液压支架发展报告

液 压 支 架 发 展 报 告

学院： 机电学院 姓名： XXX 学号： ZSXXXXX 审阅老师：XXX

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摘要：液压支架是综采工作面的重要支护设备，对提高采煤效率和机械化程度具有重要的意义，是高效综采和安全生产最为关键的设备之一。从液压支架的产生至今，已有近60年的历史，现在已基本出现了满足各种需求的液压支架。本文主要介绍了液压支架的发展历史，不同煤层厚度液压支架的结构特点，以及液压支架设计技术的发展方向。

关键词：发展历史；结构特点；设计技术

1 液压支架的发展历史

20世纪50年代英国研制的垛式支架和法国研制的节式支架，取代了木支架、金属摩擦支架，开辟了采煤工作面支护设备的技术革命；60年代前苏联研制并改进的OMKT型掩护式支架（具有四连杆机构），解决了支架梁端距变化大的问题，开辟了液压支架设计的新时代；70年代主要是“及时支护”方式；80年代以来，为提高生产率和降低生产成本，液压支架在液压性能和自动化程度方面有了大幅度提高，如美国、澳大利亚的大部分长壁工作面都采用了电液控制技术，可对液压支架的各种动作功能进行多种方式的程序控制和性能监测。90%以上的美国长壁综采工作面使用了电液控制两柱掩护支架，其额定工作阻力最高可达9800kN，初撑比为0.7～0.85，移架循环时间大多小于10s。

我国从1958年开始设计掩护式支架，1964年开始由专门研究室全面开展架型及阀类的攻关，20世纪70年代初开始液压支架的研制工作，先后研制出垛式、节式及掩护式支架。1970年在山西大同首次全工作面装备了TZ—140型垛式液压支架。70年代中期，研制了QY型掩护支架和ZY35型支撑掩护支架。20世纪70年代末80年代初我国分三次大规模引进国外支架，其中液压支架主要以二柱掩护式和四柱支撑式为主，支架的参数和性能比以往支架有了明显的提高。通过消化吸收国外先进技术，我国科研人员自主研发了多种用途的液压支架，最具代表性的有QY系列和YZ系列支架。20世纪80年代以来，开发了适用于坚硬顶板的大吨位TZ—720型支架，分层开采自动铺网支架、放顶煤液压支架及大流量安全阀和操纵阀等。从20世纪90年代中期开始，我国液压支架进入了快速发展阶段，全国综掘综采工作面数量大幅度提高，液压支架的性能参数、可靠性有了明显的提高，支架的架型不断丰富，如大采高支架、薄煤层支架、大倾角液压支架、铺网液压支架和端头支架等。到目前为止，适于我国高产高效的

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国产液压支架有20余种架型，基本满足了不同地质赋存条件下的需求。

2 液压支架的结构特点

1、薄煤层液压支架

1.3m以下的薄煤层和1.7m以下的较薄煤层的安全高效开采是制约煤炭工业可持续发展的重大技术难题。由于采高小，机械和人员作业困难，通风和瓦斯治理也成为制约生产的“瓶颈”。由于作业空间所限，构件薄型化且要求支架结构紧凑，一般不用活动侧护板，以利于通风和人行。多用双伸缩立柱，液压系统为邻架控制。架型多为双柱掩护式，也有支撑掩护式，还有极少数支撑式支架，但支撑式支架已过时，少数顶底板稳定、倾角小的采区，亦可慎用。支架要求重量尽可能轻，便于井下运输和拆装。薄煤层支架为保证有一定的通风和行人空间，必然要求有较长的前梁，这样就势必造成支架底座前端压力大于后端压力，致使支架前端架脚扎底严重，所以在底板较软的煤层中应考虑这一问题。岳永强等认为顶梁偏载时，顶梁、掩护梁、前后连杆上的应力都较大；柱窝附近和垫块附近的应力值都较高；顶梁两端

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加集中载荷时，顶梁上应力较大，其他部件上的应力值相比要小得多。

2000年北京开采所率先与铁法煤业集团等单位合作，研制了国内第一套配套刨煤机的ZY6400/09/20D电液控制液压支架，配套DBT公司刨煤机，在小青矿装备了国内第一个薄煤

