第四章-頂板分類與液壓支架的選擇

第四章頂板分類與液壓支架的選擇第一節(jié)回采工作面頂板組成及其分類

一、頂板組成采場(chǎng)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。采場(chǎng)圍巖的機(jī)械性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)特征對(duì)工作面支護(hù)設(shè)備選型和支護(hù)參數(shù)選擇至關(guān)重要。煤層采動(dòng)后，因頂板出現(xiàn)變形、斷裂和垮落，煤體被壓松和發(fā)生片幫，支護(hù)設(shè)備的載荷增大和底板鼓起等原因引起的礦山壓力顯現(xiàn)。1-煤層2-直接頂3-基本頂Ⅰ-冒落帶Ⅱ-裂隙帶Ⅲ-彎曲下沉帶1-煤層2-直接頂3-基本頂

從開(kāi)切眼向前推進(jìn)，直接頂懸露面積逐漸增大，下沉和變形隨之增大。當(dāng)推進(jìn)到初次垮落步距(從開(kāi)切眼到工作面初次切頂線的距離)時(shí)，直接頂冒落，形成冒落帶Ⅰ。直接頂冒落，基本頂懸露。隨工作面推進(jìn)，基本頂在礦壓作用下不斷產(chǎn)生裂隙和變形，形成裂隙帶Ⅱ。當(dāng)達(dá)到極限垮落步距時(shí)發(fā)生斷裂和垮落→基本頂初次來(lái)壓。隨工作面推進(jìn)，基本頂周期垮落。在彎曲下沉帶Ⅲ，裂隙少，僅巖層間有離層現(xiàn)象，對(duì)支護(hù)設(shè)備載荷影響不大。

二、頂?shù)装宸€(wěn)定性特征及分類

1．直接頂穩(wěn)定性劃分直接頂是工作面支架首要的支護(hù)對(duì)象。對(duì)直接頂?shù)姆€(wěn)定性評(píng)價(jià)，是支架結(jié)構(gòu)和支護(hù)參數(shù)選擇的首要依據(jù)。影響頂板穩(wěn)定性的主要因素：

(1)組成頂板巖石的堅(jiān)硬程度和脆性特征。用單軸抗壓強(qiáng)度表征其堅(jiān)硬程度，抗拉強(qiáng)度反映其脆性特征。(2)頂板巖層分層厚度和分層強(qiáng)度沿厚度的分布。涉及剛度較大的巖層(承載層)和剛度較小的巖層(隨動(dòng)層)的厚度及相對(duì)關(guān)系。(3)頂板巖體的完整程度。以節(jié)理弱面的發(fā)育程度來(lái)表征，包括分層厚度和節(jié)理特征(密度、方向、組數(shù))。3個(gè)指標(biāo)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(duì)直接頂?shù)姆€(wěn)定性進(jìn)行實(shí)用性分類。

2．基本頂?shù)V壓顯現(xiàn)分級(jí)基本頂(原稱老頂)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(yùn)動(dòng)特征對(duì)于綜采工作面支架設(shè)計(jì)和選型意義重大。基本頂斷裂對(duì)工作面壓力顯現(xiàn)的影響程度取決于：

(1)基本頂初次或周期來(lái)壓步距→基本頂厚度、抗拉或抗壓強(qiáng)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比值表示。(3)采高，在直接頂厚度一定情況下，采高愈大，礦壓顯現(xiàn)愈強(qiáng)烈。

長(zhǎng)壁工作面的開(kāi)采邊界條件，如周圍未采、一側(cè)采空、兩側(cè)采空等因素對(duì)圍巖應(yīng)力及基本頂斷裂步距有一定的影響，特別是當(dāng)基本頂初次來(lái)壓步距超過(guò)工作面長(zhǎng)度1/2時(shí)，影響顯著——進(jìn)行基本頂初次來(lái)壓步距等效值計(jì)算。

3．采煤工作面底板分類對(duì)綜采工作面圍巖控制有重要影響的是直接底板對(duì)支架的抗壓入特性。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(diǎn)是在支架未壓入底板前，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，頂板下沉顯著增大。

