第五章 采场顶板支护方法

1、1矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制2第五章第五章 采场顶板支护方法采场顶板支护方法3第一节第一节 顶板分类与底板特征顶板分类与底板特征 回采空间是地下移动工作空间，控制矿山压力是为回采空间是地下移动工作空间，控制矿山压力是为了保证正常生产和人员安全。了保证正常生产和人员安全。 控制采场矿山压力：控制采场矿山压力：掌握老顶活动规律（主要手段）掌握老顶活动规律（主要手段）工作面支护（基本手段）工作面支护（基本手段） 矿山压力显现取决于：矿山压力显现取决于：采场围岩性质（老顶、直接顶、直接底）采场围岩性质（老顶、直接顶、直接底）开采条件（开采顺序、工作面布置和采空区开采条件（开采顺序、工作面布置

2、和采空区处理方法及支护措施）处理方法及支护措施）4传递控制传递控制基本手段基本手段工作面纵向分析：工作面纵向分析：老顶老顶支架支架直接顶直接顶控制控制显现显现控制关键控制关键来压来压传递来压传递来压控制控制完整性很重要完整性很重要5煤壁煤壁采空区采空区支架支架刚性支撑刚性支撑支撑力支撑力可缩性可缩性处理方法对老顶的活处理方法对老顶的活动有明显影响。垮落动有明显影响。垮落岩石可缩性大岩石可缩性大定量描述定量描述: :工作阻力工作阻力- -可缩量关系曲线可缩量关系曲线P P-s s工作面横向分析：工作面横向分析： 由于回采工作面支架是在直接底上，所以直接底由于回采工作面支架是在直接底上，所以直接底

3、特性对支架性能的发挥影响很大。特性对支架性能的发挥影响很大。 所以控制矿压就是协调支护所以控制矿压就是协调支护围岩的关系，其前围岩的关系，其前提是做到知己知彼，即了解围岩特性和支护手段的特提是做到知己知彼，即了解围岩特性和支护手段的特性。性。61. 1. 对直接顶的分析对直接顶的分析 （1）直接顶，采场支护直接对象，其完整程度不仅直接影响）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。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）直接顶的完整程度

4、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。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）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，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。常与煤层面夹角作用而形成。常与煤层面夹角60 90 。7 （4 4）直接顶冒空将使支架顶梁与顶板的接顶情）直接顶冒空将使支架顶梁与顶板的接顶情况恶化，

5、导致无法利用支架的工作阻力通过直接顶防况恶化，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。而损坏，还可能由此造成的一系列影响生产的事故。 8 （5 5）构造裂隙可以造成有规则的倾斜于煤壁或采）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，常常容易造工作面推

6、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。成工作面较大压力。9初次垮落步距初次垮落步距L0：直接顶首次出现垮落高度超过：直接顶首次出现垮落高度超过11.5m，垮落范围超过全工作面长度一半时工作面的，垮落范围超过全工作面长度一半时工作面的推进长度。推进长度。以此分为三类：以此分为三类：（6 6）定量分析）定量分析10%100FFEA图图5-3 顶板端面破碎度的计算示意图顶板端面破碎度的计算示意图 端面破碎度：指支架前梁端部到煤壁间顶板出现冒端面破碎度：指支架前梁端部到煤壁间顶板出现冒落高度超过落高度超过50100mm所占的面积比例。所占的面积比例。 端面距为端面距为1m时的端面破碎

7、度称时的端面破碎度称“顶板冒落敏感度顶板冒落敏感度”或或“顶板破碎指数顶板破碎指数”，以，以E表示。表示。11图图5-4 5-4 端面距与顶板破碎度的关系端面距与顶板破碎度的关系 E30%，不稳定顶板，不稳定顶板端面距端面距122. 2. 对老顶的分析对老顶的分析 （1）老顶的失稳及其来压强度不仅对直接顶的稳定性有）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。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，）根据

8、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，破断后形成越大，破断后形成“结构结构”和呈现缓慢下沉式平衡的可能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。有学者将岩层厚度大于指标之一。有学者将岩层厚度大于2m

9、，单轴抗压强度大于，单轴抗压强度大于6080MPa的岩层称为老顶。的岩层称为老顶。13（3）老顶来压强度同直接顶厚度）老顶来压强度同直接顶厚度hi与煤层采高与煤层采高hm比值比值（N=hi/hm）的关系：）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，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，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。如图称为周期来压顶板。如图5-5b。III. N2，没有直接顶，老顶的悬露与垮落都对工作

10、面支架，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。如图有严重影响，称为周期来压严重顶板。如图5-5c。 14IV. 老顶特别坚硬，又无直接顶，常悬露上万平方米而不垮老顶特别坚硬，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。落，当其垮落时则形成暴风，造成事故，称为极坚硬顶板。如图如图5-5d。V. 能塑性弯曲的顶板。赋存在煤层之上的顶板，随着工作能塑性弯曲的顶板。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。如图面的推进能缓慢下沉，而后逐渐与煤层底板相接触。如图5-5e。 图图5-5 顶板岩

