第五章采场顶板支护方法ppt课件.ppt

5 采场顶板支护方法,5.1 顶板分类与底板特征5.2 采场支架类型与支架力学特征5.3 采场支架与围岩相互作用原理5.4 采场支护设计5.5 采场来压预报与支护质量监测,2,5.1 顶板分类与底板特征,回采工作面（采场）是地下移动着的工作空间。为了保证生产工作的正常进行与矿工的安全，必须对采场顶板进行支护。 直接顶板是回采工作面支护直接作用的对象，直接顶的好坏将对生产与安全有直接影响，而直接顶的完整性又受到老顶平衡特征的影响，例如工作面的初次来压与周期来压都是老顶的活动而形成的。从一定意义上讲，控制采场矿山压力显现主要是控制老顶的活动规律，使其不危及到工作面的安全。所以，采场支护的直接对象是直接顶岩层，通过直接顶间接地对老顶的活动起一定的控制作用。 采空区处理方法对老顶的活动有着明显的影响。,3,5.1 顶板分类与底板特征,回采工作面支架是采场矿山压力控制的基本手段。回采工作面支架是平衡回采工作面顶板压力的一种构筑物。 由于回采工作面支架必须与开采后形成的上覆岩层大结构相适应，回采工作面支架必须具备以下两个特征： （1）有适当的可缩性。（2）有良好的支撑性能。 所谓支架的支撑性能，一般是指支架的支撑力与支架可缩量之间的关系特征，常用“工作阻力可缩量”关系曲线（简写为Ps曲线）表示。 回采工作面支架是座在直接底板上的，直接底板特性对支架性能的发挥有重要影响。研究采场支护也要研究底板岩层。,要搞好采场顶板支护，必须研究直接顶板、老顶和直接底板，必须研究支架。,4,5.1 顶板分类与底板特征5.1.1 对直接顶的分析,（1）直接顶，采场支护直接对象，其完整程度不仅直接影响工作面的安全及工作面生产能力的发挥，而且直接影响到所选择的支护形式。 （2）直接顶的完整程度取决于两方面因素：直接顶岩层本身力学性质；直接顶岩层内层理和裂隙发育程度。 （3）直接顶岩层内层理和裂隙一般分为三类：原生裂隙、构造裂隙和压裂裂隙。其中，压裂裂隙指在煤层开采时引起的破坏面。一般仅发生在比较软的直接顶，主要是由于支承压力的作用而形成。常与煤层面夹角6090。,5,5.1 顶板分类与底板特征5.1.1 对直接顶的分析,（4）直接顶冒空将使支架顶梁与顶板的接顶情况恶化，导致无法利用支架的工作阻力通过直接顶防止老顶岩块的失稳与滑落，也可能使支架受严重偏载而损坏，还可能由此造成的一系列影响生产的事故。 （5）构造裂隙可以造成有规则的倾斜于煤壁或采空区方向的裂隙。由于工作面的推进方向与裂隙方向不同，工作面顶板可能出现两种完全不同的结果。当工作面推进方向与节理倾斜方向一致时，常常容易造成工作面较大压力。,6,5.1 顶板分类与底板特征5.1.1 对直接顶的分析,图5-3, 初次垮落步距L0：直接顶首次出现垮落高度超过11.5 m，垮落范围超过全工作面长度一半时工作面的推进长度。 端面破碎度：指支架前梁端部到煤壁间顶板出现冒落高度超过50100mm所占的面积比例。 端面距为1m时的端面破碎度称“顶板冒落敏感度”或“顶板破碎指数”，以E表示。,7,5.1 顶板分类与底板特征5.1.1 对直接顶的分析,图5-4 端面距与顶板破碎度的关系,E10%，稳定顶板,E=10%30%，中等稳定顶板,E30%，不稳定顶板,8,5.1 顶板分类与底板特征5.1.2 对老顶的分析,（1）老顶的失稳及其来压强度不仅对直接顶的稳定性有直接影响，而且对确定支护强度、支架具备的可缩量以及选择采空区处理方法等，都起着决定性作用。 （2）根据老顶取得平衡的条件，在全部垮落法工作面，一般情况下老顶岩层对工作面的顶板压力的影响主要取决于直接顶的厚度。显然，老顶离煤层越远，即直接顶厚度越大，破断后形成“结构”和呈现缓慢下沉式平衡的可能性也越大。因此，长期以来，生产单位常常以老顶距离被开采煤层得远近作为预计影响工作面矿山压力显现的重要指标之一。,9,5.1 顶板分类与底板特征5.1.2 对老顶的分析,图5-5 顶板岩层典型柱状图实例,10,5.1 顶板分类与底板特征5.1.2 对老顶的分析,（3）老顶来压强度同直接顶厚度hi与煤层采高hm比值（N=hi/hm）的关系：I、N5，老顶的垮落与错动对工作面支架无多大影响，称为无周期来压或周期来压不明显顶板。如图5-5a。II、2N5，老顶的失稳对工作面支架有较为严重的影响，称为周期来压顶板。如图5-5b。III、N2，甚至没有直接顶，老顶的悬露与垮落都对工作面支架有严重影响，称为周期来压严重顶板。如图5-5c。IV、老顶特别坚硬，又无直接顶，常悬露上万平方米而不垮落，当其垮落时则形成暴风，造成事故，称为极坚硬顶板。如图5-5d。V、能塑性弯曲的顶板。如图5-5e。,11,5.1 顶板分类与底板特征5.1.3 顶板分类方案及其指标,为了指导回采工作面顶板管理，选择合适得液压支架形式，单体支柱的支护方法和采空区处理措施；以及为了确定液压支架支护强度和单体支柱的支护密度，以提高工作面的安全程度，减少顶板事故等，原煤炭工业部颁发了缓倾斜煤层采煤工作面顶板分类（MT554-1996）行业标准。