浅谈矿井采区液压支架的选型设计及其维护

IV级顶板（周期来压及其强烈）。由上可知，直接顶的类别和基本顶级别，两种的划分都无严格的定量评定指标，因此按顶板性质分级来选择架型不一定十分科学、严密，具体选用时可遵循下列原则：对于基本顶周期来压不明显的中等稳定或破碎顶板，可选用掩护式液压支架；对于直接顶稳定的顶板，可选用支撑式或支撑掩护式液压支架。对于基本顶周期来压强烈（Ⅲ～Ⅳ级）直接顶不稳定或中等稳定的顶板，可选用支撑掩护式液压支架；对于直接顶稳定或坚硬的顶板，可选用支撑掩护式液压支架或支撑式液压支架。此外，由于某些顶板条件比较特殊，故可采用多种形式的液压支架，因此液压支架架型的选择既要以顶板性质作为依据，还应考虑顶板级别划分的模糊性，在顶板类、级大致估定的条件下，宜侧重于选用防护性能较好的液压支架，如掩护式支架或带有护帮装置的液压支架。底板底板软硬程度或强度大小，决定了底座结构形式和支承面积。底座是液压支架的主要承载部件，它将顶板压力传至底板。其结构形式分为以下几种：整体刚性结构：用钢板焊接、成箱形结构，底部封闭，强度高，稳定性好，对底板比压小，但排矸性差，适用于底板较松软、采高与倾角较大及稳定顶板等条件。分式刚性结构：左右对称，座箱上部用过桥或箱形结构固定连接，底板不封闭，排矸性较好，对顶板适应性较好。左右分体结构：两个独立而对称的箱形结构，两部分用铰接过桥或连杆连接，可在一定范围内摆动，对不平底板适应性好，排矸性较好。3、煤层厚度：当煤层的厚度高于2.5米，并且矿井的顶板有水平推力或者侧向推力时，适宜选择抗扭曲能力较强的液压支架；当煤层厚度超过2.5米~2.8米及以上时，则适宜选择带有护帮装置的支撑掩护式液压支架；4、底板强度：要使液压支架对矿井底板的荷载强度不高于矿井底板的允许抗压入强度，对于较软的底板要作验算；5、瓦斯含量：在综采工作面涌出的瓦斯量要符合煤矿生产的安全要求，对于瓦斯量涌出量大的工作面要选用通风断面比较大的支撑掩护式液压液压支架；6、地质构造：矿井现板的允许暴露时间与面积在20分钟和5-8平方米以下时，不适宜进行综合开采；7、煤层倾角：煤层倾角主要影响液压支架的稳定性能《煤矿安全规程》第67条规定：煤层倾角＞15°时，液压支架应采取防倒、防滑措施。8、经济成本：对于液压支架使用数量比较多，并且选择范围比较大时，适宜采用经济型液压支架。在地质条件允许的情况下，液压支架选择范围较大，且使用数量较多，此时应优先考虑经济型的液压支架，以降低企业成本，在管理上做好液压支架的日常检修和维护，可大大减少使用过程中的维检资金，争取最大的经济效益。二、选型原则：对于薄煤层（采高小于1.3米）开采，在液压支架选型时应考虑通风断面和作业空间较大的掩护式或支撑掩护式液压支架。煤层厚度超过1.5米时，顶板对液压支架有一定的水平和侧向推力，这种情况下应优先选用抗水平力和扭转能力强的掩护式结构的液压支架，而不宜用支撑式支架。煤层厚度超过2.5米时，煤壁和悬顶部分顶板可能在矿压作用或采煤机割煤时振动而引起的垮落，需要选用带有护帮装置的液压支架，一般多采用支撑掩护式支架。如果煤层厚度变化较大，由于双伸缩立柱的行程范围较大，能更好地适应这种煤层条件。对于煤层厚度大、煤层松软或节理发育，因其不便于分层开采，煤层较破碎，在矿压作用下易冒落，可选用放顶煤支架。第二节：液压支架支护强度分析液压支架的支护强度主要是根据初撑力与支架工作阻力两个参数决定的。一、工作阻力的计算液压支架工作阻力是液压支架研制的关键性参数，但影响该参数的合理值的因素多而复杂，故至今仍处于探索和发展中。1、岩石自重法：这种方法在我国研究得比较深入，理论分析与实际观测均有研究，且与实际相差不大。此法实质是以老顶周期来压时采面上覆岩层移动所波及的范围，即以垮落带内岩石重量和周期性断裂层所产生冲击载荷来确定液压支架工作阻力的。很多学者以此为基础推算了很多公式，以载荷估算法和理论分析法为代表。2、动载系数法：根据实测所得加权平均工作阻力和最大工作阻力及采面至开切眼距离，可确定老顶周期来压步距，即两次阻力峰值间距，进一步可确定动载系数，从而求得工作阻力。3、载荷折算法：按照相近条件工作面的采面单体支柱实测支护强度折算得出液压支架支护强度。这种方法虽然比较准确，但是须有支柱载荷数据方可使用，具有局限性。4、老顶来压步距法：认为老顶来压步距是影响支架工作阻力的重要指标，经回归分析得出了公式。5、顶底板移近量法：用单体支柱或支架的顶底板移近量经回归分析得出，比较准确，但是支架的顶底板移近量很难测得。6、支架工作特性法：利用支护阻力与活柱压缩关系确定。7、实测统计法：支架的时间加权平均工作阻力是一个随机变量，服从正态分布。经我国近30年来实测统计，由煤炭科学研究总院根据这种方法提出了我国煤炭行业标准综采工作面的支护强度表。8、临界阻力法：这是比较有影响力的方法，由煤科总院提出，根据实测液压支架支护阻力计算采面支架临界阻力，然后乘以适当系数，确定液压支架的合理支护强度。9、数值模拟法：通过FLAC数值模拟，取不同的支护强度，根据下沉量关系得到合适的支护强度。二、初撑力的计算1、初撑力决定了支架-围岩的工作状态和从不平衡到平衡发展的过程。采用低初撑力或设计初撑力不低但利用率低的支架，压力时间曲线容易出现急增阻型，难以达到支架顶板相对平衡。我国早期液压支架初撑力偏低，出现了很多顶板事故。2、初撑力对工作面实际支架阻力起决定作用，尤其当阻力高时。