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层自动化工作面，在1.3m采高条件下，达到日产5000吨水平。随后大同、晋城和西山也先后装备了刨煤机自动化工作面。近年来，该所又先后为平顶山、华蓥山、邢台、开滦、枣庄、淄博、大同和兖州等矿区设计开发多种配套滚筒式采煤机的薄煤层液压支架,最近又与兖州矿业集团北宿煤矿合作完成了含硬夹矸薄煤层机械化开采成套技术，研制了适应采高0.8m炮采落煤的液压支架，取得良好技术经济效果。

图1 薄煤层液压支架

2、中厚煤层和大采高液压支架

在20世纪80年代中期以前，我国的厚煤层开采是以分层开采为主，当时厚煤层主要的开采技术、开采装备、开采理论都是针对分层开采而言的，这使得我国长壁分层开采的综合技术在世界处于先进水平。但是，对于厚煤层开采而言，支架－围岩系统稳定性差、事故率高，尤其严重的是高架稳定性事故率高达19%以上，远高于一般采高(2m～3m)综采面。大量的高架稳定性事故大大加剧了采面设备的磨损和老化，高架的咬架、倒架事故直接引发顶板事故，

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而且调整支架的难度、材料、工时消耗很大，严重制约了大采高综采效能的发挥。

中厚煤层是最适合长壁高效开采的煤层，世界上长壁工作面安全高效纪录多是在2～3.5m中厚煤层创造的。中厚煤层液压支架是最成熟的架型，其发展趋势是大工作阻力、整体顶梁、简化结构、高可靠性、电液控制。

2002年北京开采所研制开发了4～5m两柱掩护式大采高强力液压支架项目对大采高液压支架与围岩相互作用关系、大采高支架得稳定性和可靠性、片帮冒顶机理和控制措施进行了深入研究，取得中期研究成果，为大采高液压支架设计研制奠定了基础。目前，正在进行神东、黄陵矿区年产600万吨综采成套装备中大采高液压支架研制工作，研制ZY10000/26/55型大采高强力电液控制液压支架样机已在平阳重工试制完成。

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对于煤层倾角小于30°的厚煤层开采，大采高综采与放顶煤采煤法相比具有下列优点： (1)煤炭资源回收率高； (2)煤炭含矸率低；

(3)采煤工作面煤尘少、自然发火和瓦斯涌出安全性好等优点；

(4)对于3m-4m不适宜放顶煤开采的厚煤层，大采高具有工效高、成本低等优点。

图2 厚煤层液压支架

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3、综采放顶煤液压支架

综采放顶煤技术是我国煤炭科技战线对世界采煤技术发展的重大贡献，放顶煤支架是放顶煤核心技术之一。北京开采所自上世纪八十年代初率先开展放顶煤工艺和放顶煤支架的研究，设计研制了国内第一台放顶煤支架，经过20多年的不断试验研究和实践，解决了多项技术难题，使放顶煤发展成为一种安全高效采煤方法。放顶煤技术发展经历了高位放顶煤、中位放顶煤到低位放顶煤的几个阶段，其显著特征是以放顶煤支架架型改革为标志。近十年来，北京开采所先后开发了正四连杆式低位放顶煤支架、反向四连杆式低位放顶煤支架、单摆杆式低位放顶煤支架等，这些支架成为放顶煤支架的主导架型，极大地推进了安全高效放顶煤技术的发展，使我国的放顶煤技术和放顶煤支架处于国际领先水平。

四柱支撑掩护式放顶煤液压支架，在井下使用过程中存在最突出的问题是“拔后柱”现象，在该状态下，由于顶梁后部顶煤放空，顶梁与顶煤接触面积变小，外载合力位置向煤壁方向移动，使液压支架理想合力作用点与外载合力作用位置偏离较大，最终超出液压支架合力调节范围，造成液压支架处于非正常工作状态。“拔后柱”状态下后排立柱失去支撑作用， 液压支架支护性能发挥程度达不到其理想值的50% ，工作状态十分恶劣。可见，综放工作面液压支架应根据基本顶和顶煤具体特征进行设计，优化液压支架结构，使其外载合力作用位置变化范围在液压支架合力调节范围之内，并尽量接近液压支架理想合力作用位置，充分发