第二節(jié)架型選擇在液壓支架與圍巖力學(xué)相互作用研究的基礎(chǔ)上，綜合分析不同地質(zhì)條件下支護(hù)阻力確定的理論研究成果并分析不同支架的結(jié)構(gòu)力學(xué)特征，為支架選型提供依據(jù)。液壓支架選型準(zhǔn)則液壓支架選型必須考慮的地質(zhì)和采礦條件：①直接頂穩(wěn)定性類型；②基本頂級(jí)別及相應(yīng)礦壓顯現(xiàn)參數(shù)(初次和周期來(lái)壓步距，來(lái)壓時(shí)載荷，直接頂厚度)；③底板類別及相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)(容許載荷強(qiáng)度，抗壓縮剛度)；④截高，煤層強(qiáng)度，節(jié)理方向，煤層厚度變化等；⑤煤層傾角和工作面推進(jìn)方向；⑥瓦斯等級(jí)和必需的通風(fēng)斷面等。

選型順序：①根據(jù)直接頂、基本頂、底板類型初步選定基本架型；②考慮上述①～⑩諸因素選定具體結(jié)構(gòu)，包括頂梁、底座、側(cè)護(hù)結(jié)構(gòu)等；③根據(jù)地質(zhì)條件和礦壓顯現(xiàn)參數(shù)，計(jì)算支架必需的支護(hù)強(qiáng)度和相應(yīng)的額定工作阻力。④考慮頂?shù)装搴畬訔l件，驗(yàn)算支架對(duì)底板比壓或載荷強(qiáng)度。⑤驗(yàn)算通風(fēng)斷面、風(fēng)流、風(fēng)速等。如果瓦斯涌出量較大，避免用插底式支架。

根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，在綜采工作面支架選型時(shí)，注意：(1)不穩(wěn)定和中等穩(wěn)定頂板優(yōu)先選用掩護(hù)式支架。在底板極松軟條件下，嚴(yán)格驗(yàn)算并限制支架底座尖端比壓，不得超過(guò)底板容許比壓即極限載荷強(qiáng)度→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(lái)壓強(qiáng)烈和十分強(qiáng)烈的頂板，優(yōu)先考慮選取支撐掩護(hù)式支架。(3)頂板不平，四柱式支架中總有一根支柱對(duì)頂板的實(shí)際支撐力很低→掩護(hù)式支架支撐能力利用率高于四柱式(二柱式支架對(duì)頂板的實(shí)際支撐力高于同樣名義額定阻力的四柱式支架，特別是對(duì)機(jī)道上方頂板的支護(hù)強(qiáng)度)。(4)不穩(wěn)定頂板條件下使用四柱式支架注意對(duì)機(jī)道上方的頂板控制，包括增加前柱阻力及可伸縮前梁等。第三節(jié)支架參數(shù)確定

一、支架高度首先確定支架適用煤層的平均截高，然后確定支架高度。支架最大結(jié)構(gòu)高度支架最小結(jié)構(gòu)高度

Mmax、Mmin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200～400mm，中厚煤層支架取200～300mm，薄煤層支架取100～200mm；S2考慮周期來(lái)壓時(shí)的下沉量、移架時(shí)支架的下降量和頂梁上、底板下的浮矸之和。大采高支架取500～900mm，中厚煤層支架取300～400mm，薄煤層支架取150～250mm。

支架調(diào)高范圍：——支架的最大結(jié)構(gòu)高度與最小結(jié)構(gòu)高度之差。調(diào)高范圍越大，支架適用范圍越廣，但過(guò)大調(diào)高范圍給支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成困難，可靠性降低。支架最大結(jié)構(gòu)高度和最小結(jié)構(gòu)高度取值應(yīng)符合規(guī)定。

支架伸縮比：支架的最大結(jié)構(gòu)高度與最小結(jié)構(gòu)高度之比。

二、支護(hù)強(qiáng)度和工作阻力

支護(hù)強(qiáng)度：——支架有效工作阻力與支護(hù)面積之比。頂板所需支護(hù)強(qiáng)度取決于頂板等級(jí)和煤層厚度。制訂不同頂板等級(jí)的支護(hù)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，支護(hù)強(qiáng)度按規(guī)定選用或按經(jīng)驗(yàn)公式估算K——作用于支架上的頂板巖石厚度系數(shù)，一般取5～8；M——截高，m；ρ——巖石密度，一般取2.5×103kg/m3

