本科毕业论文---放顶煤液压支架.doc
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1、 中国矿业大学2008届毕业生毕业设计 第 120 页1 综 述液压支架是在摩擦支柱和单体液压支柱等基础上发展起来的工作面机械化支护设备。它与滚筒采煤机、可弯曲刮板输送机、转载机及胶带输送机等组成一个有机的整体,实现了采、支、运等主要工序的综合机械化采煤工艺,从而使长壁采煤技术进入了一个新的阶段。液压支架能可靠而有效的支撑和控制工作面顶板,隔离采空区,防止矸石窜入工作面,保证作业空间,并且能够随着工作面的推进而机械化移动,不断的将采煤机和输送机推向煤壁,从而满足了工作面高产、高效和安全生产的要求。液压支架的总重量和初期投资费用占工作面整套综采设备的60%70%左右,因此液压支架成了现代采煤技术
2、中的关键设备之一。1.1 液压支架的应用与研究现状液压支架是综合机械化工作面的主体设备,它能可靠而有效地支撑和控制工作面顶板,隔离采空区,保持安全的地下作业空间,并实现回采工作面及其相关设备的机械化推移。液压支架与采煤机、可弯曲输送机和顺槽转载机配合,构成了回采工作面的综合机械化设备,从而为煤矿地下开采实现高产、高效和安全生产创造了条件。因此,采用液压支架支护顶板是当代采煤技术的一次重要变革,也是煤矿生产现代化的重要标志。1.1.1 国外液压支架现状支护和控制顶板,保持工作面的安全生产空间,是煤矿地下开采中的首要任务。在二十世纪五十年代前,国内外煤矿生产中,基本上均采用木支柱、木顶梁或金属摩擦
3、支柱和铰接顶梁来支护顶板。1954年英国首次研制出液压支架,将液压技术应用到支护设备上,从而开辟了回采工作面支护设备的技术革命。从二十世纪六十年代起,国外各主要产煤国家,如前苏联、英国、法国、澳大利亚、美国、波兰等国家均相继大力发展和研制了各种型式的液压支架,并在煤矿生产中获得了广泛而成功的应用,从根本上改变和提高了地下开采的作业条件和安全性。据统计,目前这些主要产煤国家的地下开采综合机械化程度己达到90%左右,取得了良好的经济和社会效益。八十年代以来, 世界主要采煤国家一直围绕减面提产、减人提效、降低成本、实现矿井集中生产做努力, 他们积极开发和应用新技术, 致力于高性能、高可靠性的新一代重
4、型液压支架的研制。目前,以液压支架为主体的地下开采设备,己逐步向程控、遥控和自动化方向发展。这种新型液压支架普遍具有微型电机或电磁铁驱动的电液控制阀,推移千斤顶装有位移传感器, 采煤机装有红外线传感装置,立柱缸径超过400mm。为减少割煤时间,一般采用0. 81m 的截深。支架还采用屈服强度8001000MPa 的钢板,既有较高的强度、硬度和韧性, 又具有良好的冷焊性能。随着长壁工作面长度的不断增加, 为适应快速移架的需要, 国外还广泛采用高压大流量乳化液泵站, 其额定压力为4050MPa , 额定流量400500L / min ,可实现工作面成组或成排快速移架,达到68s/ 架。美国是世界上
5、最先进的采煤国家, 早在1990年就已采用额定压力50MPa 、额定流量478L / min的乳化液泵站, 以实现支架快速推进, 移架速度达68s/ 架。美国的高产高效工作面采用两柱掩护式支架, 使用寿命8 10 年, 可用率高达95 %98 % 。支架平均工作阻力6470kN ( 最大为9800kN) , 支架宽度普遍增大, 中心距达到1.75m ,并向2m 发展,增大架宽有利于减少工作面架数、缩短移架时间、增加有效工作时间和提高单产。如洛斯公司20 英里矿在2505280m 长壁综采面用工作阻力为28565kN 电液控制两柱掩护式支架,1997 年6 月产商品煤90. 43 万t , 成为
6、世界上首次月产商品煤近百万吨的工作面; 1995 年9 月, 阿科煤炭公司的西糜鹿矿用工作阻力为8900kN 电流控制的两柱掩护式支架,月产煤达到60. 11 万t 。美国综采工作面最高日产超7 万t ,最高工效1336t / 工。澳大利亚也基本上采用一井一面的高度集中化生产, 使用两柱掩护式支架, 支架的平均工作阻力为7640kN 。如尤兰矿用电流控制的两柱掩护式支架,在1995 年8 月8 日创下澳大利亚有史以来日产3.41 万t 的最高记录, 班产一直保持在50006000t 。英国也在大力发展两柱掩护式支架, 工作阻力有了很大提高,达到60008000kN 。1.1.2 国内外液压支架