,12,表5-1 直接顶分类指标及参考要素,13,表5-2 老顶（基本顶）分级指标,老顶的分级指标是“老顶初次来压当量p e ”，其值由老顶初次来压步距Lf、直接顶充填系数N和煤层采高hm综合确定：,注：当hi大于6倍采高时，取N=6。,14,5.1 顶板分类与底板特征5.1.4 底板特征,底板岩层在矿山压力控制中涉及两类问题： 一方面是煤层开采引起的底板破坏，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，引起突水等事故。 另一方面底板岩层的刚度将直接影响到支护性能的发挥，支护系统刚度是由“底板支架顶板”所组成。如单体支柱底面积只有100cm2左右，在底板松软情况下，易插入底板，从而影响对顶板的控制。,15,5.1 顶板分类与底板特征5.1.4 底板特征, 底板比压：指支架底座对单位面积底板所造成的压力。（静压式底板比压仪，作用底板为压模，其直径180mm） 底板穿透度：指平均单位冲击能所克服的冲击阻力值。（冲击式底板比压仪，作用底板为撞针）,图5-6 支柱对底板的破坏形式,a整体剪切,b局部剪切,c其它剪切,d穿鞋破坏,16,表5-3 采煤工作面底板分类标准（MT553-1996）,17,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.1 概述, 采场支架分类： 回采工作面支架主要是由梁和柱组合而成。根据支柱与顶梁的配合关系，可将工作面支架为两大类：单体支架和液压支架。 由金属支柱与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，实现支架支设、回撤、拉架、移溜机械化。,18,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.1 概述, 支柱的撑力与工作阻力： 支柱对顶板的主动作用力称为支柱的撑力。 支柱受顶板压力作用而反映出来的力称为支柱的阻力，又称工作阻力。 常用的支柱的工作阻力与撑力： （1）初撑力P0：支架支设时最初形成的主动力。 （2）始动阻力P0：在顶板压力作用下，活柱开始下缩时的工作阻力。 （3）初工作阻力P1：指在支架性能曲线中，活柱下缩时，工作阻力增长率由急剧增加转为缓慢增长的转折点出的工作阻力。 （4）最大工作阻力P2：支柱所能承受的最大负载能力，又称额定工作阻力。,19,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.1 概述, 支柱的典型工作特性：,图5-7 典型支柱特性曲线（Ps曲线）a急增阻式；b微增阻式；c恒增阻式。,典型急增阻式：HZJA型摩擦支柱,典型微增阻式：HZWA型摩擦支柱,典型恒阻式：液压支柱/架,理想模式一般s=67mm,20,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.2 液压支柱的结构及特性, 内注式液压支柱： 工作介质机油； 支撑：摇动手把，操作支柱内手摇泵，把油从低压腔压入高压腔； 过压保护：安全阀保证恒定工作阻力； 回收：打开卸压阀使高压腔的油回到低压腔，活柱自重作用下下缩。, 内注式单体液压支柱结构,按注油方式分内注式与外注式,21,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.2 液压支柱的结构及特性, 内注式液压支柱： 工作介质含1%2%乳化油的乳化液； 支撑：靠外部泵站经管路通过注液枪向支柱供液； 过压保护：安全阀保证恒定工作阻力； 回收：打开卸压阀，把乳化液排到支柱外，活柱自重和弹簧力作用下回缩。 安全阀、单向阀、卸压阀共同组成一个三用阀。,22,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.2 液压支柱的结构及特性, 内、外注式液压支柱优缺点比较：,薄煤层或人行困难面宜用内注式；其它宜用外注式。,23,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.2 液压支柱的结构及特性, 液压自移支架支柱工作原理：,-升柱状态；-工作状态；-卸载状态 1-活柱；2-柱体；3、9、10-管路；4-安全阀；5-单向阀；6-主回油路；7-主进油路；8-操纵阀。,24,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 液压支架分类：,图5-11 各类液压支架的基本结构,25,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 液压支架分类：液压支架型式与参数MT/T169-1996 （1）按架型结构及与围岩关系分类：支撑式支架；支撑掩护式支架；掩护支撑式支架；掩护式支架。