支架支撐頂板的有效工作阻力F——支架的支護(hù)面積，m2

L——支架頂梁長(zhǎng)度，m；C——梁端距，m；B——支架頂梁寬度，m；K——架間距，m支撐效率η：——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100%；掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架頂梁與掩護(hù)梁鉸接，立柱斜撐，支撐效率小于1，初選支架時(shí)可取80%左右。

三、中心距和寬度

支架中心距一般等于工作面一節(jié)溜槽長(zhǎng)度。液壓支架中心距大部分采用1.5m。大采高支架為提高穩(wěn)定性，中心距可采用1.75m，輕型支架為適應(yīng)中小煤礦工作面快速搬家的要求，中心距可采用1.25m。

四、初撐力初撐力大小對(duì)支架的支護(hù)性能和成本有很大影響。較大初撐力能使支架較快達(dá)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(duì)乳化液泵站和液壓元件的耐壓要求提高。一般取初撐力為(0.6～0.8)倍的工作阻力。

五、移架力和推溜力移架力與支架結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、煤層厚度、頂板性質(zhì)等有關(guān)一般薄煤層支架移架力為100～150kN；中厚煤層支架為150～300kN；厚煤層支架為300～400kN。推溜力一般為100～150kN。

六、梁端距和頂梁長(zhǎng)度梁端距：——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(jī)和采煤機(jī)的傾斜，以及采煤機(jī)割煤時(shí)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。支架高度越大，梁端距應(yīng)越大。

即時(shí)支護(hù)方式，大采高支架梁端距取350～480mm，中厚煤層支架梁端距取280～340mm，薄煤層支架梁端距取200～300mm。頂梁長(zhǎng)度受支架型式、配套采煤機(jī)截深(滾筒寬度)、刮板輸送機(jī)尺寸、配套關(guān)系及立柱缸徑、通道要求、底座長(zhǎng)度、支護(hù)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，形成3種支護(hù)方式。1)即時(shí)支護(hù)方式：

割煤—移架—推溜，頂板暴露時(shí)間短。2)滯后支護(hù)方式：

割煤—推溜—移架，頂板暴露時(shí)間長(zhǎng)。3)復(fù)合支護(hù)方式：

割煤—支架伸縮梁伸出—推溜—伸縮梁縮回—移架，支護(hù)滯后時(shí)間短，增加反復(fù)支撐次數(shù)。

根據(jù)液壓支架各部件功能和作用，組成：

(1)承載結(jié)構(gòu)件如頂梁、掩護(hù)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。

(2)液壓缸包括立柱和各類千斤頂。主要功能是實(shí)現(xiàn)支架的各種動(dòng)作，產(chǎn)生液壓動(dòng)力。

(3)控制元部件包括液壓系統(tǒng)操縱閥、單向閥、安全閥等各類閥，以及管路、液壓、電控元件。主要功能是操作控制支架各液壓缸動(dòng)作及保證所需的工作特性。

(4)輔助裝置如推移裝置、護(hù)幫(或挑梁)裝置、伸縮梁(或插板)裝置、活動(dòng)側(cè)護(hù)板、防倒防滑裝置、連接件、噴霧裝置等，是實(shí)現(xiàn)支架的某些動(dòng)作或功能所必需的裝置。第四節(jié)支架結(jié)構(gòu)選擇

一、頂梁頂梁形式：整體頂梁、鉸接頂梁和楔形結(jié)構(gòu)頂梁。鉸接頂梁的前段稱為前梁，后段為主梁，簡(jiǎn)稱頂梁。1．整體頂梁

整體頂梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性好；頂梁對(duì)頂板載荷的平衡能力較強(qiáng)；前端支撐力較大；可設(shè)置全長(zhǎng)側(cè)護(hù)板，有利于提高頂板覆蓋率，改善支護(hù)效果，減少架間漏矸。為改善接頂效果和補(bǔ)償焊接變形，整體頂梁前端(800～1000mm)一般上翹1～3o。第六節(jié)支架的結(jié)構(gòu)選擇2．鉸接式頂梁1-前梁2-前梁千斤頂3-頂梁

在前梁千斤頂2的推拉下，前梁1上下擺動(dòng)，對(duì)不平頂板的適應(yīng)性強(qiáng)。運(yùn)輸時(shí)將前梁放下與頂梁垂直，以減小運(yùn)輸尺寸。前梁千斤頂必須有足夠的支撐力和連接強(qiáng)度，前梁上不宜設(shè)置側(cè)護(hù)板。為順利移架，前梁間一般留有100～150mm間隙，增加了破碎頂板漏矸的可能性。

