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1、Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 回采工作面顶板控制设计 5.1 回采工作面支架与围岩关系 5.1.1 支架对顶板的工作状态 （1）支架对直接顶的工作状态“给定载荷”方案 在顶板岩层沉降过程中，支架对直接顶的工作状态按“给定载荷”考虑是接 近实际的。无论顶板沉降到什么位置，直接顶给支架的作用力可以近似地看 成是恒定的。 （5.1） （2）支架对基本顶的工作状态“给定变形”和“限定变形” “给定变形”工作方案 在岩梁由端部断裂到沉降至最终位态的整个运动过程中，支架只能在一定范 围内降低岩梁运动速度，但不能对岩梁的运动起到阻止
2、作用。 Date1 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 回采工作面顶板控制设计 岩梁运动全过程中支架作用力与顶板压力之间的关系 或 岩梁运动至最终状态时的 顶板下沉量： Date2 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 回采工作面顶板控制设计 为防止支架在岩梁运动过程中被压死，最大允许缩量须满足： “限定变形”工作方案 采场支架对岩梁运动采取“限定变形”，是指采场支架对岩梁运动进行必要 的限制。在支架阻力的作用下，岩梁不能沉降至最低位态。岩梁进入稳定时的 位
3、态（岩梁运动稳定时采场顶板下沉量）由采场支架的阻抗力所限定。 Date3 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 回采工作面顶板控制设计 5.1.2 支架围岩的一般关系 合理的支护强度应该能杜绝下列顶板事故：剪切冒落、滑动冒落、冲击冒 落；应该尽可能抑制下列顶板压力显现：台阶下沉、破碎、离层、大悬顶、 冲击载荷。 位态方程 图5.2 支架围岩的双曲线关系 Date4 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 回采工作面顶板控制设计 支围关系图 Date5 Groun
4、d Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 回采工作面顶板控制设计 5.1.3 采场支护的原理 （1）对直接顶“支”与“护”两重性 （2）对基本顶控制状态的选择 “给定变形”、“限定变形”。 支架要有足够的支撑能力，在采场支护住直接顶，使其不垮落；同时， 由于直接顶比较破碎，支架还必须能够护住顶板，使破碎岩块不能进入工作 面。 Date6 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 回采工作面顶板控制设计 5.2 合理支护强度的确定 5.2.1 直接顶初次垮落期间 （1）支的准则：
5、保证直接顶安全切落。 （3）支护强度： （2）力学保证条件：支架至少能承担起直接顶初次垮落步距一半的重力。 Date7 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 回采工作面顶板控制设计 5.2.2 基本顶初次来压期间 （1）支的准则 防止直接顶向采空区推垮； 让基本顶缓慢沉降到要求的位态（防止冲击）； 保证支架不被压死； 对可能发生剪切的采场，应采取特殊的处理方法，并进行采场来压预报。 （2）力学保证条件 增加支柱初撑力和工作阻力，使直接顶和基本顶紧贴（加大泵压，穿鞋 或用大吨位升柱器等措施）； 支架能在不被压死的情况下，承担起基
6、本顶的部分作用力和全部直接顶 的作用力。 Date8 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 回采工作面顶板控制设计 支护强度 （5.9） Date9 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 回采工作面顶板控制设计 N1时，表明直接顶很薄，坚硬基本顶来压猛烈，支架必须承担初次来压步 距内1/4的岩重。如基本支护达不到要求，则采取特种支护或其它措施。 1N2.5时，表明采空区充填一般，顶板下沉量和来压强度随N的增加而 线性减小，需承担的基本顶作用力也越来越小。 2.
