3-4 液压支架选型

第四章顶板分类与液压支架选型第一节采煤工作面顶板组成及其分类一、顶板组成采场围岩包括煤层上方的直接顶、基本顶和煤层下方的直接底板。它们的机械性质和运动特征对工作面支护设备选型和支护参数选择至关重要。煤层采动后，因顶板出现变形、断裂和垮落，煤体被压松和发生片帮，支护设备的载荷增大和底板鼓起等原因引起的矿山压力显现。1-煤层2-直接顶3-基本顶随着采煤工作面从开切眼向前推进，采空区直接顶悬露面积逐渐增大，其下沉和变形也随之增大。当推进到初次垮落步距（从开切眼到工作面初次切顶线的距离）时，直接顶开始冒落，形成冒落带Ⅰ。直接顶冒落后，基本顶悬露出来。随着工作面向前推进，基本顶在矿压作用下不断产生裂隙和变形，形成裂隙带Ⅱ。当达到极限垮落步距时发生断裂和垮落，即基本顶初次来压。以后随着工作面推进，基本顶呈周期垮落。在弯曲下沉带Ⅲ中，裂隙很少，仅岩层间有离层现象，它对支护设备的载荷影响不大。Ⅰ-冒落带；Ⅱ-裂隙带；Ⅲ-弯曲下沉带第一节采煤工作面顶板组成及其分类二、顶底板稳定性特征及分类1．直接顶稳定性划分直接顶是工作面支架首要的支护对象。对直接顶的稳定性评价，是支架结构和支护参数选择的首要依据。影响顶板稳定性的主要因素：(1)组成顶板岩石的坚硬程度和脆性特征。用单轴抗压强度表征其坚硬程度，抗拉强度反映其脆性特征。(2)顶板岩层分层厚度和分层强度沿厚度的分布。涉及刚度较大的岩层(承载层)和刚度较小的岩层(随动层)的厚度及相对关系。(3)顶板岩体的完整程度。以节理弱面的发育程度来表征，包括分层厚度和节理特征(密度、方向、组数)。3个指标是反映直接顶稳定性的基本要素。从岩层控制需要出发，对直接顶的稳定性进行实用性分类。第一节采煤工作面顶板组成及其分类直接顶初次垮落步距是综合反映稳定性的指标。直接顶初次垮落步距(lz)与直接顶分层厚度、岩石单轴抗压强度、裂隙密度密切相关。直接顶稳定性分类指标项目1类(不稳定)2类(中等稳定)3类(稳定)4类(非常稳定)1a(极不稳定)1b(较不稳定)基本指标lz＜4m4m＜lz≤8m8m＜lz≤18m18m＜lz≤28m28m＜lz≤50m辅助指标第一节采煤工作面顶板组成及其分类2．基本顶矿压显现分级基本顶(原称老顶)指位于煤层直接顶之上，抗弯刚度较大，较难跨落的岩层或岩层组合，其运动特征对于综采工作面支架设计和选型意义重大。基本顶断裂对工作面压力显现的影响程度取决于：(1)基本顶初次或周期来压步距→基本顶厚度、抗拉或抗压强度及被裂隙弱化程度的综合反映。(2)直接顶垮落后的充填程度，用直接顶厚度与采高的比值表示。(3)采高，在直接顶厚度一定情况下，采高愈大，矿压显现愈强烈。第一节采煤工作面顶板组成及其分类引入基本顶分级界限DL，得到基本顶压力显现级别相应的当量值及地质技术条件。基本顶压力显现分级界限及相应的典型条件项目基本顶压力显现等级Ⅰ级(来压不明显)Ⅱ级(来压明显)Ⅲ级(来压强烈)Ⅳ级来压很强烈Ⅳa来压极强烈Ⅳb分级界限DL≤895895＜DL≤975975＜DL≤10751075＜DL≤1145DL≥1145典型条件区间M=1M=2M=3M=4N=1～23～4L0＜3737～41L0＜3030～34L0＜2424～27L0＜1919～22N=1～23～4L0=41～4747～54L0=34～3838～43L0=27～3131～35L0=22～2727～31N=1～23～4L0=54～7272～82L0=43～5858～66L0=35～4646～53L0=31～4141～47N=1～23～4L0=82～105105～120L0=66～8585～96L0=53～6868～78L0=47～5555～62N=1～2L0＞120L0＞96L0＞78L0＞62注：L0——基本顶初次来压步距，m；N——直接顶充填系数，为直接顶厚度与采高的比值；M——煤层开采厚度，m第一节采煤工作面顶板组成及其分类长壁工作面的开采边界条件，如周围未采、一侧采空、两侧采空等因素对围岩应力及基本顶断裂步距有一定的影响，特别是当基本顶初次来压步距超过工作面长度1/2时，影响显著——进行基本顶初次来压步距等效值计算。