第四章_頂板分類與液壓支架的選擇

1、第四章第四章 頂板分類與液壓支架的選擇頂板分類與液壓支架的選擇第一節(jié)第一節(jié) 回采工作面頂板組成及其分類回采工作面頂板組成及其分類 一、頂板組成一、頂板組成 采場圍巖包括煤層上方的直接頂、基本頂和煤層下方采場圍巖包括煤層上方的直接頂、基本頂和煤層下方的直接底板。的直接底板。 采場圍巖的機械性質和運動特征對工作面支護設備選型采場圍巖的機械性質和運動特征對工作面支護設備選型和支護參數選擇至關重要。和支護參數選擇至關重要。 煤層采動后，因頂板出現變形、斷裂和垮落，煤體被壓煤層采動后，因頂板出現變形、斷裂和垮落，煤體被壓松和發(fā)生片幫，支護設備的載荷增大和底板鼓起等原因引松和發(fā)生片幫，支護設備的載荷增大和

2、底板鼓起等原因引起的礦山壓力顯現。起的礦山壓力顯現。 1-煤層煤層2-直接頂直接頂3-基本頂基本頂-冒落帶冒落帶-裂隙帶裂隙帶-彎曲下沉帶彎曲下沉帶1-煤層煤層2-直接頂直接頂3-基本頂基本頂 從開切眼向前推進，直接頂懸露面積逐漸增大，下沉和從開切眼向前推進，直接頂懸露面積逐漸增大，下沉和變形隨之增大。當推進到初次垮落步距變形隨之增大。當推進到初次垮落步距(從開切眼到工作從開切眼到工作面初次切頂線的距離面初次切頂線的距離)時，直接頂冒落，形成冒落帶時，直接頂冒落，形成冒落帶。 直接頂冒落，基本頂懸露。隨工作面推進，基本頂在礦直接頂冒落，基本頂懸露。隨工作面推進，基本頂在礦壓作用下不斷產生裂隙和

3、變形，形成裂隙帶壓作用下不斷產生裂隙和變形，形成裂隙帶。當達到極。當達到極限垮落步距時發(fā)生斷裂和垮落限垮落步距時發(fā)生斷裂和垮落基本頂初次來壓?；卷敵醮蝸韷?。 隨工作面推進，基本頂周期垮落。在彎曲下沉帶隨工作面推進，基本頂周期垮落。在彎曲下沉帶，裂，裂隙少，僅巖層間有離層現象，對支護設備載荷影響不大。隙少，僅巖層間有離層現象，對支護設備載荷影響不大。 二、頂底板穩(wěn)定性特征及分類二、頂底板穩(wěn)定性特征及分類 1直接頂穩(wěn)定性劃分直接頂穩(wěn)定性劃分 直接頂是工作面支架首要的支護對象。對直接頂的穩(wěn)定直接頂是工作面支架首要的支護對象。對直接頂的穩(wěn)定性評價，是支架結構和支護參數選擇的首要依據。性評價，是支架結

4、構和支護參數選擇的首要依據。 影響頂板穩(wěn)定性的主要因素：影響頂板穩(wěn)定性的主要因素： (1)組成頂板巖石的堅硬程度和脆性特征。用單軸抗壓組成頂板巖石的堅硬程度和脆性特征。用單軸抗壓強度表征其堅硬程度，抗拉強度反映其脆性特征。強度表征其堅硬程度，抗拉強度反映其脆性特征。 (2)頂板巖層分層厚度和分層強度沿厚度的分布。涉及頂板巖層分層厚度和分層強度沿厚度的分布。涉及剛度較大的巖層剛度較大的巖層(承載層承載層)和剛度較小的巖層和剛度較小的巖層(隨動層隨動層)的厚的厚度及相對關系。度及相對關系。 (3)頂板巖體的完整程度。以節(jié)理弱面的發(fā)育程度來表頂板巖體的完整程度。以節(jié)理弱面的發(fā)育程度來表征，包括分層厚