7、现状我国是煤炭生产大国,在二十世纪六十年代也曾研制了几种液压支架,但未得到推广和应用。七十年代我国从英、德、波兰和前苏联等国引进了数十套液压支架,经过试用、仿制和总结经验,到八十年代以后我国液压支架的研制和应用获得了迅速的发展,相继研制和生产了TD系列、ZY系列和ZZ系列等二十多种不同规格的液压支架,并在国内大、中型煤矿中推广应用,大大提高了我国煤矿开采的机械化水平。我国在1964 年由太原分院和郑州煤机厂设计70 型迈步式自移支架, 从此开始了液压支架的国产化道路。1984 年,北京开采所、沈阳所、郑州煤机厂在沈阳蒲河矿进行我国第一套放顶煤液压支架的工业性试验,继而研制了多种低位、中位和高位
8、放顶煤支架, 成功地在缓倾斜厚煤层和急倾斜厚煤层水平分层工作面使用。1990 年后, 国产液压支架得到了全面的发展,到1998 年止,全国已建成88 处高产高效矿井,其中14 处矿单个工作面的单产达15.72 万t / 月, 原煤生产人员效率达9.16t / 工, 综采机械化水平达49.32 % ,达到了世界先进水平。据统计:1995年,我国统配煤矿的综合机械化程度已达50%左右,液压支架在籍套为509套:2000年统配煤矿机械化程度己达65%。液压支架在籍套数达700多套。目前,国内大、中型矿井中,条件合适的煤层均采用液压支架进行综合机械化开采。液压支架己成为保证安全、高效生产的一种重要设备
9、。在综采比例方面也低与世界产煤大国地位极不相称世界主要产煤国家的综采比例都是全国煤炭井工生产的比例。波兰是92.5 % ,俄罗斯是85.7 % ,乌克兰是76.4 % , 而美国、德国、英国、日本都是99 %以上。我国1998 年统计,国有重点煤矿回采产量3.67 亿t ,只有1.87 亿t 是综采生产,占49.32 %。而国有地方煤矿的综采比例远低于此数;乡镇地方煤矿则基本是空白。据初步估计,按全国井工生产的煤炭来算,综采比例只有23 %左右。我们液压支架制造技术水平比较落后,在支架材料、加工工艺、性能和使用寿命等方面与世界先进国家相比还有很大差距。支架液压系统的阀类,用的是乳化油,防锈蚀要
10、求很高,国外一直使用铜合金阀壳和高强度不锈钢阀芯;我国是45 号钢加表面防腐处理。密封件的寿命国外大于5a ,我国是2a 左右。我国液压支架耐久性试验要求是大于7 000 次,印度要求是大于35 000 次,美国是大于45 000 次。这样技术质量水平的支架在国内一般矿井勉强可以使用,在国内高产工作面及在国际上是没有竞争力的。综采工程技术人员普遍认为目前我国支架的工艺技术水平尚未达到1979 年引进的100套支架的技术水平,可想落后远不止20 a 。国内产煤大矿务局高产工作面使用进口设备这一问题发人深省。我们液压支架控制系统的研究也落后,目前,我国国产液压支架的控制方式仍然停留在跟机手把单向邻
11、架控制或本架控制水平。这种控制方式,虽然具有控制系统简单、制造容易、造价较低和对煤层地质条件变化适应性较强的优点,但它存在严重缺点: (1) 工人劳动条件差,安全性差;(2)移架速度慢,影响采煤机效率的发挥; (3) 通风条件差,支架故障率高; (4) 支架支护效能的发挥程度与操作人员的经验多少和技能高低有密切关系。1.2 液压支架的研究与发展趋势21 世纪是以网络信息为代表高科技迅猛发展的新时期,也是是煤矿以高效集约化生产为特征的新时期,为了满足高产综采工作面生产发展的需要,就煤炭综采而言,国外主要产煤国家从未停止过依靠更大的技术投入取得采煤更高经济效益的努力。我们也必须抓紧研制和推广电液控
12、制系统。液压支架实现自动控制后,就可有效地克服上述缺点,实现对支架的电液控制,而且有多种控制方式可供选择,人员可在较安全的地方集中对整个工作面的支架进行远程控制或程序控制。现在世界上已经有70 多个电液自动化控制工作面。工作面的技术设备又正在以迅猛之势向前发展。我们不能依赖老实进口,我们要自己研制,否则和我国产煤大国的地位也是极不相称的。我国液压支架经过20 多年的发展, 尽管取得了显著成绩, 在双高矿井建设中出现过日产万吨、甚至班产超万吨的记录, 但总体水平与世界先进采煤国家仍存在一定差距。在支架架型功能上我国与国外相差无几, 有些地方特别是特厚煤层用的放顶煤支架、铺网支架、两硬煤层的强力支
