采场顶板支护方法Word文档下载推荐.docx
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5,这时基本顶的失稳对工作面支架有较为严重的影响,称为有周期来压的顶板。
Ⅲ.N<
2,甚至没有直接顶。
这时,基本顶的悬露与垮落都将对工作面支架有严重的影响。
称为周期来压严重的顶扳。
Ⅳ.基本顶特别坚硬,又无直接顶。
这时顶板常在采空区内悬露上万平方米而不垮落。
当其垮落时,则形成暴风,顶板往往沿工作面切落,造成事故。
这类顶板称为极坚硬顶板。
由于大面积坚硬顶板难以处理,长时期来,仍然只能使用煤柱支撑法来管理这类顶板,即每采一定距离后,采空区内留一段煤柱,以防止顶板冒落。
显然,这种方法将造成很大的煤损,且不利于使用综合机械化采煤。
但通过多年研究和实践,采用爆破放落部分顶板,或用注入高压水使顶板软化等办法处理顶板,已可基本控制大面积顶板垮落对工作面造成的严重威胁。
这些将在第十章加以进一步叙述。
Ⅴ.能塑性弯曲的顶板。
赋存在煤层之上的顶板,随着工作面的推进能缓慢下沉,而后逐渐与煤层底板相接触。
这种情况的形成,显然与顶板岩层的性质,采高及岩层厚度有关。
一般只可能在薄煤层或厚度不大的中厚煤层的石灰岩顶板中才出现。
三、顶板分类方案及其指标
表5-1直接顶分类指标及参考要素
类别
1类
不稳定顶板
2类
中等稳定顶板
3类
稳定顶板
4类
非常稳定顶板
1a
1b
2a
2b
基本指标
τr≤4
4<
τr≤8
8<
τr≤12
12<
τr≤18
18<
τr≤28
28<
τr≤50
岩性和结构特征
泥岩、泥页岩、节理裂隙发育或松软
泥岩、碳质泥岩、节理裂隙较发育
致密泥岩、粉砂岩、砂质泥岩、节理裂隙不发育
砂岩、石灰岩、节理裂隙很少
致密砂岩、石灰岩、节理裂隙极少
主要力学参数参考区间
综合弱化常量
CZ=0.163±
0.064
CZ=0.273±
0.09
CZ=0.30±
0.12
CZC=0.43±
0.157
CZC=0.48±
0.11
单向抗压强度
RC=27.94±
10.75
RC=36±
25.75
RC=46.3±
20
RC=65.3±
33.7
RC=89.4±
32.6
分层厚度
h0=0.26±
0.125
h0=0.285±
0.13
h0=0.51±
0.355
h0=0.675±
0.34
h0=0.72±
等效抗弯能力
RCh0<
7.52
RCh0=2.9~11.4
RCh0=7.8~29.1
RCh0=33~104
RCh0=45.5~139.4
注:
参考指标中,CZ、RC、h0均为该类顶板各煤层相应参数的平均值加减均方差。
表5-2基本顶分级指标
基本顶分级
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
基本顶来压显现
不明显
明显
强烈
非常强烈
Ⅳa
Ⅳb
分级指标
≤895
895<
≤975
975<
≤1075
1075<
≤1145
>
1145
四、底板特征
底板岩层在矿山压力控制中涉及两类问题:
其一是煤层开采后引起的底板破坏,其范围将与开采范围及采空区周围的支承压力分布有关,由于底板的破坏可能导致地下水分布的变化,如我国华北地区许多煤层的底板为奥陶纪石灰岩,富含水性,煤层开采后底板的变形破坏可能引起突水等事故,因此必须研究开采后的底板破坏规律;
另一方面从采场支护系统而言,支护系统的刚度是由“底板—支架—顶板”所组成,因此底板岩层的刚度将直接影响到支护性能的发挥,由于单体支柱的底面积仅100cm2,在底板比较松软的情况下,支柱很容易插入底板,从而影响对顶板的控制。
图5-2工作面实测支柱载荷与支柱穿底量关系
此处应指出,底鞋不宜采用木材,因为木材的横向抗压强度甚小,只有3MPa左右,与软底板情况相近,因此抗插入能力差,效果不明显。
根据我国煤矿开采工作面底板对支柱的影响将底板进行了分类,如表5-3所示。
可根据此表选择支柱应具有的底面积。
表5-3我国缓倾斜煤层工作面底板分类方案
底板类别
辅助指标
参考指标
一般岩性
名称
代号
容许比压qc/MPa
容许刚度Kc/MPa•mm-1
容许穿透度βc/mm-1
容许单轴抗压强度Rc/MPa
极软
<
3.0
0.035
0.20
7.22
充填砂、泥岩、软煤
松软
3.0~6.0
0.035~0.32
0.20~0.40
7.22~10.80
泥页岩、煤
较软
Ⅲa
6.0~9.7
0.32~0.67
0.40~0.65
10.80~15.21
中硬煤、薄层状页岩
Ⅲb
9.7~16.1
0.67~1.27
0.65~1.08
15.21~22.84
硬煤、致密页岩
中硬
16.1~32
1.27~2.76
1.08~2.16
22.84~41.79
致密页岩、砂质泥岩
坚硬
Ⅴ
>
32
2.76
2.16
41.79
厚层砂质页岩、粉砂岩、砂岩
第二节采场支架类型与支架力学特性
一、概述
回采工作面支架主要是由梁与柱组合而成的。