5、度和節(jié)理特征征，包括分層厚度和節(jié)理特征(密度、方向、組數密度、方向、組數)。 3個指標是反映直接頂穩(wěn)定性的基本要素。從巖層控制個指標是反映直接頂穩(wěn)定性的基本要素。從巖層控制需要出發(fā)，對直接頂的穩(wěn)定性進行實用性分類。需要出發(fā)，對直接頂的穩(wěn)定性進行實用性分類。 2基本頂礦壓顯現分級基本頂礦壓顯現分級 基本頂基本頂(原稱老頂原稱老頂)指位于煤層直接頂之上，抗彎剛度較指位于煤層直接頂之上，抗彎剛度較大，較難跨落的巖層或巖層組合，其運動特征對于綜采工大，較難跨落的巖層或巖層組合，其運動特征對于綜采工作面支架設計和選型意義重大。作面支架設計和選型意義重大。 基本頂斷裂對工作面壓力顯現的影響程度取決于：基本

6、頂斷裂對工作面壓力顯現的影響程度取決于： (1)基本頂初次或周期來壓步距基本頂初次或周期來壓步距基本頂厚度、抗拉或抗基本頂厚度、抗拉或抗壓強度及被裂隙弱化程度的綜合反映。壓強度及被裂隙弱化程度的綜合反映。 (2)直接頂垮落后的充填程度，用直接頂厚度與采高的直接頂垮落后的充填程度，用直接頂厚度與采高的比值表示。比值表示。 (3)采高，在直接頂厚度一定情況下，采高愈大，礦壓采高，在直接頂厚度一定情況下，采高愈大，礦壓顯現愈強烈顯現愈強烈 。 長壁工作面的開采邊界條件，如周圍未采、一側采空、長壁工作面的開采邊界條件，如周圍未采、一側采空、兩側采空等因素對圍巖應力及基本頂斷裂步距有一定的影兩側采空等因

7、素對圍巖應力及基本頂斷裂步距有一定的影響，特別是當基本頂初次來壓步距超過工作面長度響，特別是當基本頂初次來壓步距超過工作面長度1/2時，時，影響顯著影響顯著進行基本頂進行基本頂初次來壓步距等效值初次來壓步距等效值計算。計算。 3采煤工作面底板分類采煤工作面底板分類 對綜采工作面圍巖控制有重要影響的是直接底板對支架對綜采工作面圍巖控制有重要影響的是直接底板對支架的抗壓入特性。的抗壓入特性。 底板抗壓入特性分脆性、塑脆性和塑性類型。底板抗壓入特性分脆性、塑脆性和塑性類型。 每種類型分增阻型和降阻型兩類，共同特點是在支架未每種類型分增阻型和降阻型兩類，共同特點是在支架未壓入底板前，底板具有線彈性特征

8、，具有不同的抗壓縮剛壓入底板前，底板具有線彈性特征，具有不同的抗壓縮剛度；支架或支柱壓入底板后抗壓縮剛度顯著降低，頂板下度；支架或支柱壓入底板后抗壓縮剛度顯著降低，頂板下沉顯著增大。沉顯著增大。 第二節(jié)第二節(jié) 架型選擇架型選擇 在液壓支架與圍巖力學相互作用研究的基礎上，綜合分在液壓支架與圍巖力學相互作用研究的基礎上，綜合分析不同地質條件下支護阻力確定的理論研究成果并分析不析不同地質條件下支護阻力確定的理論研究成果并分析不同支架的結構力學特征，為支架選型提供依據。同支架的結構力學特征，為支架選型提供依據。液壓支架選型準則液壓支架選型準則液壓支架選型必須考慮的地質和采礦條件：液壓支架選型必須考慮的

9、地質和采礦條件：直接頂穩(wěn)定性類型；直接頂穩(wěn)定性類型；基本頂級別及相應礦壓顯現參數基本頂級別及相應礦壓顯現參數(初次和周期來壓步初次和周期來壓步距，來壓時載荷，直接頂厚度距，來壓時載荷，直接頂厚度)；底板類別及相應的力學參數底板類別及相應的力學參數(容許載荷強度，抗壓縮容許載荷強度，抗壓縮剛度剛度)；截高，煤層強度，節(jié)理方向，煤層厚度變化等；截高，煤層強度，節(jié)理方向，煤層厚度變化等；煤層傾角和工作面推進方向；煤層傾角和工作面推進方向；瓦斯等級和必需的通風斷面等。瓦斯等級和必需的通風斷面等。 選型順序：選型順序： 根據直接頂、基本頂、底板類型初步選定基本架型；根據直接頂、基本頂、底板類型初步選定基