定量回归分析表明，初撑力增加，平均工作阻力明显增加，顶板下沉及破碎度减小。3、维持直接顶重力平衡，避免离层冒落，可使直接顶破坏显著减小。4、如果初撑力不仅足以避免直接顶离层，且能压缩顶底板的话，可增大支撑系统刚度，减小顶板早期下沉。5、初撑力过高，上述阻力及顶板状况变化幅度减小，且支架构件内应力增高，支架成本增加。因此，初撑力应提高，但应控制在一定范围内。三、液压支架的选型主要指支架的结构形式与工作阻力选型。主要根据直接顶稳定性类别，基本顶压力显现级别，底板抗压入特性，结合采高、开采方法等因素确定支架结构形式。根据我国的经验，支顶掩护式支架和支撑掩护式支架有较大的适用范围，而极不稳定顶板优先选用支顶掩护式支架，直接顶稳定和基本顶来压强烈的顶板优先选用支撑掩护式。初撑力和工作阻力选用如上所述。选型结束后还需：①验算底座尖端比压是否超过允许比压；②以结构内力最小为目标函数，并考虑足够的安全系数，完成结构参数优化设计。四、液压支架选型研究的发展趋势1、液压支架外载研究的发展趋势对液压支架的外载往往具有随机性，即使同一支架在不同时刻由于触点不一也会导致外载的不同，目前普遍采取求平均值和合力作用点来研究，但这样与实际相差很大。对矿正在将可靠度和随机力学理论引入液压支架的设计与分析中，对支架在特定的时间、指定地段、指定条件的稳定状态进行安全性评价，并用随机有限元法进行进一步分析。2、工作阻力研究的发展趋势（1）目前的工作阻力确定方法更倾向于经验，理论分析较少，很多方法都建立在实测的基础上。（2）目前确定工作阻力的各种方法并不是独立的，而是相互继承和发展的关系。（3）在工作阻力的确定中，动载系数的确定是一个迟迟未解决的问题，大多数方法都是像取安全系数一样取动载系数，以前虽然也有人研究过其机理，但所给的公式较复杂。因此，找到一种简单易行。因此，找到一种简单易行的方法来表示动载系数势在必行。（4）数值模拟方法有待进一步发展。由于地质条件的复杂性，对于工作阻力的确定，应用数值模拟应是未来的方向，并通过一定的数学手段，比如线性回归、模糊数学、可靠性等来辅助。3、初撑力研究的发展趋势目前我国初撑力研究定性已经很好，但定量研究仍显不足。在液压支架外载及工作阻力、初撑力的确定中经常会遇到的一个问题是安全系数的确定，然而安全系数只是一个值，并未考虑设计参数任何内在变异性，其值往往取决于工程人员的设计经验和工程判断能力，并没有广为接受的法则，就难免带有一定程度的随意性和人为因素，甚至是主观臆断。不能定量是安全系数最大的缺点。第三节：液压支架架型的选择液压支架架型的选择主要指的是液压支架的结构形式和工作阻力，而液压支架的结构形式主要根据基本顶的压力级别和直接顶的稳定性类别以及矿井底板的抗压力特性，并充分结合煤矿的开采方法和采高等因素来确定。液压支架架型的选择，首先确定直接顶的级别与老顶的级别；再根据直接顶的类别与老顶级别来确定液压支架的支护强度。1、确定液压支架的高度液压支架高度的确定要根据地质情况的变化和煤层的厚度，Hm代表最大高度；Hn代表最小高度，液压支架的高度可用以下公式表示：，（式1）在公式中，hm代表煤层的最大高度，hn代表煤层最小高度，S1代表在煤皮冒落后可靠处撑力具有的支撑高度，S2代表顶板的下沉量，a代表移架时支架的最小可缩量，δ代表浮矸的厚度。2、确定液压支架的伸缩比由于矿井液压支架具有较长的使用寿命，在不同层次的采高工作面都可以安装。因此，液压支架伸缩比的选择要尽量偏大，一般情况下，支撑掩护式的矿井液压支架的伸缩比是2.5。确定液压支架的间距液压支架的间距是指相邻两个液压支架中心线之间的距离，液压支架的间距可以用以下公式表示：Bc=Bm+nc（式2）在公式中，Bc代表液压支架的间距，Bm代表液压支架顶梁的总宽度，C代表相邻液压支架顶梁的间隙，n代表每架液压支架所包含的组架数，一般情况下，整体迈步式n的取值为2，整体自移动式n的取值为1.4、确定液压支架底座的长度液压支架底座长度的确定要通过比压验算，并且还要严格液压支架底座对底板的比压不能大于底板的允许比压。一般情况下，支撑掩护式液压支架底座的长度是移架步距长度的4倍。5、确定液压支架顶梁的长度液压支架顶梁长度可用如下公式表示：L=[{支架底座长度+配套尺寸+A*cos(Q)}-{300+G*cos(P)+e+顶梁绞点和掩护梁至支架顶梁后端点的距离}]（式3）配套尺寸A、G由配套图册确定，Q代表液压支架在最高位置时与后连杆的水平夹角，P代表液压支架在最高位置时与掩护梁的水平夹角，e代表液压支架从高顶梁到低顶梁前端点变化最大的距离。确定液压支架的工作阻力液压支架的工作阻力指的是液压支架在生产过程中所能承受顶板的载荷力，它是衡量一个液压支架性能的非常重要的参数。液压支架的工作阻力可用如下公式表示：Q=ZBc（L+E）（式4）在公式中，Z代表液压支架的支护强度，E代表支架顶梁前端到煤壁的距离。7、确定液压支架的通风断面按照煤矿开采安全规程的相关规定，矿井采高工作面的风速至少不低于5米每秒。液压支架的通风断面的验算可以用如下公式表示：V=Q/(S*60)（式5）在公式中，V代表矿井采高工作面的风速，单位m/s,Q代表矿井区工作面所需的风量，单位m3/s，S代表液压支架的通风断面的面积，单位m2。液压设备在煤矿中的应用已非常广泛，由于液压系统的元件和油液都处于密封的壳体和管道内，不能从外部直接观察，一旦出现故障不容易查看和判断，给煤矿安全生产带来很多困难。

