薄煤层液压支架结构改进设计与电液控制应用.pdf

分类号 TD355 密级 UDC 622 学校代码11065 硕士专业学位论文 薄煤层液压支架结构改进设计与电液控制应用薄煤层液压支架结构改进设计与电液控制应用 罗洪恩 指导教师 王 继 荣 教 授 学位类别 工 程 硕 士 专业领域 机 械 工 程 答辩日期2 0 1 5 年1 2 月5 日 万方数据 摘 要 随着国家经济发展方式战略的转型，我国煤炭企业对薄煤层的开采日趋重视， 薄煤层开采工人操作空间小，劳动强度大、安全事故多等难题基本解决，液压支架 能够有效地支撑和维护工作面的顶板为采煤创造安全作业空间，隔离采空区防止矸 石进入回采工作面和推进输送机，是煤矿综采工作面中使用数量最多、投资最大的 关键设备。液压支架可靠性的高低直接影响综采工作面的产量、效率和生产安全性。 本课题以充矿集团北宿矿为研究对象,分析了较薄煤层综合机械化配套设备中 液压支架的特点和应用情况, 以及采煤区的地质条件,按照选型的原则和方法,完成 了北宿矿液压支架的选型和相关参数计算。对结构部件的尺寸进行了选取设计，对 底座、 推移、 抬底结构的改进， 以及支架各部件受力情况进行了研究,运用SolidWorks 软件完成对液压支架的虚拟三维造型和关键部件的有限元分析。并对应力危险区域 进一步改进结构和优化特征尺寸，提高液压支架的可靠性和维检工作量，延长综采 工作面长时间正常运转的时间。 依据电液控制系统原理，设计液压支架电液控制系统的配置和连接型式，提高 经济性，研究自动化控制功能，便于实现支架状态可监、可控，参数量化，改善支 护效果。使液压支架与采煤机、输送机等设备一起实现联动或者巷道集中控制，提 高采煤工作面自动化程度，并提出液压系统可靠性的保证措施，适应工作面高产高 效安全的要求，满足矿井集约化生产要求。 关键词关键词液压支架；结构改进；有限元分析；电液控制液压支架；结构改进；有限元分析；电液控制 万方数据 Abstract Following the strategic transation of national economy, the coal enterprises in China pay more attention to thin coal seam day by day. The challenges in thin coal seam such as narrow operation space, high labor intensity and lots of accidents have been solved basically. In reality, hydraulic supports can effectively support and maintenance the roof of working face, which can supply a safe work space. The push convey which can prevent goaf from entering into the stope face is a mostly-used equipment. The reliability of hydraulic supports have a direct effect on output, efficiency and production security of workface. Based on Beisu Mine of Yancon Group Company Limited, this article mainly analyzed the characteristics and application of hydraulic supports in integrated mechanized corollary equipments which are used in thinner coal seam, and the geological conditions of the mining field. Firstly, the type and related parameters of hydraulic supports used in Beisu Mine are got. Then, this