学位论文-—巷道超前支护液压支架.doc

中 国 矿 业 大 学
本科生毕业设计

姓 名： 张根亮 学 号： 03101025
学 院： 机电工程学院
专 业： 机械工程及其自动化 　
设计题目： 巷道超前支护液压支架的设计
专 题：
指导教师： 杨善国 职 称： 副教授

二O一四 年 六 月 徐州

中国矿业大学毕业设计任务书

学院 机电学院 专业年级 机自10级 学生姓名 张根亮

任务下达日期：2014 年 2月 21 日

毕业设计日期：2014 年 2 月2 1日至 2014年 6 月 20 日

毕业设计题目：巷道超前支护液压支架的设计

毕业设计专题题目：

毕业论文主要内容和要求：
①绘制相关设计图纸3.5张（折合0号）左右；
②按照学校及学院有关规定，撰写毕业设计说明书一份，正文部分不少于15000字；
③中英文摘要200字左右；
④外文翻译一篇（中文字数3000字左右）；
⑤查阅相关文献20篇左右，其中外文文献不少于2篇。

院长签字： 指导教师签字：
中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书

指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成 绩： 指导教师签字：
年 月 日
中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；④工作量的大小；⑤取得的主要成果及创新点；⑥写作的规范程度；⑦总体评价及建议成绩；⑧存在问题；⑨是否同意答辩等）：

成 绩： 评阅教师签字：
年 月 日
中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；④工作量的大小；⑤取得的主要成果及创新点；⑥写作的规范程度；⑦总体评价及建议成绩；⑧存在问题；⑨是否同意答辩等）：

成 绩： 评阅教师签字：
年 月 日

中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩
答 辩 情 况
提 出 问 题
回 答 问 题
正 确
基本
正确
有一般性错误
有原则性错误
没有
回答

答辩委员会评语及建议成绩：

答辩委员会主任签字：
年 月 日
学院领导小组综合评定成绩：

学院领导小组负责人：
年 月 日

摘要

随着煤矿工作面采煤、运输、支护等生产环节快速实现综合机械化的同时，巷道超前支护技术的落后逐渐成了制约煤矿经济效益提高的主要因素。目前，我国在巷道超前支护领域的理论和技术与发达国家存在一定的差距，国内对巷道超前支护液压支架十分需要。本文对超前支护技术进行了研究，对普通支架进行了结构改造和论证，实现了巷道超前支护的机械化和自动化。

关键词：超前支护 液压支架 自动化

ABSTRACT

Along with the comprehensive mechanization realized in production links of coal mining, transportation and supporting in mining working face, it has become a obstruction to improve economic efficiency that ahead of support technology develops slowly. Now, we are far behind foreign country in the area of ahead of support technology while we need more improvement . The passage points out a new way to realize mechanization and automation in the ahead of supporting by deep research and structural modification of ordinary stents.

Keywords: Advance support; Hydraulic support ; Automation

目录
1 综述 4
1.1液压支架的应用和意义 4
1.2液压支架的发展状况及存在问题 4
1.2.1液压支架的发展状况 4
1.2.2 存在问题 5
1.3液压支架的发展动向和思路 6
1.4巷道超前支护液压支架研究的意义 7
2 总体设计 10
2.1液压支架设计介绍 10
2.1.1液压支架的工作原理 10
2.1.2支架的一般组成 10
2.1.3液压支架主要结构件及其作用 10
2.1.4 液压支架的架型 15
2.2 超前支护液压支架结构设计 16
2.2.1支架选型 16
2.2.3 底座的选型设计 20
2.2.4液压支架的结构设计 20
2.2.5液压支架部件设计 25
2.2.6 拟定液压系统 30
3 支架的受力分析和计算 31
3.1支架的工作状态 31
3.2支架载荷的确定 31
3.3支架受力分析 32
3.3.1各主要参数的影响 32
3.4液压支架支护技术参数的确定 34
3.4.1支护面积的确定 34
3.4.3立柱技术参数的确定 35
3.5支架的受力计算 36
4 液压支架部件的强度校核 43
4.1校核的基本要求 43
4.3主顶梁强度校核 46
4.4.底座的强度计算与校核 48
5 推移千斤顶的设计计算 52
5.1 缸筒内径和缸壁厚度的计算 52
5.1.1缸体内径的确定 52
5.1.2千斤顶缸体壁厚的计算 52
5.2推移千斤顶的强度验算 53
5.2.1推移千斤顶稳定性验算 53
5.2.2活塞杆强度验算 54
5.2.3缸体强度计算 55
5.2.4缸体与缸底焊缝强度计算 56
6 液压支架的使用和维护 57
6.1液压支架的使用维护 57
6.2在支架使用、操作和维护中几个应注意的问题 58
6.3液压支架的保养 58
参考资料 60