3．采煤工作面底板分类对综采工作面围岩控制有重要影响的是直接底板对支架的抗压入特性。底板抗压入特性分脆性、塑脆性和塑性类型。每种类型分增阻型和降阻型两类，共同特点是在支架未压入底板前，底板具有线弹性特征，具有不同的抗压缩刚度；支架或支柱压入底板后抗压缩刚度显著降低，顶板下沉显著增大。第一节采煤工作面顶板组成及其分类底板类别基本指标辅助指标参考指标名称代号容许比压pp(MPa)容许刚度Sp(MPa/mm)容许单向抗压强度Rp(MPa)极软松软较软ⅠⅡⅢaⅢbpp＜3.03.0＜pp≤6.06.0＜pp≤1010＜pp≤16Sp≤0.100.10＜Sp≤0.380.38＜Sp≤0.750.75＜Sp≤1.32Rp≤8.58.5＜Rp≤13.213.2＜Rp≤19.619.6＜Rp≤29.1中硬坚硬ⅣⅤ16＜pp≤32pp＞321.32＜Sp≤2.82Sp＞2.8229.1＜Rp≤54.6Rp＞54.6底板分类基本原则：根据实测的底板容许极限载荷作为基本指标、底板抗压入刚度作为辅助指标对工作面底板进行分类，依此作为支架选型和围岩可控性分类的基本依据，避免支架或支柱在相应类别工作面出现压入底板。采煤工作面底板分类标准第一节采煤工作面顶板组成及其分类第二节液压支架架型选择在液压支架与围岩力学相互作用研究的基础上，综合分析不同地质条件下支护阻力确定的理论研究成果并分析不同支架的结构力学特征，为支架选型提供依据。国内外在中厚煤层液压支架选型与合理参数确定方面进行了许多研究，在《缓倾斜煤层顶板分类》标准中推荐了液压支架的选型标准。但对于厚煤层、特厚煤层一次采全高工作面液压支架合理参数的确定还没有相应的理论和方法。岩层移动规律和支架-围岩关系研究是进行支护理论研究和液压支架选型设计的基础。一、围岩可控性分组根据直接顶类别、基本顶压力显现级别和底板抗压入特性类别的不同组合，回采工作面围岩的控制难易程度分3组：难控围岩、较难控围岩和易控围岩——液压支架结构选型和制定相应的岩层控制措施。围岩可控性分组项目难控围岩较难控围岩易控围岩G11G12G2G3直接顶类别基本顶级别底板类别3，4Ⅳa，ⅣbⅢ，Ⅳ，Ⅴ1a，1bⅠ，Ⅱ，ⅢⅠ，Ⅱ2Ⅱ，ⅢⅠ，Ⅱ2，3Ⅰ，ⅡⅢ，Ⅳ，Ⅴ第二节液压支架架型选择围岩可控性分组项目难控围岩较难控围岩易控围岩G11G12G2G3直接顶类别基本顶级别底板类别3，4Ⅳa，ⅣbⅢ，Ⅳ，Ⅴ1a，1bⅠ，Ⅱ，ⅢⅠ，Ⅱ2Ⅱ，ⅢⅠ，Ⅱ2，3Ⅰ，ⅡⅢ，Ⅳ，ⅤG11为基本顶来压非常强烈，直接顶中等稳定以上，底板中硬以上的围岩组合；G12为直接顶不稳定和直接底为松软及较松软，基本顶来压等级为不明显至强烈的组合；G2为底板松软，直接顶和基本顶处于中间状态的组合；G3为顶、底板均处于中间状态，易于控制的围岩组合。上述组合类别是支架架型选择的重要依据。第二节液压支架架型选择二、液压支架架型选择支架架型选择一般要根据给定的顶、底板条件，考虑不同架型和结构的支架—围岩力学相互作用、支撑力、底板比压等特点，对掩护式和支撑掩护式液压支架进行比较。1．液压支架的力学特征第二节液压支架架型选择液压支架力学特征支架型式结构特征主要力学特征对围岩适应性评价掩护式支掩式支顶式二柱支掩掩护式二柱支顶掩护式支架承载力较小，底板比压均匀，主动水平力较大支架承载力大，稳定性好，底座尖端比压较大，对顶板的主动水平力大，前端支撑力大基本顶I、Ⅱ级岩层组合适应直接顶1、2、3类，基本顶I、Ⅱ、Ⅲ级，底板Ⅱ类以上。I类底板需限制支架对底板尖端比压支撑掩护式支顶支掩支顶式四柱支顶支掩式四柱X型四柱支撑掩护式稳定性好，抗水平力强，比压均匀，但支撑能力利用率低顶梁合力调节范围大，伸缩比大，承载力高承载力大，切顶能力强，比压较均匀主要适应2、3类直接顶，Ⅱ、Ⅲ级基本顶主要适于薄煤层主要适于2、3、4类直接顶，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级基本顶，底板类别不限第二节液压支架架型选择2．