paper makes some design and calculation to the size of structural elements, and make some improvement to the structural. In the meanwhile, the stress condition of each units of the hydraulic supports has been studied. And the virtual 3D modeling of hydraulic supports and finite element analysis was finished by Solidworks. Finally, it makes some optimization to the stucuture in order to improve reliability of hydraulic supports, reduce maintenance workload and extend the time of normal functioning. According to electro-hydraulic control theory, this paper designs a electro-hydraulic control system of the hydraulic supports, which can improve economics.On the other side, the automatic control function was developed to realize monitor to the hydraulic supports, which can ensure the supporting and safeguarding effect. In the meanwhile, it can realize gang control and central control of tunnels with hydraulic supports. In the last, some assurance measures were put forward, which can ensure high reliability of the hydraulic supports, and satisfy the efficient、safe and ntensive production in mine. Keywords Hydraulic supports; Structural improvement; Finite element analysis; Electro-hydraulic control 万方数据 目 录 第一章第一章 绪绪 论论 ......................................................1 1.1 引言.........................................................1 1.2 研究背景.....................................................2 1.3 国内外研究现状、发展动态.....................................4 1.4 课题的主要研究内容及关键技术.................................6 第二章第二章 薄煤层液压支架条件分析与参数确定薄煤层液压支架条件分析与参数确定 ............................8 2.1 采区地质条件分析.............................................8 2.2 液压支架架型选择和参数确定...................................9 2.3 薄煤层液压支架支护方式选择和主要设备配套....................13 2.4 主要参数及技术指标要求......................................15 第三章第三章 薄煤层液压支架结构改进和设计薄煤层液压支架结构改进和设计 ...............................17 3.1 整体结构设计要求............................................17 3.2 部件尺寸设计内容............................................18 3.2.1 顶梁结构设计 ..........................................18 3.2.2 掩护梁结构设计 ........................................20 3.2.3 上、下连杆结构设计 ....................................21 3.2.4 底座结构改进和设计 ....................................21 3.2.5 推移结构改进和设计 ....................................22 3.2.6 抬底结构设计和改进 ....................................24 第四章第四章 关键零部件受力和有限元分析关键零部件受力和有限元分析 .................................27 4.1 受力分析与计算 .............................................27 4.1.1 顶梁和掩护梁受力分析与计算 ............................28 4.1.2 掩护梁和连杆受力分析与计算 ............................30 4.1.3 底座受力分析与计算 ....................................30 4.2 底座前端接触比压验算........................................31 4.3 关键部件强度分析............................................33 第五章第五章 电液控制系统应用电液控制系统应用 ...........................................39 5.1 电液控制系统的组成..........................................40 5.2 电液控制系统配置设计和连接..................................42 5.3 自动化系统控制功能..........................................43 5.4 电控系统可靠性的保证措施....................................45 第六章第六章 结论和展望结论和展望 .................................................48 参考文献参考文献 ..........................................................50 攻读学位期间的研究成果攻读学位期间的研究成果 ............................................52 致致 谢谢 ............................................................53 学位论文独创性声明学位论文独创性声明 ................................................54 学位论文知识产权权属声明学位论文知识产权权属声明 ..........................................54 万方数据 第一章 绪 论 1 第一章 绪 论 1.1 引言 煤炭是十八世纪以来世界各国使用的主要能源之一,占我国一次能源生产量 的76，消费总量的69,虽然近几年国内外社会各界都在积极开发新能源，效果 也是日趋提高，但是因为新型能源受到普及性的限制,同时煤炭用途扩展和洁净 煤技术的发展，而且我国能源资源富煤贫油少气的基本特点，使得煤炭在未来一 段时间里仍然是我国使用的主要能源。 