13、架、端头支架还有独到之处, 但国产液压支架技术含量偏低, 电液控制阀可靠性差,所用钢材一般为16Mn ,最好的屈服极限才700MPa , 液压系统压力在35MPa 以下,流量在200L / min 以内,供液管2532mm ,回液管2550mm , 最快移架速度1012s/ 架(井下实际应用有时在20s 以上) , 工作阻力更是相对较低。今后10 年, 我国的液压支架将朝技术含量大、钢板强度高、移架速度快(68s/ 架) 和电液控制阀的方向发展, 对有破碎带和断层的工作面将加大支架的移架力, 尽量采用整体可靠推杆和抬底座机构,并减少千斤顶的数量。另外,将普遍采用额定压力为40MPa 、额定流量
14、为400L / min 的高压大流量乳化液泵站, 以适应快速移架的需要; 系统采用环形或双向供液, 保证支架有足够的压力达到初撑力,保证支架接顶位置准确。ZY 两柱掩护式支架的比重将大大增加, 缸径将增至360mm , 端头支架、轻放多用途支架将被广泛使用。所以,今后除应继续针对我国国情和煤层具体条件,开发一些新架型、新品种外,还应在改进支架控制系统和提高支架的工作可靠性方面下功夫。作为一种回采工作面的支护设备,液压支架的架型、结构与相关参数,必须与回采工作面的顶、底板条件和煤层条件相适应,才能取得良好的支护效果。由于地下开采条件的复杂性和多样性,因此,尽管国内外对液压支架己经过了近半个世纪的
15、研究和应用,出现了数十种不同的结构架型,但至今为止,也仅能在缓倾斜中厚以下煤层中获得了较为成功的应用,对于倾斜、急倾斜或厚煤层中的液压支架尚处在研究和试验阶段。即使对于缓倾斜中厚煤层的液压支架,其结构、性能与控制方式如何更适应不同的生产条件,仍需不断的改进和研究。目前,液压支架设计研究取得重要进展,主要在以下方面:(1) 设计理论和方法有了突破。煤炭科学研究总院北京开采研究所对支架力学持性进行了深入的研究,提出了液压支架三维力学模型的计算方法,克服了传统平面力系计算方法的缺陷,提出了液压支架总体结构参数优化设计方法,开发出液压支架设计计算通用软件系统,并广泛应用,使我国液压支架设计计算提高到一
16、个新水平。(2) 完成液压支架计算机模拟试验的研究。把有限元方法成功地用于液压支架的研究,建立了液压支架整体有限元模型,开发出SSTS液压支架模拟试验计算机仿真软件系统,大大提高了液压支架设计的可靠性,广泛应用于液压支架设计研究,达到国际先进水平, 为我国液压支架打入国际市场发挥了重要作用。(3) 技术规范和标淮化建设取得重要进展。我们已先后制定液压支架系列技术标准17项,成为国际上液压支架标准较完善的国家之一,促进了液压支架技术的发展。(4) 计算机辅助设计(CAD)有了较大发展。开发了CAD工作站和微机CAD系统,建成了较完整的液压支架数据库和通用件国库,并正在逐步实现支架设计CAD化。(
17、5) 液压支架控制系统有了重大进步。根据我国国情研制的全液压手动控制快速移架系统的广泛应用,使支架降、移、升速度大幅度提高,由过去的20 30s/架,提高到912s/8架。(6) 新架型研制成绩显著,架型结构进一步完善。新型高可靠性支架,反向四连杆高产高效低位放顶煤支架,适应中小煤矿的单一煤层开采用轻型支架和轻型单摆杆放顶煤支架均取得成功。基于以上进展,液压支架的研究与发展方向是:(1) 在己有支架设计与应用经验的基础上,研究支架的智能化设计方法和结构与参数的优化,进一步提高支架设计的科学性、可靠性和结构性能的优化性。(2) 研究特殊煤层使用的液压支架,以适应不同的开采条件。(3) 研究新型元
