综采工作面设备选型配套理论1

2 综采工作面设备选型配套

2.1 综采工作面主要设备概述

综采设备是指综合机械化采煤工作面机电设备的总称。综采工作面成套设备以采面所需设备为核心，一般情况下，其成套机械和电器设备布置分别如图2-1所示。综采设备将各种相对独立的机械合理地组合在一起，在工艺过程中协调工作，使采煤工作面的破、装、运、支全部工序实现机械化。综采设备包括滚筒采煤机或刨煤机、可弯曲刮板输送机、液压支架以及各种供电、供液设备和其他辅助设备。

5

13

A

图2-1 滚筒采煤机综采工作面设备布置图

1-滚筒采煤机；2-刮板输送机；3-液压支架；4-下端头支架；5-上端头支架；

6-转载机；7-可伸缩胶带输送机；8- 配电箱；9-乳化液泵站；10-设备列车；

11-移动变电站；12-喷雾泵站；13-液压安全绞车；14-集中控制台工作面主要设备及功能如下：

采煤机采煤机是完成破煤、装煤工序的一种机械设备。当前普遍使用的是可调高的双滚筒采煤机，它可以骑在可弯曲刮板输送机上沿工作面穿梭割煤，一般截深为600mm或800mm，最大截深可达1000mm。

刮板输送机可弯曲刮板输送机是完成工作面运煤的机械，同时它还作为采煤机械的导轨，以及液压支架及推移输送机的支点。

液压支架液压支架是以高压液体为动力，由若干液压元件（油缸和阀件）与一些金属结构件组合而成的一种支撑和控制顶板的采煤工作面设备，用于支护、移架、

推移运输机和管理顶板。

端头支架端头支架是用于加强工作面端部（上下出口）顶板支护的液压支架。

排头支架排头（或称过渡）支架是用于可弯曲刮板输送机机头、机尾放置电动机、减速箱和液力偶合器处支护顶板的液压支架，它比工作面中间架滞后一个步距，顶梁长于中间架一个步距。

转载机转载机是20~60m长的刮板输送机。它一端与工作面输送机机头相搭接，另一端骑在可伸缩胶带输送机的机尾上，其作用是将刮板输送机运出的煤炭转移到胶带输送机上，它可随工作面的推进进行整体移动，转载机常配置破碎机。

可伸缩胶带输送机可伸缩胶带输送机是工作面运输巷中的运煤设备。通过其贮带装置，可调节输送机的长度。当工作面前进式或后退式回采时，能做到伸长或缩短。

乳化液泵站乳化液泵站是供给液压支架和其他液压装置压力液的动力设备。

除以上设备外，上端巷道中还设有运送设备和材料的单吊车，或搬运绞车，以及在倾斜角度较大时防止采煤机下滑的液压安全绞车；下端巷道中设有供电移动变电站和配电点，以及刮板输送机和巷道转载机的监视、控制、通讯照明的集中控制台。

如上所述，综采成套设备主要由采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、破碎机及胶带输送机等组成，这些设备不是孤立的“单机”，而是结构上需要相互配合、功能上需要相互协调的有机整体，具有较强的配套要求和较高的可靠性要求。组成综采成套设备的每一种机械设备，都有严格限定的适用条件，选型不当会导致设备不配套、生产效率低、经济效益差。因此，设备的正确选型设计是充分发挥其效能，实现综采工作面高产高效、经济安全运行的前提。

2.2 液压支架选型

2.2.1液压支架结构与类型

1．液压支架的结构

液压支架是一种以液压为动力实现升降，前移等运动，用于支撑和维护顶板，提供安全作业空间的支护设备。液压支架的基本部件包括顶梁、立柱、底座、掩护梁、推移装置、护帮板等，如图2-2所示。

4

612

7

5

8

3

图2-2液压支架结构简图

1-顶梁；2-立柱；3-底座；4-掩护梁；5-推移装置；

6-护帮装置；7-活动侧护板；8-连杆

2．液压支架的类型

液压支架按照在采煤工作面的安装位置来划分，有端头液压支架和中间液压支架两种。端头液压支架简称端头支架，专门安装在每个采煤工作面的两端。中间液压支架是安装在除工作面端头以外的采煤工作面上所有位置的支架。

液压支架按其对顶板的支护方式和结构特点的不同，分为支撑式、掩护式和支撑掩护式三种基本架型，目前主要发展后两种。

?????????????????