近几十年来由于煤矿开采综合机械化程度的大幅度提高, 各矿区投产后一 般优先开采经济效益高的中厚煤层和厚煤层，特别是放顶煤开采技术推广应用 后，投入产出比较低的薄煤层开采率较低甚至放弃开采，大量的煤炭资源浪费， 煤田可开采储量下降，还缩短了矿井的服务年限，最终可持续发展和资源平衡开 采的冲突日渐显现，制约了煤炭工业的协调发展。 由于薄煤层采高较低、人员行走不便、工人劳动强度大、设备移动困难、安 全事故多等原因，1.3米以下的薄煤层是我国煤炭开采的主要难题之一，难题关 键在于缺乏适应性好、生产效率高的薄煤层综采配套设备。液压支架是综合机械 化采煤配套的关键设备之一，主要作用是对采煤工作面顶板进行支撑和维护，防 止顶板冒落，为采煤创造安全作业的空间。 最早的工作面支护采用的是刚性支护，如木支柱和钢支柱，也有适用于房柱 式采煤工作面的锚固围岩的锚杆支架，后来发展了增阻式支护，如摩擦支柱和用 钢绳连接的木梁或钢梁成为柔性掩护支架，这两种方式都是被动支护，工作特性 较差。 现在的液压支架都是横阻可缩支护方式，有用弹性材料充入压缩空气进行 支护的气垛支架，也有液压支柱、液压支架，这类支护设备具有较理想的工作特 性和支护效果，目前应用最为广泛的则是液压支架。它与采煤机、运输机配套使 用，合称“三机”设备，液压支架对改善和提高采煤运煤设备效能起到至关重要 的作用。 设备高可靠性是高产高效工作面的重要要求， 液压支架可靠性的高低对采煤 工作面的产量、效率和生产安全性的影响最为直接和严重。液压支架参数向高工 作阻力大中心距发展的同时， 自动化信息化是我国煤炭企业加快实现工业化和现 代化的必然选择。薄煤层自动高可靠自动化信息化采煤支护的技术实现，不仅对 提高煤炭开采量，而且对煤矿安全生产有着重要的意义。 该项目的研究是以兖州矿区 16 上和 17 煤层为条件， 以加强和提高液压支架 的性能、效率、寿命为目的，通过分析设计出可靠方案进一步完善薄煤层支架结 构， 提高液压支架的可靠性。 同时应用自动控制和信息技术来改善工人劳动条件, 万方数据 2 加强安全生产,提高生产效率,减少人为的错误干预,确保综采工作面长时间正常 运转。 是兖州矿区对薄煤层实行高效开采的现代化标志。该项目的推广将对平衡 开采、充分开采薄、厚煤层资源，提高企业经济效益，延长矿井服务年限，实现 煤炭行业的可持续发展具有重要意义。 1.2 研究背景 近几十年来,国内外综合机械化开采技术发展迅速,成为煤矿开采工业化的 重要标志。在我国煤矿中,较薄煤层的可开采储量在总可采储量中占一定比例, 但是企业从提高经济效益出发,优先开采中厚煤层和厚煤层,随着矿区这些煤层 煤炭资源的不断开采，薄煤层资源在所属矿井中占的比重逐渐增大，资源平衡开 采和高产高效的矛盾日益突出,设备故障率高、井下劳动条件的问题使薄煤层开 采技术成为制约煤矿企业可持续性发展的一大难题。 我国把厚度小于1.3米的煤层称为薄煤层，薄煤层比中厚煤层经济效益低、 投入少的现实情况，决定了薄煤层开采技术和装备的发展缓慢，相对落后，尤其 是受环境条件限制，设备的安装调试、操作、检修等均受到很大的影响。此外， 薄煤层单产水平低，掘进效率低，巷道消耗率高、生产接续紧张等使得难以进行 高效开采， 一些条件极为复杂的薄煤层部分只能放弃开采， 造成资源浪费。 当前， 综合机械化开采技术和设备对安全高效开采的影响尤为重要， 尤其对中小矿井而 言， 精心选型配套薄煤层开采的大功率小体积、 重型化高可靠性的 “三机” 设备， 是实现工作面的自动化操作和控制，最终实现矿井增产创效的有效手段。 根据“十五”期间对我国 97 个国有重点煤矿的统计其中有 77 个矿务局 424 个矿井中赋存着 765 个薄煤层，保有工业储量 98.3 亿吨，可采储量 61.5 亿 吨， 约占总可开采储量的 19， 其中厚度在 0.8- 1.3m 的占 86.2， 厚度小于 0.8m 的占 13.8 [1]。 充矿集团在放顶煤工作面的设备改造、矿压观测、放煤工艺、顶煤运动规律 及提高回收率等方面,进行了多项研究,取得了一大批科研成果。 同时在研究过程 中培养了人才,锻炼了队伍,提高了综采管理水平,其设备公司,在综采液压支架 的选型、 参数的确定及设备总体配套等方面,做了大量的基础研究工作,也积累了 丰富的实践经验。许多矿1.3～2m的薄煤层储量十分丰富，至2009年末，兖州矿 区薄煤层总可采储量约1.53亿吨，占矿区煤炭可采储量比例上升至21.79％ [2]。 