,图5-11 各类液压支架的基本结构,26,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 液压支架分类： （2）按使用条件分类：,27,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 液压支架分类： （2）按使用条件分类：,28,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 液压支架的命名：,例：ZFS4000/16/28 ZY3200/23/45 ZC5600/17/32,29,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 支撑式液压支架支护分析：,图5-12 四柱垛式支架结构,（1）结构组成：前梁、顶梁、立柱、底座、挡矸帘、千斤顶等。 支架顶梁长度一般3.54.0m。（2）优缺点：通风断面大，行人方便；结构简单，重量轻。但框架稳定性较差。,30,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 支撑式液压支架支护分析：,图5-13 垛式支架支撑力理想分布状态,看书P129130!,31,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 支撑式液压支架支护分析：,图5-14 在比较破碎顶板条件下使用垛式支架,32,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 支撑式液压支架支护分析：,（3）使用条件： 一般性结构的支撑式液压支架比较适应于直接顶板比较完整的工作面，若周期来压又较剧烈更易适应。但对特别坚硬的顶板却又由于支柱承受不了强大的水平推力而不相适应。 在破碎顶板条件下，则必须采取有效的支护措施，才能得到良好的使用效果。 我国煤炭行业标准认为支撑式液压支架适用于采高1.5m以下，直接3、4类，底板III类以上，煤层倾角20以内的长壁工作面。,33,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 支掩式掩护支架支护分析：,图5-16,图5-17,（1）结构组成：由托梁、掩护梁、底座、支柱四个主要部分组成。,34,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 支掩式掩护支架支护分析：,图5-16,图5-17,按掩护梁与底座联接方式分：常见的单铰式、四连杆式（双铰式），对应托梁掩护梁运动轨迹为弧线形、双纽线型。,35,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 支掩式掩护支架支护分析：,（2）掩护式支架优缺点： 缩小了控顶距，减少了托梁与顶板之间反复支撑的次数，提高了支架对机道上方顶板的支撑。 在顶板局部冒顶情况下，可以考虑不接顶。 支架的结构可以承受一定水平推力，因而可以实现承载前移。 （四连杆作用） 挡矸性能良好，因而采空区矸石不能涌入回采工作面空间。 但这种支架工作空间小，因而通风断面小，行人也不方便。由于增加了掩护梁，支架重量有所增加。,36,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 支掩式掩护支架支护分析：,（3）掩护式支架适用条件： 适用于直接顶破碎，来压不明显的条件。不适用于直接顶坚硬而老顶周期来压强烈的条件。,37,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 单铰支掩式掩护支架受力分析：,（1）支架受力情况： 顶板压力Q（作用在托梁上）； 采空区冒落矸石重量W（作用在掩护梁上）； 底板反力Rd（作用在底座上）； 顶板与顶梁间的摩擦力fQ（作用在顶梁上）； 支柱工作阻力P。,Q,fQ,W,P,Rd,38,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 单铰支掩式掩护支架受力分析：,（2）底板及托梁上力的分布： 底板受力最大值在支架底座的前端。一般底座对底板作用的力呈三角形分布。 托梁上力的分布与铰接点前后托梁长度之比有关。 据测定，托梁上的力的分布可能呈指数曲线分布。但是，为了简化起见，常把托梁上力的分布视为三角形分布或梯形分布。