1 综述
1.1液压支架的应用和意义
随着工业技术的不断发展，国民经济对煤炭需要量的日益增加，煤矿开采，特别是采煤工作面的生产技术面貌发生了巨大的变化。自1954年英国装备了世界上第一个液压支架工作面开始，采煤技术实现了综合机械化。综合机械化。就是工作面采煤、运输和支护三大主要生产环节都是现机械化。也就是说，采用滚筒式或刨削式等采煤机械落煤与装煤；工作面重型可弯曲运输机，以及与之适应的顺槽转载机和可伸缩皮带运输机等运煤；自移式液压支架支护和管理顶板。这几种设备相互配合，组成了综合机械化采煤设备。
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，能实现支撑、降落移架和推移运输机等一整套工序。液压支架技术上先进，经济上合理，安全上可靠，当前世界各国都在不断地提高采煤工作面的综合机械化水平。
我国于1964年开始研制液压支架，到目前已经取得可较好的效果。1974年以来，从西德、英国、苏联和波兰等国引进了许多不同类型的液压支架。实践证明，液压支架具有强度高、支护性能好、移设速度快、安全可靠等优点，能使采煤工作面达到高产量、高回采率和高工效，能大大减轻劳动强度，降低成本和掘进率，实现安全生产。
1.2液压支架的发展状况及存在问题
1.2.1液压支架的发展状况
作为综采工作面关键设备的液压支架，经历了几个阶段的发展过程。50年代英国研制的垛式支架和法国研制的节式支架代替了木支柱、金属摩擦支柱、液压支柱，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)，从根本上解决了支架梁端距变化大和不能承受水平力的问题，开辟了液压支架设计的新时代；70年代主要产煤国家都在不断改善支架结构，完善支架性能，实现了支架的“立即支护”力式；80年代以来，为提高生产率和降低成本，在液压支架的设计和研制中应用了许多高新技术，特别是液压支架的性能相自动化程度有f大幅度提高。如美国、澳大利亚的大部分长壁工作面部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相性能监测。90％以上的美国长壁综采工作面使用了电液控制两拄掩护支架，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．从1964年开始由专门研究室全面开展架型及阀类的攻关。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。至70年代中期，研制了QY型掩护支架和ZY35型支撑掩护支架。80年代以来，开发了适用于坚硬顶板的大吨位TZ—720型支架，分层开采自动铺联网支架、放顶煤液压支架及大流量安全阀相操纵阀等。到目前为止，适于我国实现高产高效的网产液压支架有20余种架型，其中用于缓倾斜中厚煤层和缓倾斜厚煤层的各占一半。适用于缓倾斜，中厚煤层高产高效的液压支架的代表件型号有QY200—14／31、BY3300—]3／33、ZY35或BC400-17／35、TZ720—20．5／32、ZY550—13／29、ZY560k等。适用缓倾斜厚煤层高产高效的液压支架分为机械化铺联网支架、 一次采全高支架和放顶煤支架三大类。底座后部自动铺底网支架(如BC7A400—17／35、PY3200—17／35型)使用效果较好。BY3200-23／45、QY350—25／47；BC4800—22／42、ZY560—25／4等大采高支架获得年产超百万吨的效果。放顶煤支架分为单输送机插腿式开天窗、双输送机插板式、双输送机开天窗式三大类．其代表架型分别为ZFD5600—26／30、FY2800—14／28、ZFS5200—16／32。与国外同类产品相比，这些支架的移架速度较慢（—般为20—30s)、初撑比较低(一般为0.52— 0.77，实测仅为0.25~0.4)。
1.2.2 存在问题
液压支架经历了研制试验、引进仿制和改进创新阶段，直到现在的独立设计和制造阶段。特别是对液压支架的架型与结构件的设计和研究投入了大量的人力物力，达到了国外同期先进水平。然而在液压支架及其液控系统动态特性、液压支架电液控制技术和计算机辅助设计等方面的研究起步较晚，远远落后于一些先进国家。尤其对液压支架液压系统及其控制技术方面的研究投入较少，存在的问题最为突出，成为制约液压支架发展的主要因素。
在我国的工业领域中，液压支架等煤矿机械的设计水平和技术水平相对落后于其他行业，主要表现在：设计中以静态的、经验的方法为主；各种工序中工作机构动作和各种工况转换的控制还是以手动为主；工作过程中在线动态监测的技术还比较落后，对许多综采工作面而言还是空白。导致以上落后局面的主要原因是：
(1)对工作面的一切设备和仪器都有防爆要求，控制系统的电源必须是本安型；
(2)工作面空间很小，所有装置的体积和形状都受到一定的限制；
(3)在有限空间内密集布置相当数量的设备及其控制系统，抗干扰问题是一个重大难题；
(4)支架距泵站较远(用于远距离供液)，压力损失和管路振动等问题较为严重；
(5)液压支架具有降、移、升、推相调架等工序，有时出现同架不同工序的组合作业、或不同架相同或不同工序的组合作业，给液压支架的自动控制带来了许多困难。
1.3液压支架的发展动向和思路