第二章：液压支架的维护第一节：液压设备常见的故障及其成因

1、泄漏故障泄漏是井下液压机械系统最常见的故障，主要是由于液体在液压元件和管路中流动时产生压力差及各元件存在间隙或者恶劣工况条件引起的。液压系统一旦发生泄漏，将会引起系统压力无法建立的重大问题，甚至产生灾难性的后果。如果是阀的表面几何精度不够，阀的同心度不够引起的，此时应对阀进行研磨或更换。如果铸造的零件有砂眼、气孔、裂缝，密封件老化或损坏，都应予以更换；若是由于相对运动产生表面严重磨损情况的，应研磨修复或更换，油管接头松动的，应拧紧并检查是否扣坏。

2、液压系统不能供油当液压系统发生不能供油故障时，为尽快找出故障部位，加以维修。如若检查发现油箱油位过低，可能是有泄漏，要及时查找油箱泄漏处并修补，随后加油到规定位置；也有可能是吸油管路堵塞造成的，要检查吸油管路及滤油器，并排除阻管路堵塞物；如果是油液粘度过高的问题，必须排空油箱，更换低粘度油；单向泵转向错误也会造成无法供油，应进行更改线序进行换向；若泵内有渣尘，应拆泵进行清洗排渣，泵元件严重磨损或损坏，此时应更换泵元件或更换泵。