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挥液压支架的整体支护性能。

为了适应中小煤矿发展长壁综合机械化的要求，我国最新开发了组合式直线型多功能液压支架，该支架采用伸缩式稳定机构，梁端运动轨迹为铅垂线，分开式顶梁和底座，尾梁可作放煤机构也可放下作挡矸梁。该支架可用于综采放顶煤和一次采全高普通综采，也可用于炮采工作面。但煤矿综采放顶煤工作面开采强度大、粉尘尘源多、浓度高，综放工作面采煤机采煤和液压支架移架时产生的粉尘均是移动性粉尘，工作面直流通风，风流流场难以控制，

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所以，如何有效控制综采放顶煤的粉尘是现在面临的问题之一。

图3 ZFS5000/17/33B型放顶煤液压支架

4、大倾角液压支架发展

煤层按倾角分为三类: 倾角在25°以下的煤层为缓倾斜煤层，25°-45°为倾斜煤层；

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45°以上为急倾斜煤层。

工作面支护系统的主要功能是:（1）确保成套综采设备稳步地推进；（2）支护围岩以防止冒顶事故的发生。前一种功能要求支架组成串联系统依次推进，无论系统中哪一架发生故障，都会影响整个综采面支架系统的正常推进，后一种功能的实现有赖于综采面支架系统中每架支架的正常工作。在这样一个系统中，当所有支架都正常工作时，系统就处于正常工作状态，任一支架发生故障，系统就处于故障状态。

开采大倾角煤层的一个基本特征是:受上覆岩层和支架重力分量的作用，支架下滑、倾倒的可能性加剧。为使支架在工作面正常推进，则需提高支架的初撑力和工作阻力，增大顶梁与顶板、底座与底板之间的摩擦力。但当支架出现倾倒趋势时，过大的初撑力和工作阻力会造成支架底座对底板的破坏，引发底板滑移造成支架的整体失稳。因此，提高支护系统的稳定性和可靠性对确保工作面安全生产致关重要，所以排头支架的稳定性成为工作面开采系

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统整体稳定的基础。

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图4 ZY3400/15/35大倾角掩护式支架

5、端头支架及超前支护技术

综采工作面端头是指工作面与回采巷道的交汇处，端头区是采运设备的交接点，设备布置密集，而且是行人、输煤的咽喉，端头管理和支护的好坏，是决定工作面能否正常运转、工作面安全程度的关键。

大采高综采工作面端头区围岩在多种支承压力作用下， 受采动影响最大， 矿压显现复杂， 无立柱空间大， 所以端头既是顶板维护的重点， 又是顶板管理的难点。区内布置设

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备较多，包括前、后刮板输送机机头， 转载机机尾等。

工作面两端头是工作面与顺槽的连接处，是工作面的安全出口，《煤矿安全规程》要求采煤工作面所有安全出口与巷道连接处20米范围内必须加强支护，综合机械化采煤工作面此范围内的巷道高度不得低于1.8米。此范围是工作面的矛盾集中点，特别是运输顺槽，各种设备在此汇集，而且要随工作面推进而移动，支护难度很大。因此，工作面端头与顺槽的超前支护一直是制约工作面生产的一大难题。为解决这一重大技术难题，我国开发了多种型式的端头液压支架和工作面顺槽超前支护液压支架。采用端头液压支架和超前支护液压支架，实现工作面端头顺槽的超前机械化支护，取消了单体支柱和金属顶梁支护工序。

图5 端头液压支架

3 液压支架技术的发展方向

目前，现代设计理论的三大主要流派，包括，欧洲流派的系统设计方法、美国的流浪的设计原理和日本流派的一般设计学。就现代设计理论和方法的范畴而言，现代设计理论和方法还在不断地发展和完善过程中。目前理论较为成熟和应用广泛的现代设计方法包括机电产品造型设计、计算机辅助设计、优化设计、计算机辅助工程设计CAE、摩擦学设计和可靠性设计等。