垛式支架支撑式液压支架节式支架单铰式掩护液压支架液压支架掩护式液压支架四连杆是掩护支架支撑掩护式液压支架 （1）支撑式支架

在结构上没有掩护梁，支柱直接通过顶梁对顶板起支撑作用的支架称为支撑式支架。支撑式支架是出现最早的一种架型，按其结构和动作方式的不同，支撑式支架又分为垛式支架和节式支架两种结构型式，支撑式支架的结构特点是：顶梁较长，其长度多在4m 左右；而且立柱多，一般4~6根，且垂直支撑；支架后部设复位装置和挡矸装置，以平衡水平推力和防止矸石窜入支架的工作空间内。支撑式支架的支护性能是：支撑力大，且作用点在支架后部，故切顶性能好；支架的工作空间和通风断面大；对顶板重复支撑的次数多，容易把本来完整的顶板压碎；抗水平载荷的能力差，稳定性差；护矸能力差，矸石易窜入工作空间。

（a ） （b ）

图2-3支撑式支架结构图

（a ）-四柱垛式支架； （b ）- 两框节式支架

由上可知，支撑式支架由于自身的优缺点，造成对顶板的遮盖率低，抗侧向推力性能差，故不适用于中等稳定以下的顶板，它适用于直接顶稳定、老顶有明显或强烈周期来压，且水平力小的条件。

（2）掩护式支架

在结构上有掩护梁，单排立柱连接掩护梁或直接支撑顶梁对顶板起支撑作用的称为掩护式支架。根据立柱布置和支架结构特点，掩护式支架可分为支掩掩护式支架和支顶掩护式支架。

1）支掩掩护式支架

指单排立柱支撑在掩护梁上的掩护式液压支架，该支架有插底和不插底两种形式。插底式配用专门的下部带托架的输送机，支架底座前部较长，伸入输送机下部，对底板比压小，是不稳定顶板和软底板工作面的主要架型，如OKⅡ型支架，底座插入输送机下面，故顶梁较短，约1.2m，称为短顶梁插底式掩护支架。不插底式配用通用型输送机，如ZYZ型支架，底座与输送机脱开故顶梁较长，约2m以上，称为长顶梁不插底式掩护支架，如图2-4所示。

（a）插腿式（b）非插腿式

图2-4 支掩掩护式支架

支撑掩护式支架的特点是：

①支撑能力大，顶梁受力状态好，切顶性能强。

②具有掩护梁，能有效地将工作空间和采空区隔开，防止矸石窜入。

③支架稳定性较好，有较大的工作空间，便于通风和行人。

④结构比较复杂，钢材用量多，造价高。

支撑掩护式支架是在吸收了支撑式和掩护式两种支架优点的基础上发展起来的一种支架。这种支架以支撑为主，并有掩护作用，可用在破碎顶板、中等稳定顶板，稳定顶板和松软底板等条件下均可应用。

（4）特种液压支架

特种液压支架是为满足某些特殊要求而发展起来的液压支架，如放顶煤液压支架、铺网液压支架、铺网放顶煤液压支架、大倾角液压支架等，它们在结构型式上仍属于上述某种基本架型。

2.2.2液压支架主要工作参数的确定

（1）支护强度

支架支护强度的确定既要保证对工作面顶板实现有效控制，又要满足回采工艺的各种要求。其计算公式为：

],m ax [21P P P = (2-1)

)8~6(cos 1αγM P = (2-2)