3、系统没有压力和系统过热的故障如若液压系统没有压力，应先对照液压系统不能供油的情况进行分析与处理。系统没有压力主要是安全阀的原因，若是安全阀的误动作，应检查压力调定值并进行调整，如安全阀弹簧失效，则需更换弹簧。由于存在杂质使得阀不能打开的，拆开并清洗；若存在阀漏油现象，要查找出失效的密封，更换或修理，液压系统也会出现压力正常而在某处却没有压力的状况，当液压系统出现此故障时，可能是管路、小孔或节流阀被脏物堵塞或漏损严重，此时应检查压力和油流情况。如果出现液压系统过热故障时，可能是安全阀压力调定值不适或有故障，应检查调定值并进行调整；如是泵磨损造成的内部漏油，则检查泵的内部漏油情况并进行更换。泵修理后安装太紧，则要拆开并重新组装；要检查油的粘度是否合适，不可过高或过低。

4、工件机构运动不稳定当液压系统工件机构运动不稳定时，表现为逐渐减慢，突然增快及跳动等的现象，可能是由于润滑不良，摩擦阻力增大引起的，此时应改善润滑条件，清除脏物；也可能是油泵吸空，空气进入系统所致，此时应检查油位，油位不能过低，并检查密封的完好性。若是压力脉动较大或系统压力过低，不足以克服外阻力的，要检查溢流阀的调定值是否符合要求，不符合要求的应进行调整。如出现油中杂质堆积在节流通道壁上，或节流阀内外泄漏使之不稳定的。此时应检查节流阀，并进行清洗或修理。5、牵引力不足故障液压系统牵引力太小的主要原因是主油路压力低。应检查是否漏油，如漏油则拧紧接头更换密封件或管件；主泵或马达泄漏过大，可更换马达或主泵；如果是冷却不良产生的油温过高，可调整冷却水量和水压至额定值；若是安全阀调定值低，可重新调定；若补油量不足，则可能是辅助泵泄漏量大，需更换新的辅助泵。

6、噪音故障如果是机械系统的振动引起的故障，要检查螺丝和联轴节；也可能是空气进人，出现气穴，要检查油位和密封装置并排气，如果泵体内有空气，要排除泵内空气；油流发生漩涡的情况，要减少流道的弯曲和截面变化。若油面过低，考虑吸油管堵塞或阻力太大等，要按规定加足油液，疏通进油管，清洗滤油器，紧固进油段联接螺丝。如若油粘度大，则要使用合适型号的油；泵和电机不同心，重新调整使其同心。

第二节：煤矿液压设备故障的排除和维护

液压系统故障的现象各种各样，产生故障的原因也是多方面的，在具体的实际检修过程中，要根据工作经验具体地判断出故障的部位,然后按着检修程序进行修理。在诊断时先要搞清楚故障的基本现象或特征,再根据液压系统的构造和原理,深入细致地思考和具体分析有可能产生故障的部位和原因,按系统分段进行检查诊断,检查时可采用先查两头,后检中间,逐步逼近的方法,最后作出正确的诊断。

首先，任何故障在发生前总有预兆，所以首先要到现场问操作者，询问设备出现故障前后的工作状态及异常现象，产生故障的部位和故障现象，故障的症状以及故障是突然发生的，还是逐步出现的，同时还要了解过去发生的类似现象的处理情况，通过仔细询问，可以充分了解故障发生的来龙去脉。在未搞清楚上述情况之前，切不可盲目拆卸。

其次，要对液压系统的工作情况进行仔细地查看，观察故障现象，查找故障部位，查看泄漏情况，全面掌握液压系统的外在现象，为故障的分析诊断提供正确、直接的依据。同时，要诊断液压系统的异常声响，并确定产生异常声响的部位，仔细检查该部位零部件构造和运行机理，再根据思考和分析，推断出引起故障的原因和具体部位。此外，可用手触摸有关零部件的表面，直接感受到零部件的温度、振动及磨损等情况。通过一些有效的试验及先进的检测手段来进一步证实初步的诊断是否正确。比如，通过维修人员亲自操纵设备，试验故障产生的部位，体会故障的症状或通过更换某一个零部件利用排除法来试验故障部位等。

另外，在液压系统中，液压油是传递动力和信号的工作介质，同时还起到冷却、润滑和防锈的作用。据统计，液压系统故障中70%以上的故障是由于油液污染而造成。比如油液中侵入杂质、空气以及胶质物等，油液中混入了水分，还有油温过高造成了危害。为了延长设备的使用寿命，经常性的维护保养是十分重要的。保持油液清洁是液压系统维护的关键，要对系统中连接件间有无松动和泄漏，泵的噪声和发热，阀的动作是否可靠以及油液的温升和污染等，按时进行检查，对重要的液压设，每天都需要进行检查，建立健全完善