,图5-18b,39,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 单铰支掩式掩护支架受力分析：, 托梁上力呈三角形分布时合力Q位置：, 托梁上力呈梯形分布时合力Q位置：,图5-18c,40,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 单铰支掩式掩护支架受力分析：,当W=0时： 以掩护梁后铰O点为圆心，根据转矩平衡条件有:,O,fQ,W,P,l1,l,Q,（4）P与Q之间的关系：,41,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 单铰支掩式掩护支架受力分析：,当掩护梁承受载荷W时： 假设W作用于后铰l/3处，仍以O点为圆心，用转矩平衡条件有:,O,fQ,W,P,l1,l,Q,（4）P与Q之间的关系：,42,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 单铰支掩式掩护支架受力分析：,当掩护梁承受载荷W时：,（4）P与Q之间的关系：,43,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 单铰支掩式掩护支架受力分析：,（4）支柱阻力P与托梁载荷Q之间的关系：当W=0时：当掩护梁承受载荷W时：（假设W作用于后铰l/3处）,O,fQ,W,P,l1,l,Q,图5-18d,44,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 单铰支掩式掩护支架受力分析：,当掩护梁承受载荷W时：,（4）P与Q之间的关系：,讨论：其一，当W=0时，支架支撑效率达到极限值：其二，支架支撑效率为0，即这时支架工作阻力全部对付掩护梁上冒矸重量W，有条件：,45,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 单铰支掩式掩护支架受力分析：,当掩护梁承受载荷W时：,（4）P与Q之间的关系：,讨论：其三，当支撑效率小于0时，说明降柱后支柱再无法把掩护梁上的载荷抬起，从而无法使移架后的顶梁与顶板相接触，这显然对控制顶板是很不理想的。该情况下有：,46,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 单铰支掩式掩护支架受力分析：,如图，若l=2.89m，l1=0.65，支架为双柱支撑，每颗柱初撑力=150kN，工作阻力=180kN，支架宽度1.5m，在采高M=2.5m时，=2750，= 8734。试计算：该状态下支架极限支撑效率；若不计W，支架在此状态下对顶板最大支撑力Q；支架无法抬起的条件。,O,fQ,W,P,l1,l,Q,举例：,47,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 单铰支掩式掩护支架受力分析：,解：（a）支架在采高2.5m时的极限支撑效率为：,（b）不计W，支架在采高2.5m时对顶板的最大支撑力Q，应为支架支柱达到工作阻力时，并取f=0之值。 每棵支柱工作阻力位180kN，每架支架有支柱2克，则支架的工作阻力P2=2180=360（kN）,48,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 单铰支掩式掩护支架受力分析：,解：（c）在采高2.5m时支架无法抬起的条件，应该是在此种状态下掩护梁上矸石载荷W达到：,知单柱初撑力为150kN，则支架总初撑力: P0=2150=300kN,即题给条件下当W684kN时，支架降后将无法抬起。,49,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 单铰支掩式掩护支架受力分析：,解：（d）讨论：如果把掩护梁后面作用的冒落矸石看成等高度，直接顶岩石体积力为25kN/m3，按照W=684kN，可以计算出：,即是说，题给条件下支架降柱后抬不起头的冒落矸石载荷平均相当于2.55倍采高直接顶岩石重量。 该数值并不大，说明支架如果设计不合理，完全有可能出现上述情况，有关分析是有意义的。,50,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 单铰支掩式掩护支架受力分析：,（5）前铰点运动轨迹及其影响：,单铰式掩护支架掩护梁的前铰点运动决定了托梁与煤壁之间的空顶距离。 单铰式掩护支架掩护梁的前铰点随顶板下沉做圆弧运动，运动方向趋于煤壁，支架还将产生向工作面煤帮得推力。这将有助于直接顶板本身的成拱作用，对顶板管理有利。 但是，采高增加，托梁与煤壁之间的空顶距离因为前铰点的圆弧运动而增大。这又对顶板管理不利。,51,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 双铰支掩式掩护支架受力分析：,为了弥补单铰掩护支架端面距变化的缺点，同时也为了提高支架的支撑效率，设计了双铰式掩护支架，其结构特点是后支座为一四连杆机构，如右图。