主要为石炭系太原群16上和17层煤，16上层煤厚0．6～1.6m，平均厚度0.95m； 17层煤厚0.5～1.39m，平均为0.89m，煤层分布范围广、赋存稳定，但煤层结构 极为复杂，普遍含有硫化铁硬结核和硬夹矸硫化铁结核f7.24～11.24，硬夹矸 f4.45～7.6。由于硫化铁硬结核体和硬夹矸的影响，多年来对16和17煤层的开 采只能使用放炮落煤工艺，对矿井的生产和发展制约很大 [3]。 万方数据 第一章 绪 论 3 1.2.1薄煤层液压支架的特点 1调高范围大。多用双伸缩立柱,而且工作在低位状态时，立柱倾角较大， 低位支护效率较低。 2作业空间受限,人行通道困难。 要求支架零部件之间尽量采用空间交错布 置、薄型化构件，减少空间高度的占用。 3提高控制系统自动化。薄煤层工作面高度低行人困难，所以操作系统最 好实现成组控制、自动控制或邻架控制，来提高工作效率、产量和生产安全性， 减轻工人劳动强度。 4重量尽可能轻,便于井下运输和拆装。 1.2.2薄煤层液压支架的应用情况 近些年来,国内综采工作面单产单进水平不断提高,1998年,全国共有64个工 作面年产超过百万吨, 2008年我国已有10个煤矿的10个综采工作面年产达到或 超过千万吨，创造出一批中国煤炭工业新的生产纪录 [4],充分显示了综放开采和 国内采矿设备的技术先进水平。但是在薄煤层综采工作面与国际采矿业水平相 比，还处在一个低水平上。美国、德国、澳大利亚等国家都实现了薄煤层开采的 自动化,其产量大幅度增加 [3]。 因为薄煤层开采高度的限制,造成工作面作业空间狭窄,不仅工人作业条件 很差， 而且生产效率低下，所以目前薄煤层综采技术多用在煤层厚度0.8m以上的 薄煤层。八十年代初,北京开采所研制的QY20O0/5.5/17型,最低高度仅为0.55m, 这是国内液压支架中伸缩比最大的一种架型，在李子垭煤矿使用效果较好 [3]。近 年来的芙蓉矿务局的ZY2200/09/22支架，良庄煤矿使用的ZY2600/09/20支架，葛 亭煤矿配套的ZY2800/09/19支架，淄博矿区ZY2800/10/20支架，兖矿集团自主研 究设计的ZY2600／07／16、ZY2000/07/14、ZDB2400/06/12、ZTD5200/07/16垫底 等支架薄煤层液压支架在杨村矿、南屯矿、北宿矿等都有使用。但是在开采使用 上存在以下问题 l煤层平均厚度处于薄煤层偏上、中厚煤层偏下的过渡区间, 采高1.2～ 1.7m居多,严格的算不上是薄煤层开采。 2 严格机械化综合开采配套使用不很多,有的煤矿单独购架自行搭配使用, 产量不高、不能充分发挥设备的机械化综合优势 [3]。 3主要是开采难度大、作业空间小，设备故障处理困难，投入产出比低， 安全隐患多等。投入较少，高产高效的采面不多。 目前,北宿矿矿井薄煤层厚度变化大,工作面长度短, 在一定程度上限制了 设备下井运输能力,需设计可靠性高,调高范围大,强度高、适应性好，重量轻的 薄煤层支架，适应北宿矿薄煤层开采支架下井容易、工作面搬家轻便的要求。 万方数据 4 1.2.3课题研究的目的和意义 为了改变国内薄煤层综采工作面装备落后与国际采矿业的局面， 实现薄煤层 开采的高可靠性和自动化，大幅提高薄煤层开采产量，该课题就是在学习先进设 备经验，立足国情的基础上，进一步改进设计架型结构，提高薄煤层液压支架的 可靠性，通过对薄煤层液压支架电液控制自动化，以高可靠自动化的薄煤层液压 支架保证综采工作面长时间正常运转，适应薄煤层开采的要求。该课题研究成果 将为薄煤层开采的高可靠自动化提供技术支持， 不仅是资源平衡开采和提高煤炭 开采量，而且对煤矿安全生产有着重要的意义，也是煤矿行业实行有效开采的自 动化和信息化标志。 本课题的研究也是企业发展的内在需求和动力，为了企业的不断壮大发展, 必须走产、学、研相结合并不断进行创新创效的道路。充矿集团是我国排名靠前 的大型煤炭企业，其技术、管理水平及设备的先进程度国内领先，也在不断与澳 大利亚LDO、德国DBT、美国JOY等国外煤炭企业互相合作。充矿集团矿井薄煤层 储量丰富,发展薄煤层综采技术是下属各大煤矿继续生存和发展的必备前题。 1.3 国内外研究现状、发展动态 随着综合机械化采煤技术的发展,工作面支护设备主要是向两柱掩护式和四 柱支撑掩护式架型发展,架型结构进一步完善,设计方法借助先进的计算机技术 不断创新优化,支架的寿命和可靠性要求大大提高 [1]。 