近几年来，为适应采煤综合机械化的发展需要，液压支架获得了迅速的发展，出现了很多类型，据统计，它的结构形式已经达到数百种。每种支架的支柱从一根到八根，支撑力从50吨到800吨，支架的适应煤层厚度的范围从0.6到5.0米，以至更厚的煤层，适应煤层倾角由到，甚至左右。在缓倾薄及中厚煤层中，液压支架已经获得了广泛的应用，但是由于煤层赋存条件复杂，支架的结构还不够完善，设备还需要管理和操作经验，所以液压支架的使用范围受到限制。
为了改进支架的支护性能，提高它对矿山地质条件的适应性，扩大使用范围，延长使用寿命，目前液压支架有下列几方面的发展动向：
1 大力发展掩护式和支撑掩护式支架，对其他型式的支架，应用逐渐机减少。1976年国际采矿设备展览会展出的89种液压支架中，有80%是掩护式支架，这些支架的主要特点是：采用四连杆机构，使梁断和煤壁之间的距离基本保持恒定；支柱支在顶梁上，提高了支架的工作阻力；顶梁和掩护梁铰接，取消了两者间易被铅石阻塞的三角区；掩护梁和顶梁的主梁部分均装设侧护板，提高了支架的防护能力；采用整体自移式，便于支架操作和实现自动控制。
2 液压支架的进一步发展，是着重解决扩大使用范围的问题。目前，各国正在研制大倾角、大采高、大截深和薄煤层支架，并使支架和采煤机更好的配合。近几年来，国外正在研制一次截深1.5米左右或一次采高5.5米的液压支架。同时，为扩大支架适应的高度范围，广泛采用双伸缩式支柱。
3 采用高压乳化液泵，以提高支架的初撑力，很多国家使用的泵站压力已达到300kg/cm以上。
4 为了简化支架管路系统和便于安全操作，开始采用“多芯管”先导式邻架控制的操纵方式。
5 为了加快支架的移设速度，进一步改善操作条件，支架控制正在向自动控制方向发展。目前，分组程序控制已经开始使用，全工作面的自动控制和处在研究阶段。
我国液压支架技术创新的思路：
1更新设计理念和方法
设计理念创新是液压支架技术创新的根本,应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,开发三维CAD 参数化设计系统,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。进一步加强支架—围岩相互作用关系的研究,采用相似材料模拟试验等手段进行综合研究,对支架的适应性进行理论解析,从而合理确定支架的结构和支护参数。
2 完善标准体系
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。随着技术的进步和WTO 国际经济一体化,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。如北京开采研究所已基本完成了《煤矿用液压支架安全性要求》系列国家标准的起草。新的国家标准将与CENl804 等国际先进标准接轨,必将对我国液压支架的技术进步产生重大影响。
3架型发展
随着高产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、6～7 m 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。两柱式放顶煤支架将逐渐发展成为主导架型之一。端头支护和工作面平巷超前支护等特殊支架将得到广泛重视和发展。同时,我国的大批地方中小煤矿将大力发展长壁机械化开采,适应这些矿井使用条件的轻型液压支架和配套设备将得到较快发展。
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,支架质量也不断增加,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。国际先进液压支架结构用钢已以≥700～1000MPa 高强度焊接结构为主,近年来,材料的升级换代已初见成效,基本上解决了高强度板材的生产、加工与焊接问题,并在支架设计中得到广泛应用,效果显著。
另外，还需要对材料的焊接性进行试验研究,优化焊接工艺,提高焊接接头的综合机械性能与承载能力,以满足高可靠性支架设计需要。
1.4巷道超前支护液压支架研究的意义
巷道超前支护是为了防止工作面超前支承压力和沿倾斜方向支承压力的叠加作用而引起的巷道围岩变形、移动、破坏。当下综合机械化开采方式普遍存在超前压力较大的情形, 若不能有效支护, 不仅影响工作面采煤效率, 且可能导致很大的安全隐患。目前超前支护多为单体液压支柱配铰接顶梁,或双排木支柱加横梁支护, 或单体液压支柱架板梁，根据巷道断面及顶板压力情况确定支护参数，以确保安全出口的畅通。但是在特殊地质条件和临面开采时，单体液压支柱配合铰接顶梁进行超前支护的局限性逐渐表现出来。主要有以下几个方面：
1支护强度低。对于顶板压力较大的煤层，达不到支护强度，易造成工作面安全出口处顶板下沉，单体支柱钻底多，回撤困难。 特别是工作面后部密集切顶处尤其如此，既增加了劳动强度，又不利于安全生产。
2支护速度慢。由于单体液压支柱、顶梁支设及回撤速度难以大幅度提高。制约了工作面的推入速度。难以实现高产高效。
3劳动强度大。由于支设来回撤单体支柱及顶梁频繁，并且全部采用人力，造成工作面回采使用人员多。劳动强度大。
4成本高，安全性差。因顶板压力大或操作等原因。支柱、顶梁、柱鞋的损坏量较大，增加成本支出。并且工序复杂。人工操作多。造成事故的概率较大。因此, 研制一种适应综采工作面快速推进的巷道超前液压支架显得尤为重要, 对提高煤矿经济效益和社会效益有着重要意义。
图1-1 锚杆超前支护