10、本架型； 考慮上述考慮上述諸因素選定具體結構，包括頂梁、底諸因素選定具體結構，包括頂梁、底座、側護結構等；座、側護結構等； 根據地質條件和礦壓顯現參數，計算支架必需的支護根據地質條件和礦壓顯現參數，計算支架必需的支護強度和相應的額定工作阻力。強度和相應的額定工作阻力。 考慮頂底板含水層條件，驗算支架對底板比壓或載荷考慮頂底板含水層條件，驗算支架對底板比壓或載荷強度。強度。 驗算通風斷面、風流、風速等。如果瓦斯涌出量較大，驗算通風斷面、風流、風速等。如果瓦斯涌出量較大，避免用插底式支架。避免用插底式支架。 根據使用經驗，在綜采工作面支架選型時，根據使用經驗，在綜采工作面支架選型時，注意：注意：

11、(1)不穩(wěn)定和中等穩(wěn)定頂板優(yōu)先選用掩護式支架。在底不穩(wěn)定和中等穩(wěn)定頂板優(yōu)先選用掩護式支架。在底板極松軟條件下，嚴格驗算并限制支架底座尖端比壓，不板極松軟條件下，嚴格驗算并限制支架底座尖端比壓，不得超過底板容許比壓即極限載荷強度得超過底板容許比壓即極限載荷強度避免使用重型支架避免使用重型支架 (2)非常穩(wěn)定和穩(wěn)定的難垮落頂板和周期來壓強烈和十非常穩(wěn)定和穩(wěn)定的難垮落頂板和周期來壓強烈和十分強烈的頂板，優(yōu)先考慮選取支撐掩護式支架。分強烈的頂板，優(yōu)先考慮選取支撐掩護式支架。 (3)頂板不平，四柱式支架中總有一根支柱對頂板的實頂板不平，四柱式支架中總有一根支柱對頂板的實際支撐力很低際支撐力很低掩護式支架

12、支撐能力利用率高于四柱式掩護式支架支撐能力利用率高于四柱式(二二柱式支架對頂板的實際支撐力高于同樣名義額定阻力的四柱式支架對頂板的實際支撐力高于同樣名義額定阻力的四柱式支架，特別是對機道上方頂板的支護強度柱式支架，特別是對機道上方頂板的支護強度)。 (4)不穩(wěn)定頂板條件下使用四柱式支架注意對機道上方不穩(wěn)定頂板條件下使用四柱式支架注意對機道上方的頂板控制，包括增加前柱阻力及可伸縮前梁等。的頂板控制，包括增加前柱阻力及可伸縮前梁等。第三節(jié)第三節(jié) 支架參數確定支架參數確定 一、支架高度一、支架高度 首先確定支架適用煤層的平均截高，然后確定支架高首先確定支架適用煤層的平均截高，然后確定支架高度。度。

13、支架最大結構高度支架最大結構高度1maxmaxSMH支架最小結構高度支架最小結構高度 2minminSMH Mmax、Mmin為煤層最大、最小截高，為煤層最大、最小截高，mm； S1考慮偽頂冒落的最大厚度。大采高支架取考慮偽頂冒落的最大厚度。大采高支架取200400 mm，中，中厚煤層支架取厚煤層支架取200300mm，薄煤層支架取，薄煤層支架取100200mm； S2考慮周期來壓時的下沉量、移架時支架的下降量和頂梁上、考慮周期來壓時的下沉量、移架時支架的下降量和頂梁上、底板下的浮矸之和。大采高支架取底板下的浮矸之和。大采高支架取500900mm，中厚煤層支架取，中厚煤層支架取300400mm

14、，薄煤層支架取，薄煤層支架取150250mm。 支架調高范圍：支架調高范圍： 支架的最大結構高度與最小結構高度之差。支架的最大結構高度與最小結構高度之差。 調高范圍越大，支架適用范圍越廣，但過大調高范圍給調高范圍越大，支架適用范圍越廣，但過大調高范圍給支架結構設計造成困難，可靠性降低。支架結構設計造成困難，可靠性降低。 支架最大結構高度和最小結構高度取值應符合規(guī)定。支架最大結構高度和最小結構高度取值應符合規(guī)定。 支架伸縮比：支架伸縮比：支架的最大結構高度與最小結構高度之比。支架的最大結構高度與最小結構高度之比。 minmax/ HHKs 二、支護強度和工作阻力二、支護強度和工作阻力 支護強度：

