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采场顶板支护方法
第五章采场顶板支护方法
第一节顶板分类与底板特征
一、对直接顶的分析
直接顶的完整程度取决于两个因素:
一个是岩层本身的力学性质,另一个是直接顶岩层内由各种原因造成的层理和裂隙的发育情况。
以直接顶的初次垮落步距L0作为直接顶分类的工程指标,并将初次垮落步距L0≥16~20m的顶板称为稳定顶板,把L0≤8m的顶板称为不稳定顶板,对L0=9~15m之间的顶板则称为中等稳定顶版。
西德埃森采矿研究中心提出。
端面破碎度是指支架前粱端部到煤壁间顶板破碎的程度,即破碎度以
%表示。
式中FA为破碎的面积,F为整个梁端到工作面煤壁的面积。
但一般冒高超过5~10cm的面积才计入破碎面积。
根据西德鲁尔区的大量测定,可将该区的顶板分为三大类:
一类为E=0~10%;二类为E=11%~30%,。
三类为E>30%。
对于第三类,则无论从支架设计及生产管理上均应使端面距尽可能地小,以防止顶板冒落。
这三类端面距与顶板破碎度的关系如图5-1所示。
图5-1端面距与顶板破碎度的关系
二、对基本顶的分析
在基本顶原分类中引入了直接顶厚度hi与煤层采高hm的比值N,N=hi/hm。
分类认为:
Ⅰ.N>5,这时基本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的顶板。
Ⅱ.2 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±0.34 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 基本指标 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 Ⅰ <3.0 <0.035 <0.20 <7.22 充填砂、泥岩、软煤 松软 Ⅱ 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 Ⅳ 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
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