11、层典型柱状图实例顶板岩层典型柱状图实例153. 3. 顶板分类方案及其指标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；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煤炭工业部颁发了缓倾斜煤层采煤工作面顶板分类缓倾斜煤层采煤工作面顶板分类（MT554-1996MT554-1996）行业标准。）

12、行业标准。1617老顶（基本顶）分级指标老顶（基本顶）分级指标老顶分级老顶分级IIIIIIIV老顶来压显现老顶来压显现不明显不明显明显明显强烈强烈非常强烈非常强烈IVaIVb分级指标分级指标pe 895895pe 975975pe 107510751145 老顶的分级指标是老顶的分级指标是“老顶初次来压当量老顶初次来压当量pe ”，单位，单位kPa其值由老顶初次来压步距其值由老顶初次来压步距Lf、直接顶充填系数、直接顶充填系数N和和煤层采高煤层采高hm综合确定：综合确定：mfehNLp6 .525 .15)ln(3 .24118194. 4. 底板特征底板特征 （1）底板岩层在矿山压力控制中涉

13、及两类问题：）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。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，支护系统刚度是由发挥，支护系统刚度是由“底板底板支架支架顶板顶板”所组成。所组成。如单体支柱底面积只有如单体支柱底面积只有100cm2左右，在底板松软情况下，左右，在底板松软

14、情况下，易插入底板，从而影响对顶板的控制。易插入底板，从而影响对顶板的控制。20（2 2）判断底板类型，并进行分类的指标：）判断底板类型，并进行分类的指标：底板比压：底板比压：指支架底座对单位面积底板所造成的压力。（静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，其直径式底板比压仪，作用底板为压模，其直径 180mm180mm） 底板穿透度：底板穿透度：指平均单位冲击能所克服的冲击阻力值。（冲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）击式底板比压仪，作用底板为撞针）图图5-6 5-6 支柱对底板的破坏形式支柱对底板的破坏形式 a整体剪

15、切整体剪切b局部剪切局部剪切c其它剪切其它剪切d穿鞋破坏穿鞋破坏（3）支柱插底的破坏形式）支柱插底的破坏形式21采煤工作面底板分类标准采煤工作面底板分类标准底板类别底板类别基本指标基本指标辅助指标辅助指标参考指标参考指标一般岩性一般岩性名称名称代号代号容许比压容许比压qc/MPa容许刚度容许刚度Kc /MPa/mm容许穿透度容许穿透度 c/mm-1容许单轴抗压容许单轴抗压强度强度Rc/MPa极软极软I3.00.0350.20322.762.1641.79厚砂质页岩，厚砂质页岩，粉砂岩，砂粉砂岩，砂岩岩22第二节第二节 采场支架类型与支架力学特性采场支架类型与支架力学特性一、采场支架分类：一、采

16、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。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。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

17、的液压支架是由支柱、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、结构，它以液压为动力，实现支架支设、回撤、拉架、移溜机械化。移溜机械化。 23支柱的撑力与工作阻力：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，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。又称工作阻力。 常用的支柱的工作阻力与撑力：常用的支柱的工作阻力与撑力： （1 1）初撑力）初撑力P P0 0：支架支设时最初形成的主动力。：支架支设时最初形成的主动力。 （2 2）始动阻力）始

18、动阻力P P0 0：在顶板压力作用下，活柱开始下缩时的：在顶板压力作用下，活柱开始下缩时的工作阻力。工作阻力。 （3 3）初工作阻力）初工作阻力P P1 1：指在支架性能曲线中，活柱下缩时，：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。阻力。 （4 4）最大工作阻力）最大工作阻力P P2 2：支柱所能承受的最大负载能力，又：支柱所能承受的最大负载能力，又称额定工作阻力。称额定工作阻力。24支柱的典型工作特性：支柱的典型工作特性：图图5-7 典型支柱特性曲线（典型支柱特性曲线（P s曲线）曲线）a急

19、增阻式；急增阻式；b微增阻式；微增阻式；c恒增阻式。恒增阻式。典型急增阻式：典型急增阻式：HZJAHZJA型摩擦支柱型摩擦支柱典型微增阻式：典型微增阻式：HZWAHZWA型摩擦支柱型摩擦支柱典型恒阻式：典型恒阻式：液压支柱液压支柱/ /架架理想模式理想模式一般一般 s=67mm25 急增阻式支柱，适用于顶板稳定，下沉量较小的急增阻式支柱，适用于顶板稳定，下沉量较小的薄煤层工作面；薄煤层工作面； 微增阻式支柱，可用于顶板下沉量较大的工作面。微增阻式支柱，可用于顶板下沉量较大的工作面。急微26272829二、液压支柱的结构及特性二、液压支柱的结构及特性 液压支柱是典型的液压支柱是典型的恒阻性能恒阻