图1-2 单体液压支柱配铰接顶梁超前支护

图1-3 巷道超前支护液压支架实例

2 总体设计
2.1液压支架设计介绍
2.1.1液压支架的工作原理
液压支架是由乳化液泵站提供高压乳化液（这里采用水包油型乳化液）作为动力由液压操作系统，控制系统，液压油缸和金属构件组成。来自泵站的高压乳化液，经主进液管送到工作面，并与每架支架的进液截止阀相连导入支架，再经过组合操纵阀配液到各液压缸，以完成支架所需的各项动作。从支架回流的低压乳化液通过组合操纵阀与回液截止阀由主回液管路流回泵站乳化液箱，供循环使用。
支架的承载原理是：液压支架支撑在综采工作面的顶底板之间支撑顶板。顶板压力作用在顶梁上，并通过顶梁和底座间立柱将压力传递底板。为保证支架结构件的强度及撑在支架顶安全，在立柱的下腔装有安全阀。当顶板压力超过立柱安全阀限定压力时，安全阀开启释放出立柱中的液体进行让压，当顶板压力下降到立柱工作阻力时，安全阀关闭进行保压承载。
2.1.2支架的一般组成
液压支架主要由金属结构件、油缸和液压控制元件三大部分组成。
1金属结构件主要有顶梁、掩护梁、前梁、上连杆、前连杆、后连杆、底座、侧护板、护帮板等。
2缸主要有双作用双伸缩立柱、推移千斤顶、侧护千斤顶、前梁千斤顶等。
3液压控制元件主要有液压控制阀、操纵阀、双向锁、安全阀、截止阀及液压辅助元件等。
表2-1 支架组成
序号
部件
功能
举例
1
承载结构件
承载并传递顶板载荷
顶梁、掩护梁、底座、连杆
2
动力油缸
产生动力，实现各种动作
立柱、千斤顶
3
控制元部件
操作、控制各个动力油缸动作及保证所需工作特性
各种阀件
4
辅助装置