1.3.1 国外薄煤层支架技术研究现状 世界上许多国家煤炭行业非常重视采煤设备的高可靠性,不仅液压支架的安 全系数高,而且对支架的结构、油缸密封及控制阀甚至制造工艺都进行了进一步 的研究和探讨。 特别是立柱缸径超过400mm， 结构件采用屈服强度为800～1000MPa 的钢板，同时具有有较高的强度刚度和较好的焊接性能 [3]。支架液压技术也经历 了手动本架控制、手动邻架控制、手动先导邻架控制和电液控制几个发展阶段， 控制技术从单纯的机械- 液压领域，陆续增加电气电子、信息网络等相紧密结合 的自动化控制体系 [5]。现在普遍应用电液控制阀，油缸装设位移和压力传感器、 红外线装置等实现了无人工作面自动化控制。为减少割煤时间，一般采用0.8～ 1m的截深， 配套设备都是大功率采煤机和刮板运输机， 工作面单产水平不断提高。 长壁综采工作面的产量一直处于世界领先地位的美国， 配备电液控制系统的 工作面达到87.5,配套设备均为大功率电牵引重型采煤机组和大功率、大运量、 高可靠性刮板运输机。开采煤层厚度从最小开采厚度到0.9m的占10.45,0.9～ 1.2m的占16.45,1.2～l.5m的占19.31。有26个煤厚在1.3～2.0m的综采工作面 厚度在1.3m以下的占4个, 2860万吨的最高年产量, 411吨/工的工作面效率， 主要得益于液压支架的高可靠性， 显示出国产液压支架与国际先进水平有较大差 万方数据 第一章 绪 论 5 距。同时说明在采高较小的煤层条件下，使用大功率高可靠自动化综采设备,完 全能够取得良好的技术经济效果 [6]。澳大利亚现在的远程控制全自动无人长壁工 作面薄煤层开采技术，已经实现了一井一面集中化生产。 国外在20世纪80年代进入开发研制液压支架用电控系统的实质性应用阶段， 90年代随着电子技术的发展涌现出多种新型材料， 液压支架用电液控制技术水平 进一步提高并成熟，形成3种结构形式的支架控制单元，一种是由支架控制器、 电磁驱动器和传感器等组成，另一种是由支架控制器、人机界面、电磁驱动器和 传感器等组成，第三种是由支架控制器和传感器组成 [5]，工作性能和可靠性已能 满足使用要求，成为发达产煤国家综采工作面液压支架的标准装备，在美国、澳 大利亚、德国等国家已经普遍应用。目前国际上主流的液压支架电液控制器主要 有德国DBT公司的PM4型控制器、德国MAR- CO公司的PM31和PM32型控制器、美国 JOY公司的RS20型控制器， 这三种类型的控制器占总数90以上， 此外还有德国EEP 公司的PRll6型控制器和蒂芬巴赫的ASGS型控制器等 [7]。 1.3.2 国内薄煤层支架技术研究现状 我国在20世纪70年代引进了100套液压支架，对液压支架的研究开始消化吸 收，逐渐合作可发，再到自主研制，积累了大量经验。90年代末引进第一套电液 控制系统的液压支架，电液控制系统液压支架开始发展，其发展速度连年增长。 主阀采用整体插装式结构，金属零件采用不锈钢和铜合金等防锈耐腐蚀材料，金 属- 塑料复合密封或陶瓷密封结构，使用寿命超过30000次。性能稳定。 2002年3月，铁法煤业集团小青煤矿工作面采用德国DBT公司PM4型电液控制 系统、国产液压支架（推移千斤顶德国进口）,创造了薄煤层工作面月产14.2万t 的纪录 [8]。 从2007年开始兖矿集团对16和17含有硫化铁结核薄煤层实施综合机械化开 采装备与工艺进行了专题科技攻关，研制了成套综合机械化开采装备，针对矿区 薄煤层地质条件，认真总结国内外薄煤层液压支架使用经验，充分研究优化结构 参数，自主研究设计了ZY2600／6.5／16型薄煤层液压支架，采用手控先导阀成 组定量推进技术，具有适应性强、结构紧凑、操作方便、移架速度快等特点。于 2009年2月～7月在杨村煤矿2708工作面进行了工业性试验应用，取得了成功 [9]。 2008年北宿煤矿为了适应16煤由于顶板起伏变化较大，最大落差达300mm的 情况， 和兖矿机电设备制造厂共同开发研制了ZY2400支架，底座采用分体式结构 形式，前后顶梁弹簧钢板联接，后顶梁与掩护梁一体，增加支架抗扭性能，进一 步完善了支架性能，改进后的支架在16煤层进行了开采试验，获得成功 [10]。 