20、性能的支柱。单独与的支柱。单独与顶梁配合支护顶板，称为单体液压支架，与顶梁、顶梁配合支护顶板，称为单体液压支架，与顶梁、底座以及移架千斤顶等组合称液压自移支架。底座以及移架千斤顶等组合称液压自移支架。 液压支柱按注油方式可分为：内注油式和液压支柱按注油方式可分为：内注油式和外注油式两种。外注油式两种。 301. 内注式单体液压支柱：内注式单体液压支柱： 工作介质：机油；工作介质：机油； 支撑方式：摇动手把，支撑方式：摇动手把，操作支柱内手摇泵，把油从操作支柱内手摇泵，把油从低压腔压入高压腔；低压腔压入高压腔； 过压保护：安全阀保证过压保护：安全阀保证恒定工作阻力；恒定工作阻力； 回收：打开卸压

21、阀使高回收：打开卸压阀使高压腔的油回到低压腔，活柱压腔的油回到低压腔，活柱自重作用下回缩。自重作用下回缩。 内注式单体液压支柱初内注式单体液压支柱初撑力靠手工操作，一般可达撑力靠手工操作，一般可达70100kN。适用条件适用条件:用于高档普采工作面顶板支护和综采工作面的端头支护用于高档普采工作面顶板支护和综采工作面的端头支护,适合于煤层倾角小于适合于煤层倾角小于25缓倾斜回采工作面，采取措施亦可用于缓倾斜回采工作面，采取措施亦可用于25 35 的回采工作面支护。与金属铰接顶梁配套使用。的回采工作面支护。与金属铰接顶梁配套使用。NDZ18-25/80312.外注式液压支柱：外注式液压支柱： 工作

22、介质：含工作介质：含1%2%乳乳化油的乳化液；化油的乳化液； 支撑：靠外部泵站经管路支撑：靠外部泵站经管路通过注液枪向支柱供液；通过注液枪向支柱供液； 过压保护：安全阀保证恒过压保护：安全阀保证恒定工作阻力；定工作阻力； 回收：打开卸压阀，把乳回收：打开卸压阀，把乳化液排到支柱外，活柱自重和化液排到支柱外，活柱自重和弹簧力作用下回缩。弹簧力作用下回缩。 安全阀、单向阀、卸压阀安全阀、单向阀、卸压阀共同组成一个三用阀。共同组成一个三用阀。323333内、外注式液压支柱优缺点比较内、外注式液压支柱优缺点比较优缺点优缺点外注式外注式内注式内注式优优点点升柱快：一般为升柱快：一般为6080 mm/s，

23、比内注式快比内注式快45倍；倍；初撑力大，且较稳定；初撑力大，且较稳定；结构简单，零件少，易维护；结构简单，零件少，易维护；重量轻：同规格比内注式轻重量轻：同规格比内注式轻35kg；成本低。成本低。使用灵活方便，不需要外部动使用灵活方便，不需要外部动力；力；三阀装在支柱内腔，不易污染三阀装在支柱内腔，不易污染失效；失效；液压系统自身形成闭路循环，液压系统自身形成闭路循环，节省油耗，劳动条件有所改善。节省油耗，劳动条件有所改善。缺缺点点支柱阀露在外面，易受环境污支柱阀露在外面，易受环境污染失效；染失效；需配乳化液泵站和管路；需配乳化液泵站和管路；降柱外排液；降柱外排液；升柱要冲洗注油阀体。升柱要

24、冲洗注油阀体。初撑力人为影响较严重，不易初撑力人为影响较严重，不易均衡；均衡；升柱速度慢，每摇一次手把，升柱速度慢，每摇一次手把，只能升高只能升高2030 mm；支柱结构复杂；支柱结构复杂；三阀产生故障井下不易更换；三阀产生故障井下不易更换；维护检修量大；维护检修量大；重量较大。重量较大。薄煤层或人行困难面宜用内注式；其它宜用外注式。薄煤层或人行困难面宜用内注式；其它宜用外注式。343. 液压自移支架支柱工作原理：液压自移支架支柱工作原理： 液压自移支架使用的液压支柱属于外注式。液压自移支架使用的液压支柱属于外注式。 有三种状态：有三种状态：-升柱状态；升柱状态；-工作状态；工作状态；-卸载卸