1

cos 2-=k g M P αβγ (2-3) 式中 1P ，2P ——顶板荷载，MPa ；

M ——煤层厚度，m ；

γ——支架顶部煤岩平均容重；

α——煤层平均倾角，°；

g ——支架顶板动载荷系数；

β——支架和顶板之间附加阻力系数；

k ——顶板煤岩碎胀系数。

（2）工作阻力（额定）

支架支护强度确定以后，工作阻力值主要取决于支护顶板的控顶面积。支架控顶面积主要与工作面“三机”配套设备的断面纵向尺寸有关，工作面“三机”配套设备的断面纵向尺寸在采煤机、刮板输送机定型后方能准确确定。所以，此处确定的是额定工作阻力，待后续配套确定后再进行修正。

η

/L PB F c ≥ (2-4)

式中 P —首采区工作面额定支护强度； c B —控顶距，包括支架顶梁长度和梁端距离；

L —支架中心距；

η—支撑效率；主要取决于支架架型，即立柱在不同工作面状态的倾斜角度。

（3）支架高度z H

先确定最大高度m ax H 和最小高度m in H ，后期再根据采煤机采高t H 确定。

2.0max max +=M H (2-5)

)35.0~25.0(min min -=M H (2-6)

max min H H H z ≤≤ (2-7)

式中 m ax M 、min M ———煤层最大、最小厚度，m 。

依采煤机采高要求确定“三机”配套的最低支架结构高度：

t

C A H m ++=in (2-8)

式中 t ———支架顶梁厚度； A ———采煤机机身高度+输送机高度+采煤机底托架高度d h （自输送机中部计

算起），底托架高度d h 要保证过煤高度mm E 300~250>；

C ———采煤机机身上方的空间高度按便于司机操作及留有顶板下沉量确定。

（4）支架的伸缩量和伸缩比

根据支架的伸缩量，可以确定立柱的行程。在工作面采高变化较大时，要用双伸缩立柱或采用机械加长段。

液压支架最大结构高度与最小结构高度之比称为伸缩比，即

min

max H H K = 伸缩比K 反映了支架对采高变化的适应能力，K 愈大表示适应煤层变化的能力越大。薄煤层中K 值为2.5~3.0，中厚煤层中K 应不小于1.4~1.6。两柱掩护支架K 可达3.0，支撑掩护支架K 可达2.0~2.5。

（5）初撑力

支架的初撑力是指在泵站工作压力作用下，支架全部立柱升起，顶梁与顶板接紧时支架对顶板的支撑力。

初撑力的作用是减缓顶板的早期下沉速度，增加顶板的稳定性，使支架尽快进入恒阻状态。

选取初撑力时应考虑的以下几点：

1）直接顶顶板中等稳定以下，支架的初撑力一般应为工作阻力的70%~80%。

2）机道上方的顶板稳定性较好时，适当的顶板下沉有利于减少顶板在采空区悬顶，故初撑力不宜过高，但不应低于工作阻力的55%。

3）对于基本顶来压强烈的工作面，为避免顶板大面积悬顶垮落时冲击负荷损坏机械设备，初撑力应适当加大，一般不低于工作阻力的75%。

4）当支架用于厚煤层的下分层时，若初撑力太小，在移架时容易形成大量的网兜而难于控顶，初撑力一般取采高的2~3倍的岩石重力。

（7）装配要求

由于底板截割不平，输送机产生偏斜，为了避免采煤机滚筒截割到顶梁，支架梁端与煤壁应留有无支护的间隙梁端距D ，约为200~400mm 。煤层薄时取小值，厚时取大值，从前柱到梁端的长度上应为：

L-

-

=(2-9)

)