推移装置、护帮装置、防倒防滑装置
5
工作液体
传递能量的介质
乳化液等

2.1.3液压支架主要结构件及其作用
1 顶梁
顶梁采用整体顶梁直接与顶板接触，支撑顶板负荷，是支架的主要承载部件之一，由钢板焊接而成的箱形结构，以满足强度和刚度要求。
其主要作用是：
（1） 接顶板岩石及煤的载荷；
（2） 反复支撑顶煤，可对比较坚硬的顶煤起破碎作用；
（3） 隔离顶板，为回采工作面提供足够的安全空间。
本支架采用分段组合式顶梁结构（刚性顶梁＋伸缩前梁），强度高，对顶板维护较好；另外，在顶梁前部还布置有起吊耳，可方便吊挂较小的机件。
2掩护梁

1－护帮板耳座；2－侧推千斤顶座；3－侧护板；4－侧推千斤顶；
5－前连杆耳座；6－后连杆耳座；7－护帮千斤顶耳座；8－弹簧筒；
9－插板千斤顶耳座
图2－1　掩护梁
其主要作用有：
（1） 承受下部顶板传给的水平分力和侧向力，增强支架的抗扭性能；
（2） 掩护梁与掩护梁千斤顶，保证支架的稳定性；
（3） 阻挡后部落煤，维护工作空间。
2 底座
底座是将顶板承受的压力通过立柱传递到底板并稳定支架的主要结构件。底座常用结构如图2-2所示：

1.前连杆连接处 2.后连杆连接处 3.限位块 4.U型限位块
5.前柱窝 6后柱窝 7.踏板 8.耳板
图2－2 底座

其主要作用是：
（1） 将上方载荷传递给底板，为立柱、推移装置及其他辅助装置提供安装空间；
（2） 给工作人员创造良好的工作环境；
（3） 保证支架的稳定性。
3 四连杆机构
前、后连杆分别与上连杆和底座铰接，共同形成四连杆机构，前连杆采用铸钢件，铸件中不得有气孔、砂眼、夹杂。铸后要进行淬火和高温回火，以降低硬度，增加强度和韧性。对于后连杆，由于不仅受到冒落矸石的载荷，还要承受顶板的水平推力，所以要求它有较大的强度。

图2-3 前连杆

图2-4 后连杆

四连杆机构的作用：
四连杆机构是掩护式支架和支撑掩护式支架的最重要部件之一。其作用概括起来主要有两个，其一是当支架由高到低变化时，借助四连杆机构使支架顶梁前端点的运动轨迹呈近似双纽线，从而使支架顶梁前端点与煤壁间距离的变化大大减小，提高了管理顶板的性能；其二是使支架能承受较大的水平力。
为了掌握四连杆机构的设计方法，必须正确理解四连杆机构的作用。下面通过四连杆动作过程的几何特征进一步阐述其作用。这些几何特征是四连杆机构动作过程的必然结果。
1.支架高度在最大和最小范围内变化时，如下图所示，顶梁端点运动轨迹的最大宽度e应小于或等于70mm，最好为30mm以下。