,这种支架的托梁铰接点做双纽线运动，在设计中可以让托梁的铰点在采高变化范围内做近于垂直顶板的运动，从而保持端面距不变，同时可使掩护梁上的杠杆比进一步缩小，使、值的变化有利于提高支撑效率。它比几何尺寸相同的单铰式掩护支架的支撑效率提高10%左右。,52,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 双铰支掩式掩护支架受力分析：, 典型双铰支架端面距水平偏移轨迹,双铰掩护式支架受力分析原理同单铰掩护式，留作同学自己课后分析。,53,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 支掩式掩护支架的矿压特点：, 顶梁上力的大小与方向： 顶支架总力大小、方向与位置：,54,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 支顶式掩护支架受力分析：,支顶式掩护支架创立于1974年，是为了综合支撑式、支掩掩护式支架各自优点而发展起来的。,这是我国自行设计制造的支顶掩护式支架，其消灭了掩护梁与托梁间的三角区，提高了掩护梁的坡度，缩短了掩护梁的长度，同时还改善底座与底板间受力情况，在实际使用中取得了很好效果。,图5-22,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析,Q顶梁载荷；W掩护梁载荷；fQ顶梁与顶板间的摩擦力；P支柱工作阻力；Z平衡千斤顶作用力；F、F掩护梁与顶梁铰接点上受力；R1、R2连杆反力。,55,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析,56,图5-23b,（1）取顶梁为脱离体，按静力平衡条件有：, 支顶式掩护支架受力分析：,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析,57,图5-23c, 支顶式掩护支架受力分析：,（2）取掩护梁为脱离体，按静力平衡条件有：,从式（1）、（2）得到F、F，将其代入式（3），得：,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析,58, 支顶式掩护支架受力分析：,（3）分析Q及其作用位置关系： 取顶梁为脱离体，按顶梁掩护梁铰接点转矩静力平衡条件有：,将前面得到的Q表达式代入上式，整理即得Q作用力位置x对P、Z作用力的影响关系式：,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析,59, 支顶式掩护支架受力分析：,（3）分析Q及其作用位置关系：,若取f=0，W=0，则得PZ关系式（5-10）：,（5-10）,（5-11）,实际上Z、P与Q及其位置关系既要服从结构决定的上述关系，还要受到平衡千斤顶拉、压工作阻力的限制。,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 支顶式掩护支架受力分析：,（3）分析Q及其作用位置关系：,图5-24,以国外W.S1.7支架为例： 当P达到额定工作阻力P2时，Z必须具备的工作阻力分布如图5-24中曲线Z所示。 但是，平衡千斤顶额定压、拉工作阻力有限，分别为677kN、624kN，实际超出平衡千斤顶额定阻力部分只能按其额定阻力，致使支柱阻力只能按曲线P规律。,单位：t,60,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 支顶式掩护支架受力分析：,（3）分析Q及其作用位置关系：,图5-24,所以，由式（5-8）可得此时整架工作阻力Ps为：,单位：t,若令W=0，则：,（5-13）,61,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 支顶式掩护支架受力分析：,（3）分析Q及其作用位置关系：,图5-24,单位：t,62,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 支顶式掩护支架受力分析：,（3）分析Q及其作用位置关系：,分析表明：由于P与Z相互制约，支顶掩护式支架只能在一定范围内较有效发挥作用，计只有当Q作用在立柱与顶梁铰接点附近，P、Z才能充分发挥作用，超出此范围将导致支撑效率低，同时导致附加力产生。,图5-25,63,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 支顶式掩护支架受力分析：,（3）分析Q及其作用位置关系：,图5-26,64,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 支顶式掩护支架受力分析：,（4）适用条件： 我国煤炭行业标准规定，支顶掩护式支架优先适用于直接顶为1、2、3类，老顶为I、II、III级，底板为2类以上条件。