25、载状态状态 。 初撑力由泵压决定，而泵压由柱体内的液压决定。初撑力由泵压决定，而泵压由柱体内的液压决定。420DPKPp 工作原理：当顶板下沉时，支柱下腔液受压缩，工作原理：当顶板下沉时，支柱下腔液受压缩，工作阻力急增至额定工作阻力。当载荷较大，且超过工作阻力急增至额定工作阻力。当载荷较大，且超过额定工作阻力时，安全阀打开，工作液由下腔回入到额定工作阻力时，安全阀打开，工作液由下腔回入到上腔或部分外泄，支柱下缩，工作阻力略降，这样周上腔或部分外泄，支柱下缩，工作阻力略降，这样周而复始保持了工作阻力恒定。而复始保持了工作阻力恒定。35乳化液泵站乳化液泵站主要由乳化液箱和乳化液泵组主要由乳化液箱和

26、乳化液泵组(两组两组)及液压控制系统组成及液压控制系统组成. 36三、液压支架支护方法分析三、液压支架支护方法分析1. 1. 概念概念 液压自移支架是以高压液体为动力，由金属构件和液压自移支架是以高压液体为动力，由金属构件和若干液压元件组成。能实现支撑、切顶、自移和推溜等若干液压元件组成。能实现支撑、切顶、自移和推溜等工序，与大功率采煤机、大运量的可弯曲刮板输送机组工序，与大功率采煤机、大运量的可弯曲刮板输送机组成回采工作面的综合机械化设备。成回采工作面的综合机械化设备。主要支护方式：主要支护方式： 即时支护：采煤机过后，液压支架按照降架移即时支护：采煤机过后，液压支架按照降架移架升架推溜的次

27、序动作，及时支护新裸露的顶板，架升架推溜的次序动作，及时支护新裸露的顶板，应用广泛；应用广泛； 滞后支护：采煤机割煤后，液压支架按照推溜滞后支护：采煤机割煤后，液压支架按照推溜降架移架升架的次序动作，用于稳定、完整的顶板降架移架升架的次序动作，用于稳定、完整的顶板条件。条件。37三、液压支架支护方法分析三、液压支架支护方法分析2. 2. 组成组成承载构件：用于直接承受支架外力和传递顶板载荷作承载构件：用于直接承受支架外力和传递顶板载荷作用的结构件。如：顶梁、掩护梁、底座和连杆等；用的结构件。如：顶梁、掩护梁、底座和连杆等；执行元件：以液体为介质产生主动作用力抵抗外力对执行元件：以液体为介质产生

28、主动作用力抵抗外力对支架的作用，并实现支架的各种功能。如：支柱和各种支架的作用，并实现支架的各种功能。如：支柱和各种用途的千斤顶；用途的千斤顶；38控制元件：用于控制各执行元件动作的方向、出力、控制元件：用于控制各执行元件动作的方向、出力、速度等实现人为性的操纵和控制，为生产服务。如：操速度等实现人为性的操纵和控制，为生产服务。如：操纵阀、单向阀、安全阀等；纵阀、单向阀、安全阀等；辅助装置：为完善液压支架的作用性能，扩大其使用辅助装置：为完善液压支架的作用性能，扩大其使用范围，用于不直接承受顶板载荷，而为实现支架某种动范围，用于不直接承受顶板载荷，而为实现支架某种动作或功能所配备的必要装置。如

29、：护帮装置、侧护板、作或功能所配备的必要装置。如：护帮装置、侧护板、防倒、防滑装置等；防倒、防滑装置等；工作液体：用于传递能量的工作介质。液压支架使用工作液体：用于传递能量的工作介质。液压支架使用的工作液为的工作液为5%5%的乳化液，使用中不低于的乳化液，使用中不低于3%3%。39（1）按架型结构及与围岩关系分类：支撑式支架；掩护）按架型结构及与围岩关系分类：支撑式支架；掩护支撑式支架；支撑掩护式支架；掩护式支架。支撑式支架；支撑掩护式支架；掩护式支架。图图5-11 各类液压支架的基本结构各类液压支架的基本结构3. 液压支架分类液压支架分类40（2）按使用条件分类：）按使用条件分类：3.5m1

30、.3mh3.5m1.3 )m厚煤层一次采全高支架（h）使用高度 中厚煤层支架（）薄煤层支架（h000025254545 )缓倾斜工作面支架（）使用倾角 倾斜工作面支架（）急倾斜工作面支架（使用位置使用位置过渡支架（排头支架）过渡支架（排头支架）端头支架端头支架工作面基本支架工作面基本支架顺槽超前支架顺槽超前支架采煤工艺采煤工艺一次采全高支架一次采全高支架放顶煤支架放顶煤支架铺网支架铺网支架充填支架充填支架41按支架的控制方式分：按支架的控制方式分：1.手动控制：有本架控制、单向邻架控制、手动控制：有本架控制、单向邻架控制、双向邻架控制等。缺点是支架推进速度慢，双向邻架控制等。缺点是支架推进速度

