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1、5.1 顶板分类与底板特征5.5.1 采场矿山压力控制的概念为了保证回采工作面的正常生产和人员安全，必须对工作面矿山压力加以控制。控制回采工作面的矿山压力显现主要是控制老顶的活动规律，工作面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。采空区处理的具体措施则对老顶的活动有着明显的影响。 采空区处理采场矿山压力控制工作面支护对于全部冒落法处理采空区： “ 煤壁支架采空区已冒落的矸石 ”构成对采场上覆岩层的支撑体系。 一定的条件下，上述支撑体系的支撑性能将主要取决于支架的支撑特性，即主要取决于支架的支撑力与支架可缩量的关系特征。 而采场支架并不是孤立存在的，而是处在一个
2、由围岩组成的系统中：“老顶直接顶支架底板”。由于采场支撑体系（小结构）必须与开采后形成的上覆岩层大结构相适应，采场支架必须具备下列两个特性：必须具备一定的可缩量；必须具备一定的支撑性能,即一定的支撑阻力。 采场围岩：直接顶、老顶、直接底岩层。这三者对采场矿压显现及支护方式的选择有着显著的影响。因而需对三者加以分类。5.1.2 对直接顶的分类直接顶是支架直接维护的对象，支架通过它对老顶进行控制。直接顶的完整程度直接影响工作面安全和支护方式的选择。 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。 岩层的力学性质：抗拉、抗压强
3、度，弹模等 结合我国的实际情况，曾将直接顶按稳定性分为三种状态。 一是破碎的顶板，如页岩、再生顶板及煤层顶板等。这种顶板，回采时若护顶不及时，很易造成局部冒顶。 其次是中等稳定顶板，如砂页岩或粉砂岩等，虽由于受到一系列裂隙所切割，但局部尚较完整，因而仍属于中等稳定型。 还有一种是完整顶板，这种顶板允许悬露面积大，稳定性好，不易发生局部冒顶。如砂岩或坚硬的砂页岩等。 岩层内节理裂隙的发育情况：原生裂隙：岩层在形成过程中由于温度、矿物结晶及沉积的作用而形成的弱面，从一定意义上讲，层与层之间的层面也应属于这一类。 构造裂隙：岩层形成后，经剧烈的地质变动，例如在挤压、扭曲等过程中形成的弱面。这种弱面有
4、些是贯穿于整个岩层群的大小断层面，以及伴随此断层的各种小型破坏面。 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。直接顶的分类： 以直接顶的初次垮落步距L0作为分类指标，分为4类。1类 L08m 不稳定顶板2类8mL018m中等稳定顶板3类18mL028m 稳定顶板4类28mL050m非常稳定顶板 以直接顶端面破碎度E作为分类指标，分为3类。 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510 cm的面积才计入破碎面积。当端面距为1m时的端面破碎度称为顶板冒落灵敏度。1类 E 30%不稳定顶板2类 11% E 30%
5、中等稳定顶板 3类 E 35, 来压不明显(图5-3(a).级 0.3N35, L=25 50m 来压明显(图5-3(b).级 0.3 50m 来压强烈 N0.3 , L=2550m (图5-3(c).级 N0.3 , L 50m 来压极强烈(图5-3(d).级 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(图5-3(e)。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。 (2) 老顶分级方案及其指标老顶的分级指标是老顶初次来压当量pe，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按（5-1）式确定。老顶分级指标见表5-
6、2。 Pe=241.3ln(L0)-15.5N+52.hm式中， Pe- 老顶初次来压当量； L0- 老顶初次来压步距； N 直接顶充填系数，N= hi/hm 。 hi-直接顶厚度，m； hm-煤层采高，m。 按老顶初次来压当量将老顶分为如表5-2的4级。5.1.4 底板特征与分类采场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架性能的发挥。 若底板太软（刚度太小），支架会钻底，从而影响对顶板的控制。底板比压：支架底座对单位面积底板上所造成的压力。极限底板比压：支架钻底时所允许的最大底板比压。支柱钻底的破坏形式有以下三种： 整体剪切的特征是，当载荷达到某一定值后，
7、突然下降，压入深度迅速增大，此突破点称为底板的极限抗压入强度。 局部剪切的特征是，没有明显的突破点，但随载荷的增加，压入深度的变形率增长较快。 其他剪切的破坏形式介于前两者之间，有突破点，但不明显，载荷超过突破点后压入深度明显增大。整体剪切 局部剪切 其它剪切按极限底板比压将底板分为5类、可根据此表选择支柱应具有的底面积5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.1 概述根据支柱与顶梁的配合关系，将采场支架分为两大类。单体支柱：支柱与顶梁是分开的。液压支架：顶梁、支柱、底座联合为一个整体。金属顶梁是刚性结构件。支柱则常由两节(即活柱和底柱)组成。它们之间的伸缩关系形成了支柱的可缩性。因此，支架的
8、特性主要是由支柱的特性来决定的。 液压支架其力学特性不仅决定于液压支柱的力学特性，还取决于其结构，可形成不同的力学特性。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。 P0 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。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。 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
9、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5-5所示。图55 支柱的几种典型特性曲线(P-s曲线)(a) 急增阻式；(b) 微增阻式；(c) 恒阻式 P0-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P0，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5-5(a)。 微增阻式：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
10、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5-5(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5-5(c)。液压支柱是典型的恒阻性能支柱。 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。 我国煤矿长壁工作面支护方式木支柱单体金属摩擦支柱（急增阻和微增阻）单体液压支柱（恒阻式）液压自移支架(由液压支柱和顶梁、底座、移架千斤顶组合而成)。 5.2.2 单体液压支柱的结构与特性按注液方式分为 内注式和外注式单体支架
11、的优点：轻便、价格便宜，适用性强缺点：支设、回柱劳动强度大，稳 定性差；支回柱跟不上采煤.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。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。 外注式液压支柱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，它的性能优劣直接影响着支柱的工作特性。 （图5-8/5-9）外注式和内注式液压支柱使用特点： (1) 外注式液压支柱需要配备液压泵和
12、管路系统，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，泵的流量比内注式液压支柱的手摇泵要大得多，所以支设速度较快。 在一些薄煤层或人行走比较困难的工作面，来回拉注液枪有困难时，宜使用内注式液压支柱。在缓斜和倾斜中厚煤层工作面中，则宜使用外注式液压支柱。 5.2.3 液压支架的分类 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5-8所示。图5-8 液压支架支柱工作原理 -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-
13、单向阀；6-主回油路；7-主进油路；8-操纵阀从支架结构及其支撑特点出发，我国将液压支架分为三类： 支撑式。指在结构上没有掩护梁，对顶板的作用是支撑的支架称为支撑式支架。 掩护式。指在结构上有掩护梁，单排立柱连接掩护梁或直接支撑顶梁对顶板起支撑作用的支 支撑掩护式。指具有双排或多排立柱及掩护梁结构的支架，支柱大部或全部通过顶梁对顶板起支撑作用，可能有部分支柱是通过掩护梁对顶板起作用。另外，将对顶板仅起掩护作用的液压支架称为纯掩护式液压支架。图5-9 各类液压支架的基本结构(1) 支撑式：结构上没有掩护梁(2) 掩护式：结构上有掩护梁，支柱在掩护梁上(3) 支撑掩护式：结构上有掩护梁，支柱在顶梁上，有时在顶梁和掩护梁上都有支柱。5.2.4 液压支架支护方式分析（1）支撑式液压支架支护方式分析（图5-12）支撑式液压支架支撑力的分布，与有排柱放顶的单体支架工作
