矿山采场支架类型与支架力学特性

矿山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)—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7，后由C—A进入油管9，经由单向阀5顶开阀盖进入油管10，而后进入柱体2使活柱1升起。上腔的废液则由管路3经由操纵阀B—O进入主回油管路，回到泵站。降柱时操纵阀处于Ⅲ的状态。高压油由操纵阀C—B经管路3进入支柱上腔，同时作用于单向阀5，使阀盖顶开。此时下腔的废液由管路10经单向阀进入管路9，再由操纵阀A—O进入主回油路，返回泵站。三、单体支架支护方法分析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。单体支柱所受载荷在梁上的分布状态，则取决于顶梁在支柱上的布置方式，如图5－7所示。若接顶情况良好，以支柱为基准，前后梁的长度为1：1，则载荷应是均匀分布，如图中a。若考虑到顶梁两端有一定的变形，则应呈抛物线形，如图中b。若比值为2：1，则为三角形分布，如图中c。最好前后梁长的比例不大于2，因为，事实上多余的一部分梁对顶板不起支护作用，如图中d。图5－7单体支柱顶梁载荷分布在开始使用全部垮落法处理采空区时，把支架分为工作面支架与切顶支架两部分，其布置方式如图5－8。它的原则是利用工作面支架维护直接顶的完整性，利用切顶支架将直接顶沿采空区切落，同时对基本顶也有一控制力矩。这种支护方式又称为有排柱放顶。无排柱放顶如图5－9所示。图5－8有排柱放顶支架支撑力分布图5－9无排柱放顶及支架支撑力分布（一）带帽点柱支护在直接顶比较完整时使用。柱帽一般用厚为50~100mm，长为0.3~0.5m的木板或半圆木制成。带帽点柱在工作面的排列方式有矩形布置与三角形布置两种，见图5－10。图5－10带帽点柱的布置方式(a)--矩形排列；(b)--三角形排列架设支柱时应考虑煤层的倾角，一般应向上倾斜2~4o。（二）棚子支护走向棚，顶板压力大时可采用连锁式走向棚，顶板压力小时可采用对接式走向棚。当节理裂隙垂直于工作面时，采用倾斜棚。（三）机组工作面单体支架布置1悬梁与支柱的关系金属支柱与铰接顶梁组合成悬臂支架。按悬臂支架沿工作面推进方向的布置方式可分为正悬臂式与倒悬臂式两种，如图5－11所示。图5－11机组工作面的悬臂支护(a)—正悬臂；(b)—倒悬臂采用正悬臂时，机道顶板有悬臂支护，必要时还可掏梁窝提前挂梁，打贴帮柱等，因此机道的安全条件比较好。在架设悬梁时，应使舌端对着煤壁，以便在需要掏梁窝时，梁窝可以小些。这种方式的悬梁靠采空区一侧伸出不长，因而不易折损。采用倒悬臂时，回撤靠采空区一侧的支柱，不易被矸石埋住。当顶板比较破碎时，掏梁窝比较浅，因而容易挂梁。这种方式回柱时比较安全。2支架的布置方式有齐梁式与错梁式两种。四、液压支架支护方法分析（一）液压支架分类我国目前还没有对液压支架进行严格的分类。但就目前普遍应用的名词概念来说，基本上有三种名称：即支撑式、掩护式与支撑掩护式。考虑到科学性与习惯性，可以将此三类定为以下的概念：1)支撑式。指在结构上没有掩护梁，对顶板的作用