31、慢，不能保证支架的额定初撑力，工人劳动强不能保证支架的额定初撑力，工人劳动强度高。度高。2.自动控制：分程序控制、先导式程序控制、自动控制：分程序控制、先导式程序控制、遥控等。优点是支架推进速度提高遥控等。优点是支架推进速度提高35倍，倍，保证支架的初撑力。明显改善支架对顶板保证支架的初撑力。明显改善支架对顶板的支护效果，易于实现带压移架，降低工的支护效果，易于实现带压移架，降低工人劳动强度，改善劳动条件，实现完全自人劳动强度，改善劳动条件，实现完全自动化综采工作面。动化综采工作面。424. 液压支架的命名液压支架的命名 煤炭工业标准煤炭工业标准MT154.5-1996“液压液压支架产品型号编

32、制和管理方法支架产品型号编制和管理方法”规定规定Z / / 产产品品类类型型代代号号第一特征代号：第一特征代号：用途与功能，用途与功能，其中：其中：D垛式垛式Z支撑掩支撑掩护护Y掩护式掩护式F放顶煤放顶煤C充填充填T端头架端头架P铺网铺网Q大倾角大倾角G过渡支架过渡支架第二特征代第二特征代号：结构特号：结构特征与使用场征与使用场所等，如：所等，如：S双输送机双输送机S水砂充填水砂充填J节式节式主要参数主要参数代号：工代号：工作阻力作阻力/最最小高度小高度/最最大高度大高度补充特征代补充特征代号：产品类号：产品类型等，如：型等，如：H反四连杆反四连杆T抬底抬底B摆杆摆杆K宽型宽型修修改改序序号号

33、例：例：ZFS4000/16/28 ZY3200/23/45 ZC5600/17/32434445464748支架报价原则：支架报价原则：ZY系列系列 10000KN 6M以上以上 35t 20000元元/tZZ系列系列 8000KN10000KN 5M以上以上 25t 17000元元/tZF、ZY系列系列 6000KN8000KN 4M以上（含）以上（含）17t 16000元元/tZZ、ZF、ZY系列系列 5800KN 4M以下以下 16.8t 15000元元/t履带自移式支架履带自移式支架 10000KN 70t 380万万/每架每架电液控系统（含阀、控制器、传感器）电液控系统（含阀、控制

34、器、传感器） 10万万/每架每架495. 支撑式液压支架支护分析：支撑式液压支架支护分析：（1）结构组成：前梁、顶梁、立柱、底座、挡矸帘、千）结构组成：前梁、顶梁、立柱、底座、挡矸帘、千斤顶等。支架梁长度一般斤顶等。支架梁长度一般3.54.0m，若采用截深，若采用截深600mm的滚筒，整个控顶距需的滚筒，整个控顶距需67刀割完。刀割完。（2）优缺点：通风断面大，行人方便；结构简单，重量）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，岩体垮落后，产生的水平推力，轻。但框架稳定性较差，岩体垮落后，产生的水平推力，易使其失稳。易使其失稳。图图5-12四柱垛式支架结构四柱垛式支架结

35、构50（3）支护分析：如图）支护分析：如图5-13所示，垛式支架支撑力理所示，垛式支架支撑力理想分布状态。从图中可以看出支架前梁受力较小，而想分布状态。从图中可以看出支架前梁受力较小，而顶梁受力较大。当支柱全部达到额定工作阻力顶梁受力较大。当支柱全部达到额定工作阻力2400kN时，前梁对顶板的支撑力仅为时，前梁对顶板的支撑力仅为300kN，而后梁，而后梁则在则在2000kN以上。以上。 图图5-13 5-13 垛式支架支撑力理想分布状态垛式支架支撑力理想分布状态51（4）使用条件：）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

36、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适应。顶板却又由于支柱承受不了强大的水平推力而不适应。 对于顶板比较破碎的工作面，由于支架反复支撑导致直接对于顶板比较破碎的工作面，由于支架反复支撑导致直接顶更易破碎。后端顶板破碎，老顶压力无法传递给支架顶梁，顶更易破碎。后端顶板破碎，老顶压力无法传递给支架顶梁，使得支架前梁受力过大，支架前柱受力远大于支架后柱使得支架前梁受力过大，支架前柱受力远大于支架后柱,如图如图5-14(a)(b)(d)所示所示 ，甚至导致支架后翘。为了充分发挥支撑式支架，

37、甚至导致支架后翘。为了充分发挥支撑式支架的作用，在破碎顶板条件下，唯一的办法是采用良好的护顶措的作用，在破碎顶板条件下，唯一的办法是采用良好的护顶措施，以保证顶板在传递力的关系上与支架的支撑力分布相适应。施，以保证顶板在传递力的关系上与支架的支撑力分布相适应。 我国煤炭行业标准认为支撑式液压支架适用于采高我国煤炭行业标准认为支撑式液压支架适用于采高1.5m以以下，直接顶下，直接顶3、4类，底板类，底板III类以上，煤层倾角类以上，煤层倾角20 以内的长壁以内的长壁工作面。工作面。52图图5-14 5-14 在比较破碎顶板条件下使用垛式支架在比较破碎顶板条件下使用垛式支架 53546. 支掩式掩