15、支護強度： 支架有效工作阻力與支護面積之比。支架有效工作阻力與支護面積之比。 頂板所需支護強度取決于頂板等級和煤層厚度。制訂不頂板所需支護強度取決于頂板等級和煤層厚度。制訂不同頂板等級的支護強度標準，支護強度按規(guī)定選用或按經同頂板等級的支護強度標準，支護強度按規(guī)定選用或按經驗公式估算驗公式估算MPa105KMqK作用于支架上的頂板巖石厚度系數，一般取作用于支架上的頂板巖石厚度系數，一般取58；M截高，截高，m； 巖石密度，一般取巖石密度，一般取2.5103kg/m3 支架支撐頂板的有效工作阻力支架支撐頂板的有效工作阻力 kN103 qFQF支架的支護面積，支架的支護面積，m2 2m)(KBCL

16、F L支架頂梁長度，支架頂梁長度，m；C梁端距，梁端距，m；B支架頂梁寬度，支架頂梁寬度，m；K架間距，架間距，m CLBKA支撐效率支撐效率：有效工作阻力與支架工作阻力之比值。有效工作阻力與支架工作阻力之比值。 支撐式支架支撐效率為支撐式支架支撐效率為100%； 掩護式和支撐掩護式支架頂梁與掩護梁鉸接，立柱斜撐，掩護式和支撐掩護式支架頂梁與掩護梁鉸接，立柱斜撐，支撐效率小于支撐效率小于1，初選支架時可取，初選支架時可取80%左右。左右。 三、中心距和寬度三、中心距和寬度 支架中心距支架中心距一般等于工作面一節(jié)溜槽長度。一般等于工作面一節(jié)溜槽長度。 液壓支架中心距大部分采用液壓支架中心距大部分

17、采用1.5m。大采高支架為提高穩(wěn)。大采高支架為提高穩(wěn)定性，中心距可采用定性，中心距可采用1.75m，輕型支架為適應中小煤礦工，輕型支架為適應中小煤礦工作面快速搬家的要求，中心距可采用作面快速搬家的要求，中心距可采用1.25m。 四、初撐力四、初撐力 初撐力大小對支架的支護性能和成本有很大影響。初撐力大小對支架的支護性能和成本有很大影響。 較大初撐力能使支架較快達到工作阻力，減慢頂板的早較大初撐力能使支架較快達到工作阻力，減慢頂板的早期下沉速度，增加頂板的穩(wěn)定性。但對乳化液泵站和液壓期下沉速度，增加頂板的穩(wěn)定性。但對乳化液泵站和液壓元件的耐壓要求提高。元件的耐壓要求提高。 一般取初撐力為一般取初

18、撐力為(0.60.8)倍的工作阻力。倍的工作阻力。 五、移架力和推溜力五、移架力和推溜力 移架力與支架結構、質量、煤層厚度、頂板性質等有關移架力與支架結構、質量、煤層厚度、頂板性質等有關 一般薄煤層支架移架力為一般薄煤層支架移架力為100150kN；中厚煤層支架；中厚煤層支架為為150300kN；厚煤層支架為；厚煤層支架為300400kN。 推溜力一般為推溜力一般為100150kN。 六、梁端距和頂梁長度六、梁端距和頂梁長度 梁端距：梁端距： 移架后頂梁端部至煤壁的距離。移架后頂梁端部至煤壁的距離。 梁端距是由于工作面頂板起伏不平造成輸送機和采煤機梁端距是由于工作面頂板起伏不平造成輸送機和采煤

19、機的傾斜，以及采煤機割煤時垂直分力使搖臂和滾筒向支架的傾斜，以及采煤機割煤時垂直分力使搖臂和滾筒向支架傾斜，為避免割頂梁而留的安全距離。傾斜，為避免割頂梁而留的安全距離。 支架高度越大，梁端距應越大。支架高度越大，梁端距應越大。 即時支護方式即時支護方式，大采高支架梁端距取，大采高支架梁端距取350480mm，中，中厚煤層支架梁端距取厚煤層支架梁端距取280340mm，薄煤層支架梁端距取，薄煤層支架梁端距取200300mm。 頂梁長度受支架型式、配套采煤機截深頂梁長度受支架型式、配套采煤機截深(滾筒寬度滾筒寬度)、刮、刮板輸送機尺寸、配套關系及立柱缸徑、通道要求、底座長板輸送機尺寸、配套關系及