（5）使用情况：（见书P141142）,65,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 支撑掩护式支架受力分析：,该类支架同时兼有支撑式与掩护式支架的优点，它是支撑与掩护式两种架型的组合。 支撑掩护式支架分支顶式及支顶支掩式两种。有双排、三或四立柱。顶梁长度一般均较掩护式支架长，增加了支撑力，缩短了掩护梁长度，加大掩护梁的坡度，改善支架底座与底板受力情况，可见支撑掩护式支架支撑能力较强，对顶板的适应性较强。 但是，这也导致其控顶距增大，价格较高，重量较大，支架结构较复杂等缺陷。,66,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 支撑掩护式支架受力分析：,67,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 支撑掩护式支架受力分析：,68,图5-28a,（1）分析支顶式支撑掩护支架： 若取顶梁和掩护梁为隔离体，即：MO1=1，得：,取顶梁为隔离体，即：MO=1，得：,由此得合力作用位置x为：,（5-15）,（5-16）,（5-17）,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 支撑掩护式支架受力分析：,69,图5-28a,（1）分析支顶式支撑掩护支架： 将式（5-17）代人（5-15）得：,若考虑到掩护梁上作用载荷W时，则Q中还需要减去：Wc/b。,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 支撑掩护式支架受力分析：,70,图5-28b,（2）分析支顶支掩式支撑掩护支架：,同样若考虑到掩护梁上作用载荷W时，则Q中还需要减去：Wc/b。,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 支撑掩护式支架受力分析：,71,（3）讨论：,（5-17）,（5-18）,将式（5-17）中P2代入（5-18）得Q与P1关系式：,将式（5-17）中P1代入（5-18）得Q与P2关系式：,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 支撑掩护式支架受力分析：,72,分析表明：支撑掩护式支架的力平衡区宽度较大，约为支柱的排距，即1.01.3m。支撑掩护式支架支撑能力较强，对顶板适应性较强。,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 支撑掩护式支架受力分析：,73,（4）梁端支撑力和尾梁切顶力计算式：（见P141图5-30）,整梁四柱支顶式：,铰接梁四柱支顶式：,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 支撑掩护式支架受力分析：,74,（5）使用实例： （见P144145图5-31）,图5-31,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 支撑掩护式支架受力分析：,75,（6）特点及其适用条件： 其1，支撑合力作用点的调节范围较大，可大致等于两柱之间的间距，但支架前部仍是承受外力的薄弱区。 其2，支架后部可以承受较高的外载，即切顶能力强。 其3，一般立柱接近垂直，支撑效率高。且受支架工作高度变化的影响少，工作阻力的利用率高，一般能够达到85%97%。 其4，有较高的支撑能力。据实测统计支撑掩护式支架的支护强度分别比掩护式、支撑式支架高256%和193%。,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 支撑掩护式支架受力分析：,76,（6）特点及其适用条件： 其5，当支架的前、后排支柱都前倾式具有较强的指向煤壁的水平推力；前、后排支柱呈V型前、后倾时有较高切顶力；当后排在掩护梁上则支架尺寸和重量较前两种小。 其6，支架底座的合力作用位置较靠后，载荷集度分布较均匀，与掩护式支架比较，支撑掩护式支架底座端部压入底板的可能性较少，对松软底板较适应。,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 支撑掩护式支架受力分析：,77,（6）特点及其适用条件： 其7，支撑掩护式支架顶梁较长，控顶距较大，结构较复杂，故每架及每米支护高度的重量和价格均较高。一般比两柱掩护式支架重量大13%20%，价格贵7%16%。 其8，支架断面大，行人方便，但由于立柱多，控顶面积大，故操作、调架等较不便。 其9，支架带有四连杆的掩护梁，能抵制采空区矸石的水平推力，但在顶板特别坚硬，垮落块度较大的情况下，岩块的冲击仍可能使立柱缸发生炸裂、弯曲及移架千斤顶损坏等。