第五章 回采工作面顶板控制及支护方法

三、我国近期对缓斜工作面试用的顶板分类方案§2 采场支架§2 采场支架一、单体支柱 支护方式： 木支护： 金属支护：单体液压支柱 摩擦式 综采支架 U型钢支护 梯形支护 1．支柱工作特性1．支柱工作特性（1）几个概念： 初撑力 ：支架架设时，利用升柱工具使支柱对顶板产生的主动支撑力。 始动阻力 ：在顶板压力作用下，活柱开始下缩的瞬间，支柱上所反映出来的力。这种力是顶板压缩支柱而形成的。 初工作阻力P1：指在支架的性能曲线中，活柱下缩时，工作阻力的增长率由急剧增长转为缓慢增长的转折点处的工作阻力。 最大工作阻力P2：支柱所能承受的最大负载能力，又称为额定工作阻力。null（2）分类 急增阻式a；微增阻式b；恒增阻式c。 图5—1 支柱的几种典型特性曲线(P—△s曲线) a－急增阻；b－微增阻式；c－恒阻式；2．支柱类型2．支柱类型（1）木支柱 （2）单体摩擦式金属支柱 该支架由金属支柱+金属铰接顶梁而成为急增阻式或微增阻式。 急增阻特性曲线斜率与活柱斜度有关，活柱斜度越大，增阻越快，斜度为1:100。（应用极少） 微增阻是由两个摩擦面上的摩擦力形成（广泛应用） nullnull图5－8 HZJA型支柱结构图 1－柱体；2－活柱；3－顶盖；4－锁箍；5－垂直楔；6－传动楔；7－水平楔；8－档底；9－摩擦板；10－底座；11－铰接顶盖图5—9 HZJA-1000型支柱特性曲线null 图5—10 HZWA型金属支往及其锁体 1－底座；2－柱筒；3－活柱；4－铰接顶盖；5－锁体；6－滑块；7－楔块；8－水平楔；9－弹簧；10－特别垫圈；11－托梁；12－螺母；13－调整螺杆；14－螺钉；15－垫圈；l6－挡块；17、18－左右摩擦板；19－卡块；20－卡箍图5—11 HZWA型支柱特性曲线null图5—12 摩擦式金属支柱受力示意图工作原理：(分两个阶段) 工作原理：(分两个阶段) 1. 达初始工作阻力250KN以前 （1）自动锁紧动作前 段， =20－30KN； （2）自动锁紧过程 段； = 50－80 kN =250 kN±30 2. 活柱下缩阶段，即 段； （3）工作阻力上升，活柱压缩过程； =350 kN±（3）液压支柱（3）液压支柱单体液压支柱与摩擦式相比优点： Ⅰ．初撑力大：70~100KN； Ⅱ．工作阻力大且稳定，一般在300KN左右； Ⅲ．回柱安全可靠 缺点：初期投资大；但更能适应采高和倾角变化大的煤层，且价格低廉。null分类： Ⅰ：内注油式：使用工作介质是机油，通过摇动手把，操纵支柱内手摇泵，把油从低压腔压入高压腔，通过安全阀保持额定工作阻力，手摇泵最大油压可达7－10Ｔ。 Ⅱ：外注油式:靠外部供油，油压取决于外部油泵压力大小。 工作原理： 　 　⑴ 升柱—初撑； 　　 　⑵ 承载—溢流； 　　 　⑶ 降柱—卸载；null图5-8 内注液式支柱结构示意图 l—柱体;2—活柱;3—活塞头;4－泵;5—安全阀与卸载阀;6—上顶盖;7－下柱座;8—支柱底腔;9－通道图5—9 外注式单体液压支柱 1—顶盖;2－三用阀;3—活柱体;4—油缸;5—复位弹簧;6—活塞;7—底座;8－卸载手把; 9－注液枪;10—泵站供液;11—注液时操纵手把方向;12－卸载时动作方向null③ 外、内注式特点： 1）外注式需管路系统，柱体内不需手摇泵，结构简单，重量轻，成本低，内注式灵活； 2）外注式要消耗乳化液； 3）外注式支设速度由液压泵流量决定。流量大，支设快。 ④ 适用条件： 薄煤层，工作面行人困难，来回拉枪困难→内注 缓及倾斜中厚煤层工作面中 → 外注二、液压支架二、液压支架 按照支架与围岩相互关系及其立柱布置方式分三类： 支撑式支架 掩护式支架 支撑掩护式null支撑式支架： 立柱通过顶梁直接支撑顶板，对冒落矸石没有完善的掩护构件的液压支架。即：节式和垛式； 组成：顶梁，立柱，控制阀，推移装置，底座； nullnullnull掩护式支架： 只有一排立柱，直接或间接地通过顶梁向顶板传递支撑力。用掩护梁、连杆等起稳定作用并有较完善的掩护挡矸装置的液压支架。 由顶梁、推移装置、底座、立柱、掩护梁和连杆组成。nullnull支撑掩护式: 指具有两排或两排以上立柱，直接或间接地通过顶梁向顶板传递支撑力，用掩护梁、连杆等起稳定作用并有较完善的掩护挡矸装置的液压支架。 由护梁装置、前梁、顶梁、立柱、掩护梁、连杆、底座、推移装置等组成。nullnull（1）液压支架工作原理 两步，五个阶段； 第一步：支撑承载； 第二步：自动推移； 五个阶段： 初撑 增阻承载 恒阻承载 移架 推溜null （2）液压支架支护方式 综采面割煤、移架、推移输送机三个主要工序配合方式： 及时支护方式：割煤移架推溜（顶板破碎易冒落） 滞后支护方式：割煤推溜移架（稳定、完整顶板条件） §3 回采工作面支架与围岩关系及 基本参数确定 §3 回采工作面支架与围岩关系及 基本参数确定一、回采工作面支架与围岩关系特点 1．支架与围岩是相互作用一对力，应互相适应，大小相等，且尽可能作用在一条直线上。 2．支架受力大小及其在回采面分布规律与支架性能有关。 3．支架结构及尺寸对顶板压力有很大影响。如果支架架型选择合适可能以很小支撑力达到很好效果。二、支架规格选定二、支架规格选定支柱最大高度决定于工作面最大采高和顶梁厚度： 支柱最小高度决定于工作面最小采高与顶梁厚度、最大下沉量、卸载高度：三、工作面支架合理工作阻力三、工作面支架合理工作阻力 由图 5-26 p－t 曲线知支架所受载荷特性可用这样几个指数加以说明： 初撑力大小； 工作阻力大小； 时间加权平均工作阻力（pt）：nullnull 多年来，国内一直流行着采用现场测定法来确定额定工作阻力，如下： 式中： PH －额定工作阻力；kN －实测支护阻力均方差；kN §4 单体支柱支护方法分析§4 单体支柱支护方法分析图5—29 单体支柱顶梁载荷分布一、带帽点柱支护一、带帽点柱支护图5－32 带帽点柱的布置方式 a一矩形排列；b－三角形排列二、棚子支护二、棚子支护null图5—33 连锁式及对接式走向棚 a－连锁上行式；b－连锁下行式； c－连锁混合式；d一对接式 图5—34 倾斜棚三、机组工作面单体支架布置三、机组工作面单体支架布置（一）悬梁与支柱关系 图5—35 机组工作面的悬臂支护 a－正悬臂；b－倒悬臂（二）支架布置方式（二）支架布置方式图5－36 齐梁式支护图5－37 错梁直线柱式支架布置 1－临时支柱；2－正式柱四、特种支架四、特种支架（1）沿切顶线架设丛柱或排柱。 （2）木垛。 （3）斜撑支架：一梁三柱，采空区侧。 （4）抬棚。null图5－38 工作面一般特种支架形式（5）液压切顶支柱（5）液压切顶支柱图5—39 WZ型切顶支柱§5 支撑式支架支护方法分析§5 支撑式支架支护方法分析分两种情况讨论其适用性： 一、直接顶完整null 分析各种顶板压力时支架工作阻力反应，先只考虑只有 作用，无 作用的情况。 显然， 当 ，则支架将失稳，从而形成附加力Q3设计支架时，应免除这种情况。 假设Q1与Q2′的合力正好处于前后柱之间，则 ，由此，支架前后柱所受的力为： 1．以后柱为支撑点： 2．以前柱为支撑点： null 因此，前后柱受力比为β： 由此，分析以下三种情况： （1）令 ，即P1=0，此时压力集中于后柱，条件为 ，这种情况具有悬顶距大，破断角小，顶板较坚硬才会发生。 