近些年来,国产液压支架的可靠性取得了长足的进步,使用寿命逐渐提高,其 主要表现为 1结构件材料的强度等级不断提高,普遍使用Q460材料代替长期以来广泛 万方数据 6 采用的16Mn材料.兖矿机电设备制造厂生产的ZY16000/23/43D液压支架推移杆还 使用了Q890钢板进行焊接，经过工艺试验和矿方使用验证获得成功。 2各研究设计单位对液压支架的立柱和千斤顶都进行了标准化和系列化, 限定了其使用条件和应用范围,减少了因重复设计或选用不当 [3]。 3液压缸的密封材料均采用聚氨脂,使用寿命比橡胶密封圈提高一倍以上。 4通过计算机技术的应用，可以有效地对液压支架的结构件进行有限元分 析应力和变形情况等,提高各部件联接点的强度， 进一步提高各部件的安全系数。 能够优化受力较小位置的钢板厚度，重量得到减轻。 5 电液控制系统的液压支架逐渐推广和发展,采用压力、位移传感器和电 磁先导阀等现代科技成果,使液压支架的动作能自动连续进行。 （6）大流量手动控制系统也进一步发展,400L/min大流量控制系统的可靠性 得到加强，移架速度也得到提高。 （7）液压支架工作介质乳化液的防锈性能和环保性不断提高，液压系统本身 造成污染的环境得到改善。 液压支架的核心是控制系统,控制系统的操纵方式有手动、先导阀控制、电 液控制三种方式。 北京开采研究所研制出的KS2手动大流量快速移架系统,结构简 单、操作灵活方便,该系统在铁法矿务局小青矿日产七千吨综采工作面液压支架 上使用,井下实测每架一个工作循环时间为10～12秒,能基本满足薄煤层工作面 要求,是目前国内比较先进的手动控制系统,已在全国大面积推广应用。 最早的铁法矿务局配刨煤机的薄煤层液压支架全套引进国外的电液控制系 统控制。后来的充矿集团牵头组织的“十五”攻关项目，暨兴隆庄煤矿600万吨 综采放顶煤工作面成套设备及工艺中的ZF8500/21/40D放顶煤液压支架配备PM31 型电液控制系统，在2002年1月兴隆庄煤矿创造了综放工作面月产63.2万吨的纪 录。 这两个项目的成功实践,为电液控制系统在国内的应用提供实践经验,并打下 坚实的理论基础 [3]。 2014年5月， “较薄煤层国产装备采场无人化技术研究与应用”项目在天地玛 珂公司在陕西陕煤黄陵矿业公司一号煤矿1001示范工作面进行工业性试验， 通过 顺槽控制中心和地面调度指挥中心远程操控的方式首次实现。 以采煤机22项工序 记忆截割、液压支架自动跟机及顺槽可视化远程遥控为基础，以国产成套装备控 制系统为支撑，以融合“人、机、环、管”过程数据的控制软件为核心，实现智 能采高调整、斜切进刀、连续推进等功能的无人化采煤，地面远程控制推进常态 化，实现了减人提效，整体技术达到国际领先水平。黄陵一矿自动化工作面平稳 运行一年，在较薄煤层达到了最高月产量17万吨，实现了安全生产“零”事故， 开创了综采工作面采场无人化采煤的先河。 1.4 课题的主要研究内容及关键技术 万方数据 第一章 绪 论 7 本课题针对薄煤层支架目前只在少数顶板稳定、倾角小的采区使用的现状， 以解决支架的调高范围小、支撑效率低、提高自动化控制能力和支架可靠性为目 的， 依据多个使用单位反馈信息和该架型上井检修点， 改进设计提高支架可靠性， 构件薄型化，重量尽可能轻，采用双伸缩立柱，邻架控制的液压系统，便于井下 运输和拆装，而且经济性、可靠性高。主要内容包括 1.改进薄煤层支架的结构方案。解决薄煤层支架受到作业空间限制，人行通 道困难，最终实现人行通道不小于500mm400mm的要求 [11]。先对国内外薄煤层综 采支护设备的设计制造进行调研， 尤其是对现有各类抬底方式和底调机构设置等 相关技术资料做详细了解，综合对比各种形式抬底机构的优缺点，以确定薄煤层 支架的最终结构方案。 2.推移抬底结构的改进对现薄煤层支架底座多为封底式刚性结构，底板比 压小， 底座前部设置的抬底机构虽然解决了移架时啃底的问题，但是对人行通道 空间产生一定影响， 而且排出底座塞煤也不方便。 为此设计一种稳定的抬底结构， 改变撬板式抬底油缸偏向受力和撬板容易变形引起的抬底失效问题； 不同于“拐 杖”式抬底结构较大影响人行通道，而且受到移动行程的限制。依托实际空间狭 小的限制，进行实际技术分析和解决方案确定工作。 3. 设计成型零件和进行零件的应力分析，运用现有图纸在SolidWorks软件 上绘制成型设备的零件图、整体装配图，为实体支架生产提供数据。 