38、护支架支护分析：支掩式掩护支架支护分析： 图图5-16图图5-17(1) 结构组成：由托梁、掩护梁、底座、支柱四个主要部分组结构组成：由托梁、掩护梁、底座、支柱四个主要部分组成。成。(2) 按掩护梁与底座联接方式分：常见的单铰式、四连杆式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。（双铰式），对应托梁掩护梁运动轨迹为弧线形、双纽线型。55(3)(3)支掩式支架优缺点：支掩式支架优缺点： 缩小了控顶距，减少了托梁与顶板之间反复支撑的次数，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。提高了支架对机道上方

39、顶板的支撑。 在顶板局部冒顶情况下，可以考虑不接顶。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。（移。（ 四连杆作用）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。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。便。由于增加了掩护梁，支架重量有所增加。 (4) (4) 适用条件：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

40、接适用于直接顶破碎，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。顶坚硬而老顶周期来压强烈的条件。 56577. 支顶式掩护支架受力分析：支顶式掩护支架受力分析： 支顶式掩护支架创立于支顶式掩护支架创立于1974年，是为了综合支撑式、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，

41、在实际使用中取得了很好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。效果。 适用条件：我国煤炭行业标准规定，支顶掩护式支架适用条件：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优先适用于直接顶为1、2、3类，老顶为类，老顶为I、II、III级，底级，底板为板为2类以上条件。类以上条件。 图图5-22585960 该类支架同时兼有支撑式与掩护式支架的有点，它是支该类支架同时兼有支撑式与掩护式支架的有点，它是支撑与掩护式两种架型的组合。撑与掩护式两种架型的组合。(1) 分类：支撑掩护式支架分支顶式及支顶支掩式两种。有分类：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

42、柱。双排、三或四立柱。(2) 优缺点：顶梁长度一般均较掩护式支架长，增加了支撑优缺点：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，支撑能力较强，对顶板的适应性较强。与底板受力情况，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，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。支架结构较复杂等缺陷。8.支撑掩护式支架受力分析：支撑掩护式支架受力分析：616263（3）特点及其适用条件）特点及其适用条件： 支撑合力作用点的调节

43、范围较大，可大致等于两柱之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。间的间距，但支架前部仍是承受外力的薄弱区。 支架后部可以承受较高的外载，即切顶能力强。支架后部可以承受较高的外载，即切顶能力强。 一般立柱接近垂直，支撑效率高。且受支架工作高度一般立柱接近垂直，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，一般能够达到变化的影响少，工作阻力的利用率高，一般能够达到85%97%。 有较高的支撑能力。据实测统计支撑掩护式支架的支有较高的支撑能力。据实测统计支撑掩护式支架的支护强度分别比掩护式、支撑式支架高护强度分别比掩护式、支撑式支架高

44、256%和和193%。64支架底座的合力作用位置较靠后，载荷集度分布较均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。底板的可能性较少，对松软底板较适应。支撑掩护式支架顶梁较长，控顶距较大，结构较复杂，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柱掩护式支架重量大13%20%，价格贵，价格贵7%16%。 支架断面大，行人方便，但由于立柱多，控顶面积

45、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。大，故操作、调架等较不便。65支架带有四连杆的掩护梁，能抵制采空区矸石的水平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。损坏等。 支柱的支撑力利用率低，实测表明，四个支柱通常只支柱的支撑力利用率低，实测表明，四个支柱通常只有有23个支柱受载。个支柱受载。 指向煤壁的水平力低于两柱掩护支架。指向煤壁的水平力低于两柱掩护支架。(4

46、)适用范围：支撑掩护式支架适用范围较宽，一般适适用范围：支撑掩护式支架适用范围较宽，一般适用于用于IIV级老顶，级老顶，24类直接顶顶板工作面。对底板的类直接顶顶板工作面。对底板的强度不限。强度不限。6667四、液压支架的发展及著名制造厂商四、液压支架的发展及著名制造厂商1. 综采液压支架发展概况综采液压支架发展概况20世纪世纪50年代，英国首先研制出液压支架；年代，英国首先研制出液压支架；20世纪世纪70年代中期，英国研制出电液控制液压支架；年代中期，英国研制出电液控制液压支架；20世纪世纪70年代，我国从英国、德国和前苏联引进液压年代，我国从英国、德国和前苏联引进液压支架；支架；20世纪世

47、纪80年代，我国液压支架的研制和应用得到迅速年代，我国液压支架的研制和应用得到迅速发展；发展；20世纪世纪90年代，我国研制出全套电液控制液压支架。年代，我国研制出全套电液控制液压支架。2. 液压支架国内外生产厂商液压支架国内外生产厂商l德国德国DBT公司公司l美国美国JOY公司（久益）公司（久益）lIMM国际煤机集团国际煤机集团l郑州煤机、北京煤机、重庆大江、平顶山煤机、平阳郑州煤机、北京煤机、重庆大江、平顶山煤机、平阳重工、郑州四维。重工、郑州四维。68五、单体支架支护方法分析五、单体支架支护方法分析 采用单体支架时，落煤后必须立即架设支架，待该采用单体支架时，落煤后必须立即架设支架，待该

48、支架由于工作面推进到靠采空区一侧时进行回撤。支架由于工作面推进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。的全过程。1. 单体支柱顶梁载荷分布：单体支柱顶梁载荷分布： 单体支柱受力的大小，首先决定于顶板压力的大小，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。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。见图在支柱上的布置方式。见图5-32。 692.