二、側(cè)護(hù)板側(cè)護(hù)板裝置組成：側(cè)護(hù)板、彈簧筒、側(cè)推千斤頂、導(dǎo)向桿和連接銷軸等。支架活動(dòng)側(cè)護(hù)板形式：直角式單側(cè)活動(dòng)側(cè)護(hù)板、直角式雙側(cè)可調(diào)活動(dòng)側(cè)護(hù)板和折頁(yè)式單側(cè)活動(dòng)側(cè)護(hù)板。直角式單側(cè)活動(dòng)側(cè)護(hù)板一側(cè)固定式，一側(cè)活動(dòng)式。固定側(cè)護(hù)板是梁的邊筋板，可增加梁體強(qiáng)度，減輕支架重量。適用于傾角較小(<150)的緩傾斜煤層或水平煤層，擋矸密封性和導(dǎo)向性好。

2．直角式雙側(cè)活動(dòng)側(cè)護(hù)板根據(jù)工作面傾角方向，調(diào)整一側(cè)固定，另一側(cè)活動(dòng)，適應(yīng)性強(qiáng)，用于各種支架。1-活動(dòng)上側(cè)護(hù)板；2-活動(dòng)下側(cè)護(hù)板3-頂桿；4-千斤頂；5-固定側(cè)護(hù)板

3．折頁(yè)式活動(dòng)側(cè)護(hù)板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，千斤頂可以布置在梁體的外側(cè)，便于拆裝和維修。擋矸密封性差，移架時(shí)導(dǎo)向性差。用于頂板比較穩(wěn)定或堅(jiān)硬條件的支撐掩護(hù)式支架。

1．整體剛性底座中擋前部有高度50～100mm小箱形結(jié)構(gòu)，中擋后部上方為箱形結(jié)構(gòu)，推移千斤頂安裝在箱形體下。立柱柱窩前設(shè)計(jì)過(guò)橋，提高底座整體剛性和抗扭能力。

三、底座底座形式：整體剛性底座、底分式剛性底座和鉸接分體底座，其中鉸接分體底座已較少采用。

底分式剛性底座中擋底板分體，推移裝置處的浮煤、碎矸可隨支架移架從后端排到采空區(qū)，不需人工清理，但底座接底面積減少，對(duì)底板比壓增大——高產(chǎn)高效工作面液壓支架一般采用分體剛性底座。

2．底分式剛性底座底座底板為中分式，中擋推移機(jī)構(gòu)直接落在煤層底板上，前立柱柱窩前有過(guò)橋，中擋后部上方為箱形結(jié)構(gòu)。

四、推移裝置推移裝置組成：推移桿、推移千斤頂和連接頭等，推移桿是決定推移裝置形式和性能的關(guān)鍵部件。

1．短推移桿短推移桿：鋼板組焊而成的箱形結(jié)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，重量輕，廣泛采用。推移桿形式：正拉式短推移桿和倒拉式長(zhǎng)推移桿。

2．長(zhǎng)推移桿長(zhǎng)推移桿形式：框架式、整體箱式和鉸接式。

框架式長(zhǎng)推移桿由前后兩段組成，前段為箱式結(jié)構(gòu)，后段為雙桿式結(jié)構(gòu)和導(dǎo)向塊。推移千斤頂缸徑超過(guò)140mm時(shí)，雙桿式結(jié)構(gòu)強(qiáng)度難以保證，可靠性下降?？蚣苁介L(zhǎng)推移桿適用于中型以下的支架。

五、護(hù)幫裝置①護(hù)幫通過(guò)挑梁(護(hù)幫板)貼緊煤壁，向煤壁施加一個(gè)支撐力，防止片幫。②臨時(shí)前梁在支架能及時(shí)支護(hù)的情況下，采煤機(jī)過(guò)后挑起挑梁實(shí)現(xiàn)超前支護(hù)。在支架滯后支護(hù)的情況下，利用挑梁實(shí)現(xiàn)及時(shí)支護(hù)；③在厚煤層分層開(kāi)采時(shí)，采上分層可利用挑梁掛網(wǎng)卷，采下分層可利用挑梁挑網(wǎng)兜。六、柱間距和筋板配置支架柱間距指兩排立柱間的距離。柱間距和筋板配置要考慮支架的中心距、立柱缸徑、推移裝置的寬度等因素。柱間距與各部件筋板配置關(guān)系。七、立柱和千斤頂立柱是液壓支架實(shí)現(xiàn)支撐和承載的主要部件，直接影響支架的工作性能。立柱型式有4種。