,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.3 液压支架支护方法分析, 支撑掩护式支架受力分析：,78,（6）特点及其适用条件： 其10，支柱的支撑力利用率低，实测表明，四个支柱通常只有23个支柱受载。 其11，指向煤壁的水平力低于两柱掩护支架。 支撑掩护式支架适用范围较宽，一般适用于IIV级24类顶板工作面。对底板的强度不限。,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.4 单体支架支护方法分析,79,采用单体支架时，落煤后必须立即架设支架，待该支架由于工作面推进变到靠采空区一侧时进行回撤。 所以，每一根支柱都经历了回采工作空间顶板下沉的全过程。, 单体支架支护作用过程：,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.4 单体支架支护方法分析,80,单体支柱受力的大小，首先决定于顶板压力的大小，有时还决定于底板的力学性质以及顶梁是否具有压缩性。 单体 支柱所受载荷在梁上的分布状态，取决于顶；梁在支柱上的布置方式。见图5-32、图5-33、图5-34., 单体支柱顶梁载荷分布：,图5-32,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.4 单体支架支护方法分析,81, 单体支柱顶梁载荷分布：,图5-33 有排柱放顶支架支撑力分布,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.4 单体支架支护方法分析,82, 单体支柱顶梁载荷分布：,图5-34 无排柱放顶支架支撑力分布,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.4 单体支架支护方法分析,83, 单体支架布置方式：,单体支架在工作面的布置方式决定于直接顶的稳定性，同时也要考虑老顶来压时可能带来的危害。一般分带帽点柱支护、棚子支护两类布置方式。,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.4 单体支架支护方法分析,84, 单体支架布置方式：,图5-35,（1）带帽点柱支护 不使用顶量，柱帽一般用厚50100mm，长300500 mm木板或圆木制成。架设时考虑向上倾斜24。,带帽点柱在工作面的排列方式有矩形布置与三角形布置两种。 带帽点柱支护一般在直接顶比较完整时使用。现很少用。,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.4 单体支架支护方法分析,85, 单体支架布置方式：,图5-36,（2）棚子支护 使用顶量。一般棚子由一梁二柱组成。为了保证直接顶不发生冒顶，在破碎顶板条件下，棚子的梁与梁之间还加木背板、竹笆或荆笆等护顶措施。 直接顶中等稳定或比较破碎时采用棚子支护。,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.4 单体支架支护方法分析,86, 单体支架布置方式：,图5-37,（2）棚子支护,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.4 单体支架支护方法分析,87, 单体支架布置方式：,图5-38,（3）机组工作面单体支架布置,金属铰接顶梁结构：如图5-38。,1接头2梁体3耳子4销子5调角楔L中心距,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.4 单体支架支护方法分析,88, 单体支架布置方式：,图5-39,（3）机组工作面单体支架布置,悬梁与支柱关系：支柱与铰接顶梁组合成悬梁支架，分正悬臂式和倒悬臂式两种。,a正悬臂式：机道有悬臂支护，安全；采空侧伸出短，不易折断。,b倒悬臂式：采空侧伸出长，不易被矸石埋住，回柱较安全。,5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.4 单体支架支护方法分析,89, 单体支架布置方式：,（3）机组工作面单体支架布置,支架的布置方式：齐梁式支护、错梁式支护。,图5-41 错梁式支护,图5-40 齐梁式支护,90,5.3 采场支架与围岩相互作用原理5.3.1 支架与围岩相互作用, 支架与围岩相互作用体系：,理想状态是：支架既能维护住顶板，又支撑力最小。 从工作面推进方向看，采场上覆岩层中临近煤层形成的结构是由“煤壁回采工作面支架采空区已冒落矸石”支撑体系所支撑。 从垂直方向看，支架与围岩相互作用体系由“老顶直接顶支架底板”组成。在放顶煤工作面，直接顶还包括顶煤在内。 支架与围岩关系的实质就是要分析支架性能、结构对支架受力及围岩运动的影响，以及在个种围岩状态下支架呈现什么反映，从中分析支架应具有的最合理结构及参数。