49、 支架横向布置方式支架横向布置方式 主要从直接顶稳定性考虑。采用全部垮落法处理采主要从直接顶稳定性考虑。采用全部垮落法处理采空区时，支柱分为工作面支柱和切顶支柱。空区时，支柱分为工作面支柱和切顶支柱。有排柱放顶（密集支柱切顶）有排柱放顶（密集支柱切顶）无排柱放顶无排柱放顶有排柱放顶支架支撑力分布有排柱放顶支架支撑力分布 无排柱放顶支架支撑力分布无排柱放顶支架支撑力分布703. 支架纵向布置方式支架纵向布置方式 单体支架在工作面的布置方式决定于直接顶的稳定性，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。一般分带帽点同时也要考虑老顶来压时可能带来的危害。一

50、般分带帽点柱支护、棚子支护两类布置方式。柱支护、棚子支护两类布置方式。 （1）带帽点柱支护）带帽点柱支护 直接顶较完整时使用，不使用顶梁，支柱上加柱帽，柱直接顶较完整时使用，不使用顶梁，支柱上加柱帽，柱帽一般用厚帽一般用厚50100mm，长，长300500mm木板或圆木制成。木板或圆木制成。架设时考虑向上倾斜架设时考虑向上倾斜24,称为迎山角。称为迎山角。柱腿中心线与顶底柱腿中心线与顶底板垂线之间的夹角，叫做迎山角。支架迎山角是为了克服板垂线之间的夹角，叫做迎山角。支架迎山角是为了克服下推力，防止支架向下倾倒的措施之一。下推力，防止支架向下倾倒的措施之一。 排列方式有矩形排列方式有矩形布置与三

51、角形布置两种。布置与三角形布置两种。71 （2）棚子支护）棚子支护 直接顶中等稳定或比较破碎时采用，使用顶梁。一般直接顶中等稳定或比较破碎时采用，使用顶梁。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（称为刹顶，必要时还要刹帮）。笆等护顶措施（称为刹顶，必要时还要刹帮）。平行裂隙平行裂隙走向棚（顶板压力大用走向棚（顶板压力大用连锁式走向棚，顶板压力小时用对接连锁式走向棚，顶板压力小时用对接式走向棚）式走向棚）垂直裂隙垂直裂隙

52、倾斜棚倾斜棚(如图如图5-37)72（3）机组工作面单体支架布置）机组工作面单体支架布置 金属铰接顶梁结构：如图金属铰接顶梁结构：如图5-38。为适应不平整的顶板，。为适应不平整的顶板，利用调角楔楔进量的大小，可使顶梁具有向上或向下不小利用调角楔楔进量的大小，可使顶梁具有向上或向下不小于于7的调整角度。为纠正工作面每列顶梁在接长方向和的调整角度。为纠正工作面每列顶梁在接长方向和工作面推进方向出现的偏斜，顶梁向左或向右各有不小于工作面推进方向出现的偏斜，顶梁向左或向右各有不小于3 的调整角度。的调整角度。1接头接头2梁体梁体3耳子耳子4销子销子5调角楔调角楔L中心距中心距73金属顶梁行业标准金属

53、顶梁行业标准MT30-200074 图图5-395-39悬梁与支柱关系（按顶梁悬挂方式）：悬梁与支柱关系（按顶梁悬挂方式）：支柱与铰接顶梁组合成悬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。梁支架，分正悬臂式和倒悬臂式两种。正悬臂式：机道有悬臂支护，安全；采空侧伸出短，不易折断。正悬臂式：机道有悬臂支护，安全；采空侧伸出短，不易折断。（常用）（常用）倒悬臂式：采空侧伸出长，不易被矸石埋住，回柱较安全。发生倒悬臂式：采空侧伸出长，不易被矸石埋住，回柱较安全。发生局部冒顶机率较前者大。局部冒顶机率较前者大。75 支架的布置方式：支架的布置方式： 齐梁式支护：悬梁端与工作面相齐，支柱排成