1．單伸縮雙作用立柱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，屬液壓無(wú)級(jí)調(diào)高，調(diào)整高度方便，但調(diào)高范圍小，用在調(diào)高范圍不大的支架上，許多放頂煤支架裝配單伸縮雙作用立柱。

2．單伸縮雙作用帶機(jī)械加長(zhǎng)桿立柱結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，調(diào)高范圍較大，有液壓無(wú)級(jí)和加長(zhǎng)桿有級(jí)兩種調(diào)高方式。根據(jù)煤層厚度變化及時(shí)調(diào)整機(jī)械加長(zhǎng)桿的高度(有級(jí)調(diào)高)以滿足支護(hù)要求。多用于煤層厚度變化較大的中厚煤層支架上。

3．雙伸縮雙作用立柱調(diào)高范圍大，液壓無(wú)級(jí)調(diào)高，操作方便靈活，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工要求高，成本高。多用于薄煤層和大采高支架上。由于某些缸徑立柱的中缸強(qiáng)度裕度偏小，遇有采煤工作面基本頂壓力顯現(xiàn)強(qiáng)烈時(shí)中缸有時(shí)會(huì)出現(xiàn)鼓脹現(xiàn)象，損壞立柱——在使用條件允許情況下，大多選用單伸縮雙作用帶機(jī)械加長(zhǎng)桿立柱。

4．三伸縮雙作用立柱一般為三級(jí)液壓無(wú)級(jí)調(diào)高，有的在雙伸縮立柱上加一段接長(zhǎng)桿，主要是為增加立柱的調(diào)高范圍，以滿足某些特殊結(jié)構(gòu)支架對(duì)立柱增加調(diào)高的要求。國(guó)外較早使用這種立柱，調(diào)高范圍很大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，第三級(jí)缸內(nèi)壓力很高，對(duì)材料和加工要求高。目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有研制這種立柱。

八、雙紐線機(jī)構(gòu)(四連桿機(jī)構(gòu))液壓支架的掩護(hù)梁與底座之間用前、后連桿連接形成的四連桿機(jī)構(gòu)。支架升降時(shí)，頂梁前端可沿雙紐線移動(dòng)，使端面距變化較小。雙紐線機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)型式：①前、后連桿都為單桿式；②后連桿為整體鑄鋼件或焊接件，前連桿為左右分置的單桿鑄鋼件或焊接件→增大支架的有效利用空間。

九、防滑防倒裝置利用裝設(shè)在支架上的防滑、防倒千斤頂在調(diào)架時(shí)產(chǎn)生一定的推力，以防支架下滑、傾倒，并進(jìn)行架間調(diào)整。

規(guī)程規(guī)定：傾角>150時(shí)，必須采取防滑防倒措施。

在支架底座旁邊裝設(shè)一個(gè)與防滑撬板3相連的防滑調(diào)架千斤頂4，移架時(shí)千斤頂推出，推動(dòng)撬板頂在鄰架的導(dǎo)向板上，起導(dǎo)向防滑作用，頂梁之間裝有防倒千斤頂2防止支架傾倒。1-頂梁2-防倒千斤頂3-撬板4-防滑調(diào)架千斤頂1-頂梁2-防倒千斤頂兩個(gè)防倒千斤頂4裝在底座箱的上部，通過(guò)動(dòng)作，達(dá)到防滑、防倒和調(diào)架作用——多用于垛式支架在相鄰兩支架的頂梁(或掩護(hù)梁)與底座之間裝一個(gè)防倒千斤頂2，通過(guò)鏈條或拉桿分別固定在各支架的頂梁和底座上，用2防倒，用4調(diào)架。1-頂梁2-防倒千斤頂4-防滑調(diào)架千斤頂

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(duì)位置分本架控制和鄰架控制。

本架控制：操作者操縱所在支架的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用普遍。