图2-5 四连杆布置

2.支架在最高位置时和最低位置时，顶梁与掩护梁的夹角P和后连杆与底平面的夹角Q，如图所示，应满足如下要求：
支架在最高位置时，P≦52°～62°，Q≦75°～85°；支架在最高位置时，为有利于矸石下滑，防止矸石停留在掩护梁上，根据物理学摩擦理论可知，要求tg﹥w，如果钢和矸石的摩擦系数W=0.3，则P=16.7°。为了安全可靠，最低工作位置应使P≧25°为宜。而Q角主要考虑后连杆底部距底板要有一定距离，防止支架后部冒落岩石卡住后连杆，使支架不能下降。一般取Q≧25°～30°，在特殊情况下需要角度较小时，可提高后连杆下铰点的高度。
3.从图3-1可知，掩护梁与顶梁铰点e′和瞬时中心O之间的连线与水平夹角为。设计时，要使角满足tg≦0.35的范围，其原因是角直接影响支架承受附加力的数值大小（在后面有详细讨论）。
4.应取顶梁前端点运动轨迹双纽线向前凸的一段为支架工作段，如图所示的h段。其原因为当顶板来压时，立柱让压下缩，使顶梁有向前移的趋势，可防止岩石向后移，使整个支架产生顺时针转动的趋势，从而增加了顶梁前端的支护力防止顶梁前端上方顶板冒落，并且使底座前端比压减小，防止啃底，有利于移架。水平力的合力也相应减小，所以减轻了掩护梁的外负荷。
从以上分析得知，为使支架受力合理和工作可靠，在设计四连杆机构的运动轨迹时，应尽量使e值减小，取双纽线向前凸的一段为支架工作段。所以，当已知掩护梁和后连杆的长度后，从这个观点出发，在设计时只要把掩护梁和后连杆简化成曲柄滑块机构，运用作图法就可以了，如图所示（实际上液压支架四连杆机构属双摇杆机构）
4 推移机构

图2-6　推移框架
支架的推移机构包括推杆、连接头、推移千斤顶和销轴等，主要作用是推移输送机和拉移支架。推移连杆的一端通过连接头与输送机相连，另一端通过推移千斤顶与底座相连，推移连杆除承受推拉力外，还承受一定的侧向力防止底座的下滑。
2.1.4 液压支架的架型
根据支架的结构特点与支护型式，液压支架有三种基本架型：
1 支撑式支架
支撑式支架立柱较多，均呈直立状态，项梁较长，立柱顶梁与底座构成一多铰点的矩形结构。这类支架的工作阻力较大，支撑合力位于后部，切顶能力强，架型空间较大。但框架结构不够稳定，承受侧向力的能力较差。适用于直接顶稳定和坚硬老顶周期压力明显或强烈的顶板，不适用于破碎顶板。支撑式支架有垛式和节式两种。
2 掩护式支架
掩护式支架都有掩护梁挡住采空区矸石，立柱较少，均呈倾斜布置，顶梁较短，立柱可斜支在底座与顶梁或掩护梁之间。顶梁、掩护梁与底座构成半封闭式结构，将顶板、采空区与工作面空间隔开。这类支架的工作阻力较小，切顶能力较弱，架型空间较小，但支架的防护性能较好。适用于破碎和中等稳定直接顶（1～2类），老顶压力不明显的顶板（Ⅰ～Ⅱ级）。有直支式和间支式两种。
3 支撑～掩护式支架
支撑～掩护式支架兼有支撑式和掩护式支架的结构特点，均为四柱式，立柱可直立或斜支在顶梁或掩护梁上，相当于支撑式与掩护式的组合，以支撑为主，掩护为辅。这类支架的工作阻力、切顶项能力均介于上述二者之间，但由于有掩护梁，其掩护性能与稳定性均较好，适用于直接顶稳定和中等稳定（2～4类），周期压力明显（Ⅱ～Ⅲ）的顶板。
2.2 超前支护液压支架结构设计
2.2.1支架选型
2.2.1.1液压支架结构类型的优选
根据以往液压支架设计的经验总结，考虑到不同架型　和机构的支架――围岩力学相互作用、支撑力矩、底板比压等特点，可以对掩护式与支撑掩护式结构进行比较。
表2-2 支架结构、性能和经济比较
架形
项目
支撑式
掩护式
支撑掩护式
结构复杂性
简单
复杂
复杂
工作阻力
大
小
大
切顶能力
强
小
较强
防护性
差
好
好
稳定性
差
好
好
架形空间
大
小
较大
重量
轻
较重
重

表2-3 不同类级顶板的架形参考
老顶级别
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
直接顶类别
1
2
3
1
2
3
1
2
3
4
4
架