,91,5.3 采场支架与围岩相互作用原理5.3.1 支架与围岩相互作用, 支架与围岩相互作用特点：,（1）支架与围岩是相互作用的一对力。一般可把围岩形成的顶板压力看作是作用力，支架可视为反力，两者要相互适应，使其大小相等，尽可能作用在一个作用点上。（2）支架受力的大小及其在回采工作面分布的规律与支架性能、围岩性质形成的总特性有关。（3）支架结构及尺寸对顶板压力，顶板稳定状况产生明显影响。,92,5.3 采场支架与围岩相互作用原理5.3.1 支架与围岩相互作用, 支架工作阻力与顶板下沉量的关系：,支架工作阻力与顶板下沉量呈近似双曲线关系；在支架较小工作阻力范围内，支架工作阻力增加对顶板影响极大；而当支架达到一定工作阻力以上，支架工作阻力增加对顶板下沉量影响很小。支架不能改变覆岩总体活动规律。,不稳定区,稳定区,93,5.3 采场支架与围岩相互作用原理5.3.1 支架与围岩相互作用, 支架工作阻力与顶板下沉量的关系：,94,5.3 采场支架与围岩相互作用原理5.3.1 支架与围岩相互作用, 支架与端面破碎度的关系：,梁端距与端面破碎度的关系,1单体支柱面2BZZC支架面3WA1.7支架面4X型支架面,95,5.3 采场支架与围岩相互作用原理5.3.1 支架与围岩相互作用, 支架与端面破碎度的关系：, 支护强度与端面破碎度的关系,96,5.3 采场支架与围岩相互作用原理5.3.1 支架与围岩相互作用, 支架与端面破碎度的关系：, 推进速度与端面破碎度的关系,97,5.3 采场支架与围岩相互作用原理5.3.2 采场支架的工作状态, 支架与围岩体系的刚度模型：,图5-44 支架与围岩刚度模型,近似刚性体, 支架刚度：Ks=Nkcos 直接顶刚度Kr：似刚性、似零刚度、中间刚度？！ 底板刚度Kf：,支架与围岩系统刚度：,支护系统刚度指单位顶底板移近量所对应的支护阻力增加量。,98,5.3 采场支架与围岩相互作用原理5.3.2 采场支架的工作状态, 采场支架的工作状态：,图5-45, 当ss/s80%时，即n4，系统变形主要由支架的变形决定，因此，可视直接顶为似刚性体，支架处“给定变形”工作状态。 当ss/s20%时，即n0.25，系统变形主要由直接顶的变形决定，可视直接顶刚度为零，支架处“给定载荷”工作状态。 当20%ss/s80%时，即0.25n4，系统变形取决于直接顶与支架的共同变形。,99,5.4 综采工作面顶板控制设计, 什么是综采工作面？,综采工作面（也叫综合机械化采煤工作面）指的是采用综采工艺方式采煤的工作面，即是用机械化破煤、装煤、运煤，液压支架支护的采煤工艺系统。 综采是采煤现代化的主要标志。 综采工作面主要设备有：采煤机、液压支架和可弯曲刮板输送机。为综采工作面配套使用的，布置在工作面平巷内的主要设备有：桥式转载机、可伸缩胶带输送机、可移动变电站、泵站及电气设备等。,100,5.4 综采工作面顶板控制设计, 综采工作面顶板控制设计主要内容, 选择设计液压支架的架型和主要参数（支架最大高度、最小高度；支架中心距；支护强度；初撑力；额定工作阻力；底座对底板比压；端面距等）。 我国煤炭行业液压支架设计规范（MT/T556-1996）对端面距规定：大采高支架350480mm。中厚煤层支架280400mm。薄煤层支架200350mm。有四连杆支架梁端水平位移量在支架使用高度范围应小于80mm。 分析支架在煤层特殊赋存条件下的适应性； 制订工作面处于特殊地点时期的辅助控顶技术措施。,101,5.4 综合机械化采煤工作面顶板控制设计5.4.1 液压支架选型, 工作面对液压支架的基本要求：, 有效地控制顶底板：适应顶板下沉、来压及冒落的特性；防止支架前方与上方冒顶；不应陷底而影响性能和移架。 保证安全的工作空间：宽敞工作空间（主行人通道宽0.5 m）；防挡矸；良好的通风、照明、通讯、防尘、防火。 适应煤层地质条件的变化：足够调高范围；适应不平顶底板、台阶和断层条件；适应煤层倾角变化。 保证生产正常循环：保证正常移架、推溜；与采煤、运输等工艺准确配合；运输、安装、搬家方便；便于检修。 投资省：初期投资低，维修费用少。,102,5.4 综合机械化采煤工作面顶板控制设计5.4.1 液压支架选型, 液压支架选型顺序：,103,5.4 综合机械化采煤工作面顶板控制设计5.4.1 液压支架选型, 液压支架选型设计的分析比较法：,根据矿山地质条件分析，提出可选择的支架架型及各部件的数个方案，通过比较，决定采取某类架型及其参数。 支架选型基本原则：（1）主要根据直接顶、老顶的厚度、物理力学性质、层理裂隙发育状况及类级，结合采高、开采方法等因素选择支架型式，确定支架额定工作阻力、初撑力、几何形状、立柱数量及位置、移架方式、顶板覆盖率。,104,5.4 综合机械化采煤工作面顶板控制设计5.4.1 液压支架选型, 支护设备选型与围岩可控程度,依据缓倾斜煤层工作面顶板分类（MT554-1996）