ， 避免 了繁杂的重复工作 ，把 P R O ／ E和 A N S Y S有 限元分析软件的各 自优势相结合 ，对主轴进行了静 力分析 ，得到 了主轴上主应力分布云图和变形趋势 图 ，并对危险截面进行 了校核，给出了一种刈 i i ll 强度进行近似计算的有限元方法 ，这种方法不仪 I l J 以满足工程设计中要求较低情况下的需要 ，还为进 一 步进行振动和疲劳强度分析打下了基础。 [ 参考文献] [ 1 ] 中国矿业学 院 ．矿井提 升设备 [ M]．北 京 煤 炭工业 出版 社 ，1 9 8 1 ． [ 2 ]葛成远 ．煤 矿提 升设备 的改造 [ M]．北 京 煤 炭工业 出版 社 ，1 9 8 8 ． [ 3]AN S Y S ． I n c ． A N S Y S E l e me n t s R e f e r e n e e N i n t h E d i t i o n S A S[ M]． I P I n c ． 1 9 9 7 ． [ 4 ]成大先 ．机 械设计 手册第 四版第 二卷[ M]．化 学工业 出版 社 ，2 0 0 2 ． [ 5]邓凡平 ． A N S Y S有 限元 分析 自学 手册 [ M]．人 民邮 电出版 礼 ，2 0 0 7 ． [ 责任编辑 张银亮] 上接 8 4页 作面可 以多产生效益 7 6 4万元。只需 3个工作面即 可完全收回投资。 通过以上分析 ，该矿 l 5号煤层 采用一次采全 高综采 ，在技术上是可行的 ，经济上是合理。而且 该综采工作面设备选型和液压支架选型设计经验对 于国内类似地质条件的矿井具有很好 的借鉴意义。 [ 参考文献 ] [ 1 ]王国法 ，等．液压支架技术 [ M] ．北 京 煤 炭工 业出版 社． 1 9 9 9． [ 2 ]MT 3 1 2 2 0 0 0液 支架 通用技 术条件[ S] ．北京 中国标 准 出版社 ，2 0 0 0 ． [ 3 ]MT 5 5 4 1 9 9 6缓倾 斜 煤层 工作 面 顶板 分 类附 录 [ S] ．北 京 巾国标准出版社 ，1 9 9 6 ． [ 责任编辑 张银亮] 一 r 一 ≥ 嘉器 蔼 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m