形
掩护式
掩护式
支撑式
掩护式
支撑掩护式
掩护式
支撑式
支撑掩护式
支撑掩护式
支撑掩护式
支撑式
支撑掩护式
支撑式
采高小于2.5米时支撑式；采高大于2.5米时支撑掩护式

2.2.1.2液压支架的架型选择原则
在选择液压支架时既要保证对工作面顶板实现可靠的支撑，又要避免过大的设备投资，导致不必要的浪费。因此，液压支架的正确选型对于工作面经济效益关系重大。液压支架架型的选择，主要取决于液压支架的力学性能是否适用矿井的顶底板条件和其它地质条件。在同时允许选用几种架型时，应优先选用价格便宜的支架，支承式支架最便宜，其次为掩护式。支承式支架适合于稳定顶板。掩护式支架适合于中等稳定和一般破碎的顶板。支承掩护式支架适合于周期来压强烈，中等稳定和稳定顶板。在综采工作面支架选型时，还应注意下述四点原则：
1对于不稳定和中等稳定顶板，应优先选用二柱掩护式支架。但在底板极松软条件下，必须严格验算并限制支架底座尖端比压，不得超过底板容许比压即极限载荷强度。在此条件下，通常应避免使用重型支架。
2对于非常稳定和稳定的难垮落顶板和周期来压强烈和十分强烈的顶板，应优先考虑选取四柱支撑掩护式支架。
3众所周知，三点决定一个平面，由于顶板不平，四柱式支架中总有一根支柱对顶板的实际支撑力很低，因而二柱式掩护支架支撑能力利用率高于四柱式。即二柱式支架对顶板的实际支撑力高于同样名义额定阻力的四柱式支架，特别是对机道上方顶板的支护强度。
4在不稳定顶板条件下使用四柱式支架应注意对机道上方的顶板控制，包括增加前任阻力及可伸缩前梁等。
2.2.1.3影响架型选择的因素
液压支架的选型受到矿井的煤层、地质、技术和设备条件的限制，因此，以上因素都会影响到支架的选型。
液压支架架型的选择首先要适合于顶板条件。一般情况下可根据顶板的级别选出架型。
1 煤层厚度
①当煤层厚度超过1.5m，顶板有侧向推力和水平推力时，应选用抗扭能力强的支架，一般不用支承式支架。
②当煤层厚度达到2.5m～2.8m以上时，需选择带有护帮装置的掩护式或支承掩护式支架。
③煤层厚度变化大时，应选择调高范围较大的掩护式，带有机械加长杆或双伸缩立柱的支架。
④假顶分层开采，应选用掩护式支架。
2 煤层倾角
①煤层倾角<10时，支架可不设防倒滑装置。
②倾角在10°～25°以上时，应选用带有防滑装置的支架。
③倾角>25°时，排头支架设防倒滑装置，工作面中部支架设底调千斤顶，工作面中部输送机设置防倒滑装置。
3 底板强度
①验算比压，应使支架底座对底板的比压不超过底板允许比压。
②为使移架容易，设计时要使支架底座前部比后部的比压小。
4 瓦斯含量
对瓦斯涌出量大的工作面，应符合保安规程的要求，并选用通风端面较大的支承式或支承掩护式支架。
5 煤层硬度
当煤层为软煤层时，支架最大采高一般≤2.5m；中硬煤层时，支架最大采高一般≤3.5m；硬煤层时，支架最大采高<5m。
6 地质构造
断层十分发育，煤层变化过大，顶板的允许暴露面积在5～8㎡以下时，时间在20min以上时，暂不宜使用综采。
7 设备成本
综合各条件，宜选用支撑掩护式支架的架型，即本毕业设计所选择架型为支撑掩护式支架。
4