7、55时，表明垮落直接顶与基本顶接实，支架可完全不考虑基本顶的作用力。 Date10 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 回采工作面顶板控制设计 直接顶作用力A 当悬顶距较大时，自身有一定支承能力，其作用力无须支架全部承担， 悬顶断裂后，在沉降过程中，根据静力平衡，支架必须承受悬顶的全部重力（ 不考虑力矩的作用）。 当悬顶距较小时，悬顶与采空区已垮矸石很难接触以传递直接顶的重力 ，所以，应按力矩平衡来求A。 Date11 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系
8、回采工作面顶板控制设计 长悬顶触矸后，直接顶给支架的作用力： 5.2.3 正常推进阶段 图5.4 类拱在煤壁处的切落位置 类拱结构采场，防止类拱在煤壁处切落（沿图5.4中AB、CD线）； 梁式结构采场防止基本顶来压时出现大的台阶下沉和冲击； 多岩层结构采场防止上位岩梁对下位岩梁的冲击； 防止支架压死。 Date12 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 回采工作面顶板控制设计 类拱结构采场保证支架能支撑直接顶和悬垮度一半的重量； 支架在“给定变形”状态工作时，必须能支撑直接顶并能承担部分基本顶 的作用力，以减缓基本顶的来压速度
9、； （3）支护强度： 类拱结构 “给定变形” 力学保证条件： Date13 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 回采工作面顶板控制设计 “限定变形” 多岩梁结构 Date14 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 回采工作面顶板控制设计 5.3 支架工作特性及实际支撑能力的确定 Date15 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 回采工作面顶板控制设计 在进行顶板控制设计时，必须考虑各种因素
10、对支架实际支撑能力的影响： （a）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支撑力。最初形成的主动支撑力称为支柱的初 撑力。对于液压支柱，是泵压所形成的支柱对顶板的撑力。 （b）始动力。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。也称为支柱的阻力。 （c）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。 （d）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。 Date16 Ground Pressure and Str
11、ata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 回采工作面顶板控制设计 单体支架由顶梁和支柱组成。它的工作特性主要取决于单体支柱的工 作特性和辅助结构的压缩特性。 （1）单体支柱 木支柱 木材是一种各向异性体，木材纵向（平行于木材 的纤维方向）加压时，其承载能力要比横向（垂直 于木材的纤维方向）加压时大，但可缩量小得多。 图5.6 木支柱特性曲线 1-支柱直接架设在顶板上；2支柱带有8cm厚可缩垫木 Date17 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 回采工作面顶板控制设计 金属摩擦支柱 广泛使用的金属摩擦支柱有急
12、增阻式和微增阻式两种。 图5.7 HZWA型金属支柱结构 Date18 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 回采工作面顶板控制设计 单体液压支柱 按注油（液）方式分为内注式和 外注式两种。 图5.9 内注式图5.10 外注式 内注式液压支柱工作液存在支 柱体内，通过摇动手把操纵支柱 内的液压泵，把工作液从低压腔 压入高压腔升起支柱。 外注式液压支柱的工作液 是从外部供给的。 Date19 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 回采工作面顶板控制设计 图5.1
13、2 单体液压支柱工作特性曲线 Date20 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 回采工作面顶板控制设计 （2）液压支架 综采支架 （a）支撑式液压支架 结构上没有掩护梁，对顶板的作用是以垂直支撑为 主的支架。 支架具有较大的支撑能力，靠立柱和顶梁直接支 撑顶板，维护工作空间，顶板在顶梁后部切断垮落。 支撑力集中在顶梁的后部，而在煤壁附近无立柱支护 区由支撑力较弱的前探梁维护。 图5.13 不同架型顶梁上载荷分布 a、b垛式；c、d支撑掩护式；e掩护支撑式；f纯掩护式 一般适用于支撑稳定和坚硬的顶板。按支架结 构与动作方式的不
14、同，支撑式又可分为垛式（六柱 和四柱两种）和节式两种。 Date21 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 回采工作面顶板控制设计 图5.14 BZZZC型垛式液压支架 图5.15 节式支架 Date22 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 回采工作面顶板控制设计 （b）支撑掩护式 支架支撑部分作用力大于掩护部分，适合于在较稳定的顶板条件下使用。 图5.16 道梯4/550型支撑掩护式支架 Date23 Ground Pressure and Strata
15、Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 回采工作面顶板控制设计 （c）掩护式支架 支架顶梁较短，支撑能力较弱，主要靠掩护作用维护工作空间，适用于松 软顶板。 图5.17 G320-13/32型掩护式支架 Date24 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 回采工作面顶板控制设计 综采放顶煤支架 （a）单输送机高位放顶煤支架 （b）双输送机中位放顶煤支架 Date25 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 回采工作面顶板控制设计 （c）双输送机低位放
16、顶煤支架 适用于急斜特厚煤层和缓斜中硬煤层。 （d）“三软”煤层的放顶煤支架 目前解决“三软”煤层放顶煤的 支架架型主要应提高支架对围岩的 封闭能力，并适当增加顶梁长度， 以免梁上顶煤放空，一般采用四柱 长梁支撑掩护式放顶煤支架。 图5.21 ZFS 3600-16/28三软煤层放顶煤支架 （e）急斜特厚水平分段放顶煤支架 Date26 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 回采工作面顶板控制设计 5.3.3 支架的实际支撑能力 （1）单体支柱实际支撑能力 影响单体支柱支护能力的因素 （a）直接顶底板强度 顶底板承载能力 越高，越利于提高支柱实际支撑能力；底 板软，特别是当底板上有浮煤时，会引起 支柱钻底，使阻力上不去。 （b）辅助支护结构压缩 柱帽压缩致 使支柱工作阻力降低。 Date27 Ground Pressure and Strata Control *资源与环境工程学院-资源工程1系 回采工作面顶板控制设计 （c）支设质量 （
