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