2
2.2立柱、千斤顶的选择和布置
1 立柱数
目前国内支撑式支架立柱为2~6，常用为4；掩护式支架为2柱；支撑掩护式为4柱式。本课题研究的超前支护液压支架为支撑掩护式，故立柱数目取为4。
2 支撑方式
本课题设计为支撑掩护式支架，根据结构要求呈倾斜或垂直布置，这里选择垂直布置方式。
3 立柱设计
液压支架上的立柱和千斤顶实际上是一种液压缸。它有如图五所示的几种类型：
a
b
c
d

e
f

图2-7 立柱及千斤顶类型

a/b/c单伸缩式；d/c/e双伸缩式；a/d—单作用活塞式；b—单作用柱塞式；c/e/f—双作用活塞式
方案选择：单作用立柱属于液压伸柱、自由降柱的的工作方式，应用较少。液压支架上广泛采用的是双作用活塞式支柱，即靠液压力实现升柱、强迫降柱，借此提高立柱工作的可靠性，并为支架的遥控及自动控制提供了可能性。在伸缩方式上，过去大多数支架采用单伸缩支柱。当前，为了扩大支架的调高范围，适应煤层厚度的变化，双伸缩立柱已在广泛运用，并正发展大采高的三伸缩立柱。
综合所述：本课题超前支护液压支架的立柱采用双作用活塞式支柱，满足工作要求。
2.2.3 底座的选型设计
方案一、坐箱式
用钢板焊接成的箱式结构，特点为高度和宽度较大，稳定性好，强度高，不易变形，与底板接触面积大，比压小。按结构不同，又分为整体式和分体式。
方案二、橇板式
这种底座的高度低，占用空间小，一般皆为钢板焊接或铸钢的整体结构，多用于掩护式支架。
方案三、底靴式
这种底座的特点是每根立柱均支撑在一个底靴上。立柱与底靴之间用弹簧钢板连接。其结构轻巧，动作灵活，对底板不平的适应性强，但刚性差，与底板接触面积小，稳定性差，多用于节式支架和提腿式支架上。
综合所述，巷道超前支护液压支架必须结构轻巧，动作灵活，对底板不平的适应性强,所以底座选择坐箱式。

2.2.4液压支架的结构设计
2.2.4.1 确定液压支架结构参数的原则与内容
1确定支架结构参数的原则
① 要满足配套设备的相关要求:
② 与支架的工作方式(即时支护或滞后支护)相适应;
③ 结构紧凑，行人操作方便;
④ 支架的工作稳定性好。
2确定支架结构参数的内容
① 确定正常工作条件下，支架与相应设备的位置关系;
② 确定支架总体与主要部件的布置与尺寸。
2.2.4.2 液压支架整体结构尺寸设计
1 液支架的高度及其伸缩比的确定
一般应首先确定支架适用煤层的平均采高，然后确定支架高度。
对于大采高支架，按下式确定支架高度，即
mm
mm
—支架最大高度(mm)；
—支架最小高度(mm)；
—最大采高(mm)；
＝
=
式中 — 煤层平均厚度；
、—煤层厚度上、下波动系数，一般取＝1．1～1．3，＝0．8～0．90。
对于中厚煤层支架，按下式确定支架高度，即：
mm
mm
对于薄煤层支架，则按下式确定支架高度，即
mm
mm
支架的最大高度与最小高度之差为支架的调高范围。调高范围越大，支架适用范围越广调高范围给支架结构设计造成困难，可靠性降低。
综合以上分析我们在设计过程中取＝4000mm，=2000mm 。
支架的伸缩比指其最大与最小高度之比即：
m=/
由于液压支架的使用寿命较厂，并可能被安装在不同采高的采煤工作面，所以，支架应具有较大的伸缩比。在采用双伸缩立柱时，垛式支架的伸缩比为1.9；支撑式支架为2.5；掩护式支架可达3，一般范围是1.5至2.5，煤层较薄时选大值。
m=/=4000/2000=2
符合支撑掩护式支架的伸缩比范围。
2 中心距和宽度的确定
支架中心距一般等于工作面一节溜槽长度。目前国内外液压支架中心距大部分采用1．5m。大采高支架为促高稳定性中心距可采用1．75m，轻型支架为适应中小煤矿工作面快速搬家的要求，中心距可采用1.25ｍ。
支架宽度是指顶梁的最小和最大宽度。宽度的确定应考虑支架的运输安装和调高要求。支架顶梁一般装有活动侧护板一般行程170～200mm。当支架中心距为1.5ｍ时，最小宽度一般1400～1430