18、件与材质,以减轻支架重量,提高支架的性能和使用寿命。(4) 研究支架的遥控、程序控制和性能自动监测,为回采工作面的半自动化与自动化创造条件。1.3液压支架的工作情况图1-1 综采工作面图1-1所示为液压支架在工作面的布置示意图。每个工作面一般由采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、乳化液压站和油管等主要设备组成。为了实现顶板即时支护,采用即时支护的方式。采煤机每切割一刀,液压支架依次完成降柱、移架、升柱和推溜四个主要动作过程。A-A截面是采煤机割煤前支架的工作状态,此时,输送机紧靠煤壁,推溜千斤顶活塞杆处于伸出状态,输送机紧靠煤壁。B-B截面是采煤机截割后的状态,端面距等于920mm。C-C断
19、面是移架后的状态。它是在采煤机截割后,支架经降柱卸荷,并以输送机为支点,支架前移到靠近输送机的位置,然后升柱,支护好新暴露的顶板。D-D断面是推溜后的状态。在支架支撑顶底板后,以支架为支点,把输送机推向煤壁情况随着采煤机割煤的继续,工作面液压支架不断重复上述四割主要动作过程。从而对顶板进行即时支护,防止顶板冒落,保持一定的作业空间,确保综采工作面人员和设备的安全,实现顶板管理及采煤作业过程机械化,提高采煤工作效率。1.4液压支架的组成 液压支架是综采工作面支护设备,它的主要作用是支护采场顶板,维护安全作业空间,推移工作面采运设备。 根据各部件的功能,液压支架的组成可归纳为五个部分见下表1-1表
20、1-1 液压支架组成表序 号部 件功 能举 例1承载结构件承受并传递顶板载荷作用的结构件顶梁、掩护梁、底座、连杆2动力油缸用液体作介质可以主动产生作用力,实现各种动作的油缸立柱、各类千斤顶3控制元部件操纵、控制支架各个动力油缸动作及保证所需工作特性的液压(电气)元部件操纵阀、单向阀、安全阀及管路、液压(电控)元件4辅助装置不直接承受顶板载荷,而实现支架某些动作或功能所必须的装置推移装置、护帮装置、活动侧护板、防倒、防滑装置5工作液体传递能量的工作液压介质乳化液1.4.1四柱式低位放顶煤液压支架的组成 图1 .2低位放顶煤液压支架组成示意图 1立柱2底座3顶梁4掩护梁5伸缩放煤板6尾梁 7前四连
21、杆 8后四连杆9尾梁千斤顶 10放煤板千斤顶 1.4.2放顶煤液压支架适用范围(1)煤层厚度一般为512m左右、或着厚度变化较大。(2)煤质比较松软,或节理发育,容易在矿压下冒落的煤层。(3)对于松软和易破裂煤层,厚度为58m左右时,可选用掩护式支架,采用天窗式结构,如单输送机放顶煤支架;对于厚度较大,煤质较硬,但节理发育,易破裂的煤层,可用支撑掩护式支架,采用插板式或天窗插板式等结构。(4)顶板中等稳定以下,可随采随冒。(5)工作面倾角一般不大于300(6)煤的自然发火期一般不大于半年,并应采取相应措施。1.4.3低位放顶煤液压支架主要技术特征这是一种双运输机运煤、在掩护梁后部铰接一个带有插
22、板的尾梁、低位放煤的支撑掩护式液压支架。这类支架有一个可以上下摆动的尾梁 ( 摆动幅度在左右 ),用以松动顶煤,并维持一个落煤空间。尾梁中间有一个液夜控制的放煤插板,用于放煤和破碎大块煤。具有连续的放煤口。其主要特点如下:(1)由于具有连续的放煤口,放煤效果好,没有脊背煤损失,回收率高。(2)和其它支架相比,从煤壁到放煤口的距离最长,经过顶梁的反复支撑和在掩护梁上方的垮落,是顶煤破碎较充分,对放煤极为有利。(3)后输送机沿底板布置,浮煤容易排出,移架轻快,同时尾梁插板可以切断大块煤,是放煤口不易堵塞。(4)低位放顶煤使煤尘减少。(5)前四连杆低位放顶煤液压支架的抗扭及抗偏截能力差,支架的稳定性
23、较差。(6)尾梁摆动力和向上的摆角较小,破煤和松动顶煤的能力差。这类支架的原始形式是前四连杆式,在矿压较小的急斜水平分段开采时比较适应,为使这种架型在缓斜长臂工作面中发挥其优势,如今做了如下探索:(1)把四连杆的上连接位置由顶梁上改在掩护梁上,使支架底部和上部的连接位置更接近扭转力矩的作用点,增加了支架的强度,减少了支架的损坏,形成了目前在缓斜工作面大量使用的后四连杆式低位放顶煤液压支架。(2)大幅度加强前四连杆本身以及它与顶梁、底座的联接强度,这种作法增加了支架的重量,有的重达20t以上,但设计时容易实现加大后部运输空间和增加破煤能力。(3)增大后部空间和尾梁向上摆动的力,使其在较硬煤层中使
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