54、直线状。齐梁式支护：悬梁端与工作面相齐，支柱排成直线状。适用于顶板比较完整情况。顶梁的布置可采用正或倒悬臂。适用于顶板比较完整情况。顶梁的布置可采用正或倒悬臂。根据截深与顶梁长度，又分为截深根据截深与顶梁长度，又分为截深= =顶梁长度和截深顶梁长度和截深=1/2=1/2顶顶梁长度。梁长度。 错梁式支护错梁式支护：适用于顶板较破碎、松软或在倾斜分层：适用于顶板较破碎、松软或在倾斜分层下分层开采。截深下分层开采。截深=1/2=1/2顶梁长度。每进一刀，隔架棚挂一顶梁长度。每进一刀，隔架棚挂一根梁，顶梁交错向前。挂梁少、进机速度快、支护及时。根梁，顶梁交错向前。挂梁少、进机速度快、支护及时。支柱可呈

55、直线状或交错状。进第一刀时一般要间隔打临时支柱可呈直线状或交错状。进第一刀时一般要间隔打临时支柱，第二刀才支正式柱，回临时柱。支柱，第二刀才支正式柱，回临时柱。 图图5-41 5-41 错梁式支护错梁式支护图图5-40 5-40 齐梁式支护齐梁式支护76第三节第三节 采场支架与围岩相互作用原理采场支架与围岩相互作用原理一、支架与围岩相互作用一、支架与围岩相互作用1.1.支架与围岩相互作用体系：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，支撑力又最小。理想状态是：支架既能维护住顶板，支撑力又最小。 从工作面推进方向看，采场上覆岩层中临近煤层形成从工作面推进方向看，采场上覆岩层中临近

56、煤层形成的结构是由的结构是由“煤壁煤壁-回采工作面支架回采工作面支架-采空区已冒落矸石采空区已冒落矸石”支撑体系所支撑。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从垂直方向看，支架与围岩相互作用体系由“老顶老顶-直直接顶接顶-支架支架-底板底板”组成。在放顶煤工作面，直接顶还包括组成。在放顶煤工作面，直接顶还包括顶煤在内。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，以及在各种围岩状态下支架支架受力及围岩运动的影响，以及在各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。呈现什

57、么反映，从中分析支架应具有的最合理结构及参数。 772. 2. 支架与围岩相互作用特点：支架与围岩相互作用特点：（1 1）支架与围岩是相互作用的一对力。两者应相互适）支架与围岩是相互作用的一对力。两者应相互适应，使其大小相等，尽可能作用在一个作用点上。应，使其大小相等，尽可能作用在一个作用点上。（2 2）支架受力的大小及其在回采工作面分布的规律支架受力的大小及其在回采工作面分布的规律 与支架性能和围岩性质有关。围岩性质相同，不同工与支架性能和围岩性质有关。围岩性质相同，不同工作特性的支架受力不同；不同围岩性质，相同工作特作特性的支架受力不同；不同围岩性质，相同工作特性支架受力不同。恒阻式效果最

58、好。性支架受力不同。恒阻式效果最好。（3 3）支架结构及尺寸对顶板压力，顶板稳定状况产生）支架结构及尺寸对顶板压力，顶板稳定状况产生明显影响。合适的架型结构，可以用最小的工作阻力明显影响。合适的架型结构，可以用最小的工作阻力良好的维护顶板。良好的维护顶板。 783. 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的关系：支架工作阻力与顶板下沉量呈近似双曲线关系；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；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而当支架达

59、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。影响很小。支架不能改变覆岩总体活动规律。79 但但“P-L”曲线，不能说明顶板下沉量与顶板完整曲线，不能说明顶板下沉量与顶板完整性的关系。而直接顶的完整性对支架选型以及支架工作性的关系。而直接顶的完整性对支架选型以及支架工作阻力的选择是一个很重要的指标。一般支护强度越大、阻力的选择是一个很重要的指标。一般支护强度越大、推进速度越快、顶板冒落度越小（从支架与端面破碎度推进速度越快、顶板冒落度越小（从支架与端面破碎度的关系分析得出）。的关系分析得出）。80 在支架与围岩相互作用体系中，支架的工作状态是在支架与围

60、岩相互作用体系中，支架的工作状态是支架与围岩关系的综合反映，也是老顶的位态、直接顶、支架与围岩关系的综合反映，也是老顶的位态、直接顶、支架以及底板力学特性的综合体现。支架以及底板力学特性的综合体现。支架的刚度支架的刚度Ks：支护系统刚度：指单位顶底板移近量支护系统刚度：指单位顶底板移近量所对应的支护阻力增加量。所对应的支护阻力增加量。一般指支架增阻阶段的刚度。一般指支架增阻阶段的刚度。其刚度特征是由立柱的刚度特征决定，与工作液体的压其刚度特征是由立柱的刚度特征决定，与工作液体的压缩性、立柱活柱和柱体壁变形的特性及立柱的密封程度缩性、立柱活柱和柱体壁变形的特性及立柱的密封程度有关。所以提高支架刚