20、立柱缸徑、通道要求、底座長度、支護方式等因素制約。度、支護方式等因素制約。 綜采工作面工序采煤、移架和推溜。工序不同組合，形綜采工作面工序采煤、移架和推溜。工序不同組合，形成成3種支護方式。種支護方式。 1)即時支護方式：即時支護方式： 割煤割煤移架移架推溜，頂板暴露時間短。推溜，頂板暴露時間短。 2)滯后支護方式：滯后支護方式： 割煤割煤推溜推溜移架，頂板暴露時間長。移架，頂板暴露時間長。 3)復合支護方式：復合支護方式： 割煤割煤支架伸縮梁伸出支架伸縮梁伸出推溜推溜伸縮梁縮回伸縮梁縮回移架，支移架，支護滯后時間短，增加反復支撐次數。護滯后時間短，增加反復支撐次數。 根據液壓支架各部件功能和

21、作用，根據液壓支架各部件功能和作用，組成：組成： (1)承載結構件承載結構件 如頂梁、掩護梁、底座、連桿、尾梁如頂梁、掩護梁、底座、連桿、尾梁等。主要功能是承受和傳遞頂板和垮落巖石的載荷。等。主要功能是承受和傳遞頂板和垮落巖石的載荷。 (2)液壓缸液壓缸 包括立柱和各類千斤頂。主要功能是實現包括立柱和各類千斤頂。主要功能是實現支架的各種動作，產生液壓動力。支架的各種動作，產生液壓動力。 (3)控制元部件控制元部件 包括液壓系統(tǒng)操縱閥、單向閥、安全包括液壓系統(tǒng)操縱閥、單向閥、安全閥等各類閥，以及管路、液壓、電控元件。主要功能是操閥等各類閥，以及管路、液壓、電控元件。主要功能是操作控制支架各液壓缸

22、動作及保證所需的工作特性。作控制支架各液壓缸動作及保證所需的工作特性。 (4)輔助裝置輔助裝置 如推移裝置、護幫如推移裝置、護幫(或挑梁或挑梁)裝置、伸縮梁裝置、伸縮梁(或插板或插板)裝置、活動側護板、防倒防滑裝置、連接件、噴裝置、活動側護板、防倒防滑裝置、連接件、噴霧裝置等，是實現支架的某些動作或功能所必需的裝置。霧裝置等，是實現支架的某些動作或功能所必需的裝置。第四節(jié)第四節(jié) 支架結構選擇支架結構選擇 一、頂梁一、頂梁 頂梁形式：整體頂梁、鉸接頂梁和楔形結構頂梁。頂梁形式：整體頂梁、鉸接頂梁和楔形結構頂梁。 鉸接頂梁的前段稱為前梁，后段為主梁，簡稱頂梁。鉸接頂梁的前段稱為前梁，后段為主梁，簡

23、稱頂梁。1整體頂梁整體頂梁 整體頂梁結構簡單，可靠性好；頂梁對頂板載荷的平衡整體頂梁結構簡單，可靠性好；頂梁對頂板載荷的平衡能力較強；前端支撐力較大；可設置全長側護板，有利于能力較強；前端支撐力較大；可設置全長側護板，有利于提高頂板覆蓋率，改善支護效果，減少架間漏矸。為改善提高頂板覆蓋率，改善支護效果，減少架間漏矸。為改善接頂效果和補償焊接變形，整體頂梁前端接頂效果和補償焊接變形，整體頂梁前端(8001000mm)一般上翹一般上翹13o 。第六節(jié)第六節(jié) 支架的結構選擇支架的結構選擇2鉸接式頂梁鉸接式頂梁1-前梁前梁2-前梁千斤頂前梁千斤頂3-頂梁頂梁 在前梁千斤頂在前梁千斤頂2的推拉下，前梁的