F

-

~

12

8(x

B

D

式中F——支架前柱到煤壁的无立柱空间（前边有计算）；

B——截深，即采煤机滚筒的宽度；

D——支架梁端与煤壁应留有的无支护的间隙梁端距；

x——立柱斜置产生的水平增距，它可按立柱最大高度的投影计算。

从支护性能讲，梁端距D越小，顶板覆盖率越大，但顶梁前部长度L要加大，因而合适的梁端距要根据具体条件确定。

支架的宽度应与中部槽长度一致，推移千斤顶的行程最好应大于截深~

100。

mm

200

（8）放煤步距

放顶煤是综放工艺中的最关键的工序，约60%的煤由支架的放煤口放出。开始放煤必须达到一个放煤步距。放煤步距的大小决定着回采率和煤炭质量，放煤步距选择偏大时，顶煤落入采空区，丢煤量大；放煤步距太小时，放不出煤，且采空区矸石大量涌入放煤口，影响煤质。

由多次现场经验得知，采煤机截深为0.6m时为两刀一放；截深为0.8m和1.0m 时为一刀一放。放煤步距要与支架放煤口的纵向尺寸的水平投影一致；与采煤机截深成整数倍关系—可以是1.2m、0.8m、1.0m，实践证明合理的放煤步距为1m左右。

2.2.3液压支架适用条件

前已述及，液压支架架型的选择，主要取决于液压支架的力学特性能否适应矿井的顶底板条件和地质条件。具体选择可根据原煤炭部（81）煤科字第429号文件关于试用《缓倾斜煤层工作面顶板分类》来选取，架型选择过程如下：

1．采场顶板分类

（1）基本顶分级

采场支架的选型和支架参数的选择由基本顶级别确定，基本顶级别按基本顶来压强弱来划分。基本顶来压强弱取决于冒落带岩石对采空区充满程度N（直接顶厚度∑h与采高M的比值）及基本顶来压步距L，见表2-1。

表2-1 基本顶来压强度分级表

表2-2 直接顶稳定性分类

2．支架适用条件

（1）掩护式支架适用条件

在我国，掩护式支架多用于顶板比较破碎的工作面，通常适用于基本顶来压强度较低（动载系数K D < 1.5），周期来压步距较为稳定，顶板比较破碎，顶板压力较小，底板比较坚硬，采高较大，但不易片帮的煤层。为扩大掩护式支架的使用范围，可通过提高支架初撑力和切顶能力，改进并完善梁端支护和防片帮装置，借此提高对基本顶来压的适应能力，改善梁端支护，防止煤壁片帮。从矿压特点看，掩护式支架使用效果良好的条件见表2-5。

有关的说明如下：

①计算液压支架支护强度时的支护面积应为：支架中心距×（顶梁长度+移架后的端面距）。表中括号内数字系掩护支架顶梁上的支护强度，设计和选用时应根据括号内数字除以支撑效率，即为所需的支架总阻力。表中所列的支护强度根据各矿实际可允许±5%的波动范围。

②表中支护强度栏内的1.3，1.6和2为基本顶分级的增压系数，即Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级来压强度与Ⅰ级来压强度的增压比值，是根据同类型顶板统计分析所得。Ⅳ级顶板由于地质条件变化较大，故只给出最低值2，一般可以根据实际情况确定其适宜值。

③表中采高系指最大采高，具体采高的支护强度可根据表内值用插值法确定。

④充填法和厚煤层的下分层工作面的支护强度可以根据实际情况自行确定。

（2）支撑掩护式支架适用条件

支撑掩护式支架较掩护式支架优点是：适应基本顶来压能力强（K D >1.5）；由于实际初撑力和支护强度高，支护效率高、效果好；顶梁尾部支撑能力大，切顶能力强，有利于控制坚硬顶板；底座前端比压小，适于松软底板。其不足之处主要是由于顶梁较长，前端支撑能力略低于掩护式支架。从矿压特点看，支撑掩护式支架适用条件比掩护式支架宽。支撑掩护式支架可适于Ⅰ至Ⅳ级基本顶、2至4类直接顶板（表2-6）。

（3）支撑式支架适用条件

支撑式支架仅适用于基本顶来压强度大，而水平推力小的稳定或坚硬顶板，如表表2-6。

表2-6 各类顶板使用支架架型及支护强度