支架选型要素要素掩护式支撑掩护式支撑式插底掩护式一般掩护式支架围岩适应性直接顶冒落倾向基本顶周期来压底板压入倾向防煤壁片帮通风断面顶梁前端支撑力顶梁后端切顶力顶板覆盖率隔绝采空区能力横向稳定性对采高适应性支撑效率支护强度对倾角适应性优良差良良差优良差良优良差良优优优优良优良优差良良良良优良优优良优良优优优优优优优良差优优差优差优差差差良优优良第二节液压支架架型选择3．液压支架选型建议具体条件下的液压支架选型，必须考虑直接顶类型、基本顶级别、底板类型。对典型围岩结构组合，MT554-1996《采煤工作面顶板分类》附件中提出了液压支架选型建议。直接顶类别基本顶来压级别底板类别液压支架121234ⅠⅡⅠ、ⅡⅢⅠ、Ⅱ、ⅢⅡ、ⅢⅣⅠ、ⅡⅠ、ⅡⅠ、ⅡⅠ、ⅡⅠ、ⅡⅢ、ⅣⅢ、Ⅳ支掩掩护式轻型支顶掩护式支顶掩护式支掩掩护式支顶掩护式支掩掩护式支顶掩护式支撑掩护式支撑掩护式支顶掩护式支撑掩护式支顶掩护式强力支撑掩护式(短顶梁，大流量安全阀)第二节液压支架架型选择根据使用经验，在综采工作面支架选型时，注意：(1)不稳定和中等稳定顶板优先选用掩护式支架。在底板极松软条件下，严格验算并限制支架底座尖端比压，不得超过底板容许比压即极限载荷强度→避免使用重型支架(2)非常稳定和稳定的难垮落顶板和周期来压强烈和十分强烈的顶板，优先考虑选取支撑掩护式支架。(3)顶板不平，四柱式支架中总有一根支柱对顶板的实际支撑力很低→掩护式支架支撑能力利用率高于四柱式(二柱式支架对顶板的实际支撑力高于同样名义额定阻力的四柱式支架，特别是对机道上方顶板的支护强度)。(4)不稳定顶板条件下使用四柱式支架注意对机道上方的顶板控制，包括增加前柱阻力及可伸缩前梁等。第二节液压支架架型选择一、支架高度首先确定支架适用煤层的平均采高，然后确定支架高度。支架最大结构高度1maxmaxSMH支架最小结构高度2minminSMHMmax、Mmin为煤层最大、最小截高，mm；S1考虑伪顶冒落的最大厚度。大采高支架取200～400mm，中厚煤层支架取200～300mm，薄煤层支架取100～200mm；S2考虑周期来压时的下沉量、移架时支架的下降量和顶梁上、底板下的浮矸之和。大采高支架取500～900mm，中厚煤层支架取300～400mm，薄煤层支架取150～250mm。第三节液压支架参数确定支架调高范围：——支架的最大结构高度与最小结构高度之差。调高范围越大，支架适用范围越广，但过大调高范围给支架结构设计造成困难，可靠性降低。支架最大结构高度和最小结构高度取值应符合规定。支架伸缩比：支架的最大结构高度与最小结构高度之比。minmax/HHKs第三节液压支架参数确定二、支护强度和工作阻力支护强度：——支架有效工作阻力与支护面积之比。顶板所需支护强度取决于顶板等级和煤层厚度。制订不同顶板等级的支护强度标准，支护强度按规定选用或按经验公式估算MPa105KMqK——作用于支架上的顶板岩石厚度系数，一般取5～8；M——截高，m；ρ——岩石密度，一般取2.5×103kg/m3第三节液压支架参数确定支架支撑顶板的有效工作阻力kN103qFQF——支架的支护面积，m22m))((KBCLFL——支架顶梁长度，m；C——梁端距，m；B——支架顶梁宽度，m；K——架间距，mCLBKA第三节液压支架参数确定支撑效率：——有效工作阻力与支架工作阻力之比值。支撑式支架支撑效率为100%；掩护式和支撑掩护式支架顶梁与掩护梁铰接，立柱斜撑，支撑效率小于1，初选支架时可取80%左右。三、中心距和宽度支架中心距一般等于工作面一节中部槽长度。目前液压支架中心距大部分采用1.5m，高端液压支架采用1.75m，7m采高液压支架中心距为2.05m，轻型支架为适应中小煤矿工作面快速搬家的要求，中心距可采用1.25m。第三节液压支架参数确定支架宽度：——顶梁的最小和最大宽度。宽度的确定应考虑支架的运输、安装和调架要求