4. 薄煤层支架电液控制系统研究，选用合适的液压支架电液控制系统，设 定恒压自动补偿，带压移架保护顶板围岩，在移架过程中采用成组定量控制方式 推移输送机，使输送机缓慢弯曲。通过采煤自动化网络实现和采煤机运输机的通 信联系信息反馈，采煤程序自动运行，增加采煤工作面的生产效率。 万方数据 8 第二章 薄煤层液压支架条件分析与参数确定 本课题以充矿集团北宿矿为研究对象,用于薄煤层机械化开采。北宿煤矿的 井田面积29.24km 2，煤种是烟煤中煤化层度较低的气煤，是我国自行设计、自主 开发、 设备全部国产化的薄煤层炮采现代化矿井。 1976年12月26日建成投产， 2003 年创建出全国第一个薄煤层炮采60万吨采煤队，被列为全国煤炭行业“六个创 新”之一。开发应用了薄煤层炮采工作面垛式支架、支撑掩护式液压支架、哑铃 型运输机和挡、 铲煤板等新工艺,实现了薄煤层炮采矿井开采工艺的重大突破 [12]， 已跨入全国百家高产高效矿井行列。 但是多年来由于硫化铁硬结核体和硬夹矸的 影响， 只能使用放炮落煤工艺对16和17煤层开采，对矿井的生产和发展地制约极 大。 2.1 采区地质条件分析 该架型用于兖州矿区石炭系太原群16上和17两个煤层， 均为复杂结构煤含坚 硬夹矸薄煤层。16上层煤厚度0.6～1.6m，17层煤厚度0.5～1.39m，两个煤层的 厚度变化为0.5～1.6m，平均0.95m。其分布范围广，全区稳定可采，煤层以亮煤 为主，具条带状结构，层状构造，内生裂隙发育，煤质较好。16上、17层煤的煤 层结构极为复杂，除了含有夹矸外，普遍含有硫化铁结核体，普氏系数高，块度 大， 一个采煤循环进尺可采出10多块硫化铁结核，且经常遇到断层或变薄带等地 质构造。工作面煤层结构复杂、赋存稳定，煤层有自然发火倾向，发火期一般为 2～4个月，煤尘有爆炸危险性，低瓦斯。 2.1.1 采区煤层底、顶板条件 16上煤顶板为十下灰岩， 稳定， 平均厚度5.42m， 抗压强度96.24～53.57MPa， 孔隙率0.4～1.6， 属稳定顶板， 难冒落～极难冒落。 底板一般为泥岩， 厚0.70～ 6.10m，抗压强度为17.84～23.52MPa，属不稳定～较稳定底板。 17煤顶板以灰岩（十一灰）为主，局部相变为细砂岩、砂质泥岩和泥岩。灰 岩的抗压强度为95.55～116.23MPa，孔隙率2.6～3.7，砂岩的抗压强度21.27～ 55.47MPa， 属较稳定～稳定、 中等冒落的顶板。 底板一般为泥岩， 厚0.75～2.80m， 抗压强度为21.17～34.10MPa，属不稳定～较稳定底板。 依据缓倾斜煤层采煤工作面底板分类 MT553- 1996和缓倾斜煤层采煤 工作面顶板分类 MT554- 1996 ，参照对比17煤层已经开采的工作面底板分类,， 该煤层底板属I类极软底板。直接顶为“中等稳定顶板” ，基本顶为“I级来压不 明显” ，该煤层围岩属易控围岩。 2.1.2 采区煤层条件 首采工作面为l7层煤1674工作面。工作面走向长度808m，煤层倾角3～9， 万方数据 第二章 薄煤层液压支架条件分析与参数确定 9 倾斜长度160m，煤层厚度0.88～1.19 m，平均0.96m，可采储量15.32万吨。 1674工作面煤层结构简单，赋存稳定，厚度变化不大，为半亮型煤，玻璃光 泽，中条带状结构，含黄铁矿结核，局部夹粉砂岩条带。煤层变异系数为l2.2， 煤层普氏系数f 2.0～2.5黄铁矿结核普氏系数f8.6；局部夹粉砂岩条带普 氏系数f7。煤层直接顶为0～l.3m的十一灰岩，灰白色，含泥质、粗糙，有纺 锤虫化石，常相变为粉砂岩，普氏系数f 10.19～11.46，抗压强度115.36MPa； 基本顶为l.27～2.96m的粉砂岩，块状、易碎含根化石，普氏系数f4.0～6.0， 抗压强度56.08MPa。直接底为1.26～1.3m的铝质泥岩，致密，富含植物化石，遇 水膨胀，普氏系数f 4.20，抗压强度为44.36MPa，属于普通硬度底板；基本顶 为2.40～2.44m的粉砂岩，性脆，含细砂质岩性不均一，缓波状水平层理为主， 含植物化石，普氏系数f4．O～8.0，抗压强度56.08MPa。工作面初次来压步距 21米,周期来压步距7～11米,平均步距9米 [13]。 2.2 液压支架架型选择和参数确定 2.2.1 架型选择 液压支架的选型必须考虑煤