24、推拉下，前梁1上下擺動，對不平頂板上下擺動，對不平頂板的適應性強。運輸時將前梁放下與頂梁垂直，以減小運輸的適應性強。運輸時將前梁放下與頂梁垂直，以減小運輸尺寸。尺寸。 前梁千斤頂必須有足夠的支撐力和連接強度，前梁上不前梁千斤頂必須有足夠的支撐力和連接強度，前梁上不宜設置側護板。為順利移架，前梁間一般留有宜設置側護板。為順利移架，前梁間一般留有100150 mm間隙，增加了破碎頂板漏矸的可能性。間隙，增加了破碎頂板漏矸的可能性。 二、側護板二、側護板 側護板裝置組成：側護板、彈簧筒、側推千斤頂、導向側護板裝置組成：側護板、彈簧筒、側推千斤頂、導向桿和連接銷軸等。桿和連接銷軸等。 支架活動側護板形

25、式：直角式單側活動側護板、直角式支架活動側護板形式：直角式單側活動側護板、直角式雙側可調活動側護板和折頁式單側活動側護板。雙側可調活動側護板和折頁式單側活動側護板。 直角式單側活動側護板直角式單側活動側護板一一側固定式，一側活動式。固側固定式，一側活動式。固定側護板是梁的邊筋板，可定側護板是梁的邊筋板，可增加梁體強度，減輕支架重增加梁體強度，減輕支架重量。量。 適用于傾角較小適用于傾角較小(150時，必須采取防滑防倒措施。時，必須采取防滑防倒措施。 在支架底座旁邊裝設一個與防滑撬板在支架底座旁邊裝設一個與防滑撬板3相連的防滑調架相連的防滑調架千斤頂千斤頂4，移架時千斤頂推出，推動撬板頂在鄰架的

26、導向，移架時千斤頂推出，推動撬板頂在鄰架的導向板上，起導向防滑作用，頂梁之間裝有防倒千斤頂板上，起導向防滑作用，頂梁之間裝有防倒千斤頂2防止防止支架傾倒。支架傾倒。 1-頂梁頂梁2-防倒千斤頂防倒千斤頂3-撬板撬板4-防滑調架千斤頂防滑調架千斤頂 1-頂梁頂梁2-防倒千斤頂防倒千斤頂 兩個防倒千斤頂兩個防倒千斤頂4裝在底座箱的上部，通過動作，達到裝在底座箱的上部，通過動作，達到防滑、防倒和調架作用防滑、防倒和調架作用多用于垛式支架多用于垛式支架 在相鄰兩支架的頂梁在相鄰兩支架的頂梁(或掩護或掩護梁梁)與底座之間裝一個防倒千斤與底座之間裝一個防倒千斤頂頂2，通過鏈條或拉桿分別固定，通過鏈條或拉桿

27、分別固定在各支架的頂梁和底座上，用在各支架的頂梁和底座上，用2防倒，用防倒，用4調架。調架。 1-頂梁頂梁2-防倒千斤頂防倒千斤頂4-防滑調架千斤頂防滑調架千斤頂 十、液壓支架控制系統(tǒng)十、液壓支架控制系統(tǒng) 液壓支架按操縱閥與所控支架的相對位置分本架控制液壓支架按操縱閥與所控支架的相對位置分本架控制和鄰架控制。和鄰架控制。 本架控制：本架控制：操作者操縱所在支架的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結構操作者操縱所在支架的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結構簡單，應用普遍。簡單，應用普遍。 鄰架控制：鄰架控制：操作者在支架內操縱相鄰支架的控制系統(tǒng)，操作者在支架內操縱相鄰支架的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結構簡單、操作方便安全，但過架膠管多給移架帶來系統(tǒng)結構簡單、操作方便安全，但過架膠管多給移架帶來不便。不便。 按控制原理分全流量控制和先導控制。按控制原理分全流量控制和先導控制。 全流量控制：全流量控制：用全流量操縱閥直接向液壓缸工作腔輸用全流量操縱閥直接向液壓缸工作腔輸入壓力液，實現支架動作。入壓力液，實現支架動作。 先導控制：先導控制：通過先導閥驅動主控閥實現支架各種動作，通過先導閥驅動主控閥實現支架各種動作，系統(tǒng)結構比較復雜，可采用多芯膠管實現鄰架控制，過架系統(tǒng)結構比較復雜，可采用多芯膠管實現鄰