根据支柱和顶梁的配合关系,可将回采工作面支架分为两大类,即单体支架和液压支架。
由金属支柱和金属铰接顶梁组合而成的工作面支架称为单体支架,根据金属支柱的特性,又可将其分为摩擦式金属支架和单体液压支架,前者使用的支柱为摩擦式金属支柱,后者则为液压支柱。
液压支架是由支柱、底座与顶梁联合为一个整体的结构。
它以液压为动力,不仅能实现支设与回撤的自动化,而且使移溜等一系列工序也同时实现了机械化,充分减轻了繁重的体力劳动。
P’0—初撑力。
支架支设时,将活柱升起,托住顶梁,利用升柱工具和锁紧装置使支柱对顶板产生一个主动力。
这个最初形成的主动力称为支柱的初撑力。
对于液压支柱,即是泵压所形成的支柱对顶板的撑力。
P0—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称为始动阻力。
这种力是顶板压缩支柱形成的。
因此称为支柱的阻力。
P1—初工作阻力。
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。
P2—最大工作阻力。
支柱所能承受的最大负载能力,又称额定工作阻力。
目前所使用支柱的工作特性有以下几种,如图5-12所示。
图5-3支柱的几种典型特性曲线(P-ΔS曲线)
(a)—急增阻式;
(b)—微增阻式;
(c)—恒阻式;
P’0—初撑力;
P0—始动阻力;
P1—初工作阻力;
P2—额定工作阻力或最大工作阻力。
急增阻式——支柱开始支设时,有一个极小的人为的初撑力P’0,当支柱在顶板压力作用下,活柱开始下缩时便形成了始动阻力P0,而后随着活柱下缩,工作阻力呈直线型急剧增加。
这种支柱可缩量较小。
其特性曲线见图5-3(a)。
微增阻声——同急增阻式一样,只具备有较小的初撑力与始动阻力。
但它随着活柱的下缩,工作阻力先有一个急剧增长过程。
当达到初工作阻力P1后,随着支柱的继续下缩,工作阻力的增长变得极为缓慢,一直到支柱的最大可缩量,也即是支柱的最大工作阻力时为止。
此类支柱具有较大的可缩量,其特性曲线见图5-3(b)。
恒阻式——当支柱安设后,随着活柱下缩,很快达到额定工作阻力,以后尽管活柱继续下缩,支柱的工作阻力保持不变,特性曲线见图5-3(c)。
从支柱工作阻力适应顶板压力的特点进行分析,显然,恒阻性能的支柱较为有利,急增式性能比较差。
但恒阻式支柱的结构比较复杂,成本较高。
急增阻式的结构简单,成本较低。
二、液压支柱的结构及特性
液压支柱单独与顶梁配合支护顶板,称为单体液压支架。
它也可以与顶梁、底座以及移架千斤顶等组合而成为液压自移支架。
液压支柱是典型的恒阻性能支柱。
按其注油方式可分为内注油式与外注油式两种。
内注式液压支柱使用的工作介质是机油,它是通过摇动手把,操纵支柱内的手摇泵,把油从低压腔压入高压腔。
支撑过程中通过安全阀来保证支柱对顶板具有一个恒定的工作阻力。
回收时,打开卸载阀使高压腔内的油回到低压腔,活柱在自重作用下自动回缩。
图5-4为内注式液压支柱的简单结构图。
升柱时,操纵液压泵,无压油自活柱腔内通过吸油孔进入泵体。
再经活塞加压,自单向球阀压至柱体内。
这样使活柱上升。
当支柱超过额定工作阻力时,工作液由通道进入安全阀,使安全阀打开,保持工作阻力恒定。
支柱卸载时,则操纵手把,打开卸载阀,工作液从柱体腔内经过中心通道,经卸载阀流入活柱上腔。
图5-4内注液式支柱结构示意图
1—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5-5为外注液式液压支柱基本结构图。
支设时,靠外部泵站经管路系统通过注液枪向支柱供液。
工作介质是含有1~2%乳化油的乳化液。
回收时打开卸载阀,把工作介质排到支柱外部,活柱靠自重和弹簧力回缩。
单向阀、安全阀和卸载阀共同组成一个三用阀,它是一个关键的部件,它的性能优劣直接影响着支柱的工作特性。
在工作面每隔10~15m需配备一把注液枪和一卸载手把。
外注式和内注式液压支柱在使用上各有其特点:
1)外注式液压支柱需要配备液压泵和管路系统,因而在使用上不如内注式灵活,但柱体内不需手摇泵,因此结构简单,重量轻,成本低;
2)外注式液压支柱,每使用一次需要消耗一定的乳化液;
3)外注式液压支柱支设速度由液压泵的流量决定。
一般来说,泵的流量比内注式液压支柱的手摇泵要大的多,所以支设速度比较快。
因此,在一些薄煤层或人行比较困难的工作面,来回拉注液枪有困难时,宜使用内注式液压支柱。
在缓倾斜和倾斜中厚煤层工作面中,则更宜使用外注式液压支柱。
图5-5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
液压自移支架内使用的液压支柱属于外注式,其工作原理如图5-6。
图5-6液压支架支柱工作原理
I—升柱状态,Ⅱ—工作状态,Ⅲ—卸载状态
1—活柱;
2—柱体;
3、9、10—管路;
4—安全阀;
5—单向阀;
6—主回油管略;
7—主进油管路;
8—操纵阀
升柱时操纵阀处于Ⅰ的工作状态。
工作液由泵站进入主油管