null第五章 回采工作面顶板控制及支护
第五章 回采工作面顶板控制及支护方法§1 回采工作面顶板岩层分类§1 回采工作面顶板岩层分类一、对直接顶的
完整性取决两大因素:
1. 岩层本身性质;
2. 直接顶层理和裂隙发育情况。
我国将直接顶分三种:
1.破 碎 顶 板: 页岩、泥质页岩、再生顶板;
2.中等稳定顶板: 砂页岩、粉砂岩,随回柱垮落,对工作面影响不大;
3.完 整 顶 板: 砂岩、坚硬砂页岩,常悬而不冒需人工处理。null 图 5—2 直接顶各类裂隙图null采煤方向与裂隙的选择关系null 通过大量研究,采用直接顶初次垮落步距L0作为分类
指标(定量指标)。
L0≥16~20m 顶板为稳定顶板;
L0≤8m为不稳定顶板;
L0 =9~15m间,中等稳定顶板;null 另一分类方法:直接顶端面破碎度(易冒落灵敏度 E )
E=0~10% 一类;
E=11~13% 二类;
E >30% 三类;
图5—4 顶板端面破碎度的计算示意图二、对老顶分析二、对老顶分析 我国对老顶分类基本上只用一个指标:
Ⅰ.Km>5 无周期来压或周期来压不明显顶板
Ⅱ.2
方案三、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
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题。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。