长壁综采是我国煤炭开采技术的主导发展方向，根据矿井条件的不同，对液压支架的发展将提出不同要求。条件好的大型安全高效矿井，重点发展大工作阻力、高可靠性、电液控制液压支架，条件复杂的矿井重点发展适应难采煤层的各种支架，大批中小矿井将进行技术改造，推广使用以紧凑型为主的液压支架。

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1、更新设计理念和设计方法

设计理念的创新是液压支架技术创新的根本，通过积极消化吸收国际先进技术，改变传统的设计理念，把可靠性作为首要目标。采用现代优化设计方法，三维CAD动态设计，开发

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三维CAD参数化设计系统、系统可靠性设计。进一步开发支架结构分析计算软件系统，完善结构有限元分析软件系统及实用化，完善液压控制系统的设计，加强细节设计。 2、完善标准体系

标准是技术发展的保障，建立完善的煤矿支护设备技术标准体系是技术发展的重要任务。经过多年的努力，我国已形成了较完整的MT煤矿支护设备技术行业标准体系。但是，随着技术的进步和WTO国际经济一体化，这些标准大多已不适应当前技术发展要求，急需制定新的国家标准，进行建立液压支架国家标准体系的研究。 3、架型改进发展

随着安全高效矿井建设的不断发展，对长壁综采设备生产能力和可靠性的要求越来越高，支架向大工作阻力、高可靠性方向发展。一次采全高普通支架继续向着两柱掩护式发展，并将进一步扩大适用范围，大倾角支架、薄煤层支架、6～7m特厚煤层一次采全高支架、三软难采煤层支架等将不断发展新架型结构。放顶煤支架在继续发展四柱式的同时，两柱式放顶煤支架将逐渐发展成为主导架型之一。端头支护和顺槽超前支护等特殊支架将得到广泛重视和发展。

4、材料的升级换代

随着支架向大工作阻力和高可靠性要求的提高，支架重量也不断增加，给运输、搬运和安装等环节带来了很大困难，如何在保证强度的前提下，减轻支架重量是支架设计中迫切需要解决的问题，采用高强度钢材是最有效的途径。 5、立柱和千斤顶新型密封结构和密封圈

目前，国产液压支架立柱、千斤顶的密封性能是最突出的薄弱环节，大多数仍在用橡胶密封圈，部分支架采用了国产聚氨酯密封圈，但其密封结构陈旧，国产聚氨酯密封圈质量稳定性差，为了彻底解决支架立柱和千斤顶新型密封结构和密封圈存在的问题，北京开采所已进行了两年多的研究和实验，取得三项专利。尚需从密封结构、密封机理、密封材料、密封圈结构形式、密封圈成型工艺等诸多方面进行深入的研究，研制出高可靠性聚氨酯密封圈。实现立柱和千斤顶新型密封结构和密封圈的更新换代是支架技术发展的必然趋势。 6、电液控制系统

电液控制是液压支架技术发展的重要方向。煤矿液压支架电液控制系统是煤矿综采工作面自动化系统控制的核心，其是以网络技术为基础，实现采煤机位置检测和液压支架的跟机自动控制，并且可实现液压支架及其配套设施的检测监控综合管理，实现地面通讯和远程控[11]

制。目前，发达国家的液压支架已普遍采用电液控制系统，我国神东、兖州、晋城等矿区和一些新建大型矿井也大量采用电液控制系统。液压支架电液控制是实现工作面自动化的前提条件，是安全高效矿井的必然选择，从目前我国煤矿技术经济条件和效益出发，电液控制液压支架主要用于年产400万吨以上一次采全高长壁工作面、600万吨以上放顶煤工作面和薄煤层高效开采工作面。

国外电液控制系统的发展已经达到成熟阶段。我国液压支架电液控制系统的发展还处于研究开发阶段，还没有相关的电控系统产品。国产电液控制系统存在的主要问题是电液控制系统关键元部件对煤矿井下综采工作面生产环境的适应能力较差，电液控制系统元部件之间的参数匹配和性能匹配还不太合理，电液控制系统整体可靠性指标还比较低等问题。在目前条件下，电液控制系统主要采用国外产品配套或核心部件采用国外成熟产品。与此同时，应大力发展高可靠性手动大流量快速移架系统、大流量安全阀和各种大流量液压元件，提高支架控制系统的可靠性。

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参考文献：

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