null（2）令 ，即P2 = P1， 前后柱受力相等： （3）令 ，即P1 > P2， 前柱受力大于后柱，此时：二、直接顶比较破碎二、直接顶比较破碎 ① 主要表现形式之一是：切顶线前移。 ② 表现形式之二是：控顶区上部冒空。 对煤壁上方顶板完整性破坏采取措施有： 1．缩短空顶距 2．提高前梁工作阻力 3．带压前移 4．遇有漏空现象及时勾顶 5．改善或交换支架结构与架型 6．超前煤壁直接顶破碎，应注速凝剂，或安设锚杆，加固，恢复其完整性三、支撑式支架使用条件三、支撑式支架使用条件 1．直接顶较完整，周期来压剧烈更宜。 2．特别坚硬顶板，支柱受不了强大水平推力。 3．破碎顶板及时勾顶。 评价：1．通风断面大，行人方便。 2．结构简单，应用于瓦斯矿井较好。§6 掩护式液压支架支护分析§6 掩护式液压支架支护分析优点： （1）缩短了控顶距，提高对机道上方顶板支撑力。 （2）在顶板局部冒顶情况下，可考虑不勾顶。 （3）移架时，其结构在一定程度上允许承载前移。 （4）挡矸性好，采空区矸石不可涌入回采空间。 缺点： 支架工作空间小，通风断面小，行人不便。一、单铰式支架受力分析一、单铰式支架受力分析 null为简便，先不考虑fQ对支架受力(支撑力)影响，则： 此时Q的大小取决于以下因素： （1）支柱工作阻力P值大，则Q也大； （2） 的比值，即柱杆比越小，Q越大，为充分发挥P的作用，尽量缩小l1值； （3） 角越大，P值作用发挥越好，故支柱应尽量直立。null 当掩护梁上的载荷W，且作用点离后铰为处，同理可推得： 为了衡量工作阻力对顶板的支撑效果，常以支撑顶板的支撑力Q与支柱工作阻力P的比值表示支撑效率：null但： 当： 此时： 当 W=0 时： 当 =0时：null二、双铰式掩护支架分析 三、掩护式液压支架分析 适应条件： 1. 适于顶板压力来自机道上方； 2. 较破碎顶板； 3. 周期来压不剧烈的工作面，且顶板悬顶不长。 §7 支撑掩护式液压支架支护方法分析 §7 支撑掩护式液压支架支护方法分析 兼有前两者的优点： 1．空间宽阔，通风断面大，行人方便 2．挡矸性能好，获得广泛应用 3．支撑掩护式支架，顶梁较掩护式长，增加了支撑力，加大了掩护梁坡度，改善了支架底座与底板的受力情况。 缺点： 控顶距增大，价格高，支架结构复杂，端面顶板破碎是突出问。null 图中a为支架受力总体图示； 图中b为顶梁脱离体。null取掩护梁为脱离体（如C） ∴将上边求得 代入： 利用上式求出Q与P和Z 的关系得：Q=f（P，Z） null可看出，Q力大小与下列因素有关： 1. 立柱与小千斤顶倾斜度α，β； 2. 瞬心位置 ； 3. 掩护梁受力W及位置C； 4. 立柱及千斤顶工作阻力。 null 从顶梁上分析，Q力位置还应满足下式： 如图（b） 由前述已求出Q的表达式，不计fQ和W得出，支柱的工作阻力与小千斤顶的制约关系： null这种支架支撑效率为 ： 可知， 与下列因素有关： （1）立柱倾角 （2）小千斤顶倾斜度 （3）瞬心位置 。 （4）Z与P的比值 等等。§8 液压支架的端面顶板冒落及防治§8 液压支架的端面顶板冒落及防治影响端面顶板稳定性的因素： 1．老顶的活动 2．端面距 3．顶梁的抬头角与低头角 4．初撑力 5．推进速度 6．支架结构，架型液压支架发展方向：液压支架发展方向：（1）结构形式正朝简单实用发展，如对顶板适应性强，密封性好的支撑式支架。 （2）支护强度和工作阻力不断加大， （3）额定宽度增加（两支架中心距） （4）结构设计更加合理，选用高强度钢材，重量轻。 （5）供液系统向高压、大流量发展 （6）控制系统大型化 （7）设计科学化 §9 综合机械化采煤工作面顶板控制设计§9 综合机械化采煤工作面顶板控制设计液压支架的选型顺序 液压支架参数 1．液压支架的工作阻力 （1）载荷估算法 支架合理工作阻力P应能承受控顶区内及悬顶部分的全部直接顶岩重Q1，和老顶来压时的附加载荷Q2：支架受力图支架受力图null 由第四章知，工作面合理支护强度： 实测Q2与老顶初次来压步距L0有线性关系，所以：null（2）实测统计法 在支架初撑时的阻力低于支架一围岩平衡必需的阻力时，以下计算结果较正确，对于高初撑支架，结果可能偏高。 用支架的时间加权平均工作阻力计算： nullnull（3）理论分析法 上覆岩层断裂时的受力情况2．初撑力2．初撑力 提高初撑力要使用高压乳化夜泵、高压软管，及适应的液化系统和阀件。 初撑力的适当提高，并不会增加支柱的开启率，因为高初撑力可减少支架的增阻值，从而减少顶板下沉量及安全阀开启率。null §10 单体液压支柱工作面顶板控制原则 §10 单体液压支柱工作面顶板控制原则 一、顶板控制的原则二、工作面支护强度的理论分析二、工作面支护强度的理论分析 支护强度：支架对单位面积顶板提供的工作阻力。 1．初撑力 现阶段应尽可能设法提高支柱的实际初撑力。一般条件下，支护设计中的支柱初撑力不应低于其额定初撑力的70％一80％。null2．支护密度 式中：Pr－合理支护强度，kPa； RT－支柱实际支撑能力，kN/柱 a，b－排、柱距 （1）合理支护强度的确定（Pr） 式中：fz－垮落顶板悬顶系数null ,无悬顶时，fz＝1 支架控制老顶(裂隙带)所需合理支护强度主要考虑支架处在“给定变形”状态下工作所需的合理支护强度： 式中： hE－老顶岩层的厚度； L－老顶岩梁断裂步距nullnull （2）支柱有效支撑能力确定（RT） 指把顶板控制在要求的“位态”(以最大控顶距处的顶板下沉量表示)时，所有支柱所能达到的工作阻力平均值。 3．支护系统刚度 指单位顶底板移近量所对应的支柱工作阻力增量，（kN/mm）。 三、单体支柱工作面支护强度的实测统计三、单体支柱工作面支护强度的实测统计1．单体支柱的支护强度pH下限计算 null2．单体支柱的支柱密度选择 （1）按直接顶稳定性确定支柱密度 null（2）按必需的支护强度验算支柱密度 式中 Q —单体支柱工作阻力，kN/柱； p —支护强度，kPa； Ns —支柱密度，根/m2。 验算支柱密度，按下式计算： 实测井下单体支柱实际工作阻力与额定初撑力相近，可用Q代替Q0，必须的初撑力支护强度p按p0计算： 验算支柱密度： 习题习题1．回采工作面支柱的特性有几种？试比较其优缺点。 2．在工作面架设支架时，怎样才能做到充分发挥支柱的工作特性？ 3．试解释“支撑力－顶板下沉量”（P—△L）曲线的实质。 4．已知某缓倾斜煤层工作面最大采高为2m，最小为1.6m，最大控顶距为4m，顶板为中等稳定，无插入底板现象，采煤机截深为0.6m，试选择单体支架的规格，并核算一下能否采用BZZC四柱垛式支架（注：BZZC的支柱最高1950mm，最低为1205mm，顶梁厚65mm）。 null5．从支撑式支架的结构特点，试分析其适用条件。 6．试述支撑式支架在管理破碎顶板中主要存在的问题，以及各种护顶方法的优缺点。 7．试解释为什么支撑式支架后柱受力可能小于前柱，而单体支柱在一般情况下，总是后排柱大于前排柱？ 8．试从掩护式液压支架的结构特征及受力分析，简述其适用条件。 9．试从支撑掩护式液压支架的结构特征及受力分析，简述其适用条件。