第四章-顶板分类与液压支架的选择

第四章顶板分类与液压支架的选择第一节回采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。采场围岩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Ⅰ-冒落带Ⅱ-裂隙带Ⅲ-弯曲下沉带1-煤层2-直接顶3-基本顶

从开切眼向前推进，直接顶悬露面积逐渐增大，下沉和变形随之增大。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，直接顶冒落，形成冒落带Ⅰ。直接顶冒落，基本顶悬露。随工作面推进，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→基本顶初次来压。随工作面推进，基本顶周期垮落。在弯曲下沉带Ⅲ，裂隙少，仅岩层间有离层现象，对支护设备载荷影响不大。

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。

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。

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。

第二节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。液压支架选型准则液压支架选型必须考虑的地质和采矿条件：①直接顶稳定性类型；②基本顶级别及相应矿压显现参数(初次和周期来压步距，来压时载荷，直接顶厚度)；③底板类别及相应的力学参数(容许载荷强度，抗压缩刚度)；④截高，煤层强度，节理方向，煤层厚度变化等；⑤煤层倾角和工作面推进方向；⑥瓦斯等级和必需的通风断面等。

选型顺序：①根据直接顶、基本顶、底板类型初步选定基本架型；②考虑上述①～⑩诸因素选定具体结构，包括顶梁、底座、侧护结构等；③根据地质条件和矿压显现参数，计算支架必需的支护强度和相应的额定工作阻力。④考虑顶底板含水层条件，验算支架对底板比压或载荷强度。⑤验算通风断面、风流、风速等。如果瓦斯涌出量较大，避免用插底式支架。

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。第三节支架参数确定

一、支架高度首先确定支架适用煤层的平均截高，然后确定支架高度。支架最大结构高度支架最小结构高度

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。

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。

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K——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

支架支撑顶板的有效工作阻力F——支架的支护面积，m2

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，m支撑效率η：——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溜槽长度。液压支架中心距大部分采用1.5m。大采高支架为提高稳定性，中心距可采用1.75m，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。

四、初撑力初撑力大小对支架的支护性能和成本有很大影响。较大初撑力能使支架较快达到工作阻力，减慢顶板的早期下沉速度，增加顶板的稳定性。但对乳化液泵站和液压元件的耐压要求提高。一般取初撑力为(0.6～0.8)倍的工作阻力。

五、移架力和推溜力移架力与支架结构、质量、煤层厚度、顶板性质等有关一般薄煤层支架移架力为100～150kN；中厚煤层支架为150～300kN；厚煤层支架为300～400kN。推溜力一般为100～150kN。

六、梁端距和顶梁长度梁端距：——移架后顶梁端部至煤壁的距离。梁端距是由于工作面顶板起伏不平造成输送机和采煤机的倾斜，以及采煤机割煤时垂直分力使摇臂和滚筒向支架倾斜，为避免割顶梁而留的安全距离。支架高度越大，梁端距应越大。

即时支护方式，大采高支架梁端距取350～480mm，中厚煤层支架梁端距取280～340mm，薄煤层支架梁端距取200～300mm。顶梁长度受支架型式、配套采煤机截深(滚筒宽度)、刮板输送机尺寸、配套关系及立柱缸径、通道要求、底座长度、支护方式等因素制约。

综采工作面工序采煤、移架和推溜。工序不同组合，形成3种支护方式。1)即时支护方式：

割煤—移架—推溜，顶板暴露时间短。2)滞后支护方式：

割煤—推溜—移架，顶板暴露时间长。3)复合支护方式：

割煤—支架伸缩梁伸出—推溜—伸缩梁缩回—移架，支护滞后时间短，增加反复支撑次数。

根据液压支架各部件功能和作用，组成：

(1)承载结构件如顶梁、掩护梁、底座、连杆、尾梁等。主要功能是承受和传递顶板和垮落岩石的载荷。

(2)液压缸包括立柱和各类千斤顶。主要功能是实现支架的各种动作，产生液压动力。

(3)控制元部件包括液压系统操纵阀、单向阀、安全阀等各类阀，以及管路、液压、电控元件。主要功能是操作控制支架各液压缸动作及保证所需的工作特性。

(4)辅助装置如推移装置、护帮(或挑梁)装置、伸缩梁(或插板)装置、活动侧护板、防倒防滑装置、连接件、喷雾装置等，是实现支架的某些动作或功能所必需的装置。第四节支架结构选择

一、顶梁顶梁形式：整体顶梁、铰接顶梁和楔形结构顶梁。铰接顶梁的前段称为前梁，后段为主梁，简称顶梁。1．整体顶梁

整体顶梁结构简单，可靠性好；顶梁对顶板载荷的平衡能力较强；前端支撑力较大；可设置全长侧护板，有利于提高顶板覆盖率，改善支护效果，减少架间漏矸。为改善接顶效果和补偿焊接变形，整体顶梁前端(800～1000mm)一般上翘1～3o。第六节支架的结构选择2．铰接式顶梁1-前梁2-前梁千斤顶3-顶梁

在前梁千斤顶2的推拉下，前梁1上下摆动，对不平顶板的适应性强。运输时将前梁放下与顶梁垂直，以减小运输尺寸。前梁千斤顶必须有足够的支撑力和连接强度，前梁上不宜设置侧护板。为顺利移架，前梁间一般留有100～150mm间隙，增加了破碎顶板漏矸的可能性。

二、侧护板侧护板装置组成：侧护板、弹簧筒、侧推千斤顶、导向杆和连接销轴等。支架活动侧护板形式：直角式单侧活动侧护板、直角式双侧可调活动侧护板和折页式单侧活动侧护板。直角式单侧活动侧护板一侧固定式，一侧活动式。固定侧护板是梁的边筋板，可增加梁体强度，减轻支架重量。适用于倾角较小(<150)的缓倾斜煤层或水平煤层，挡矸密封性和导向性好。

2．直角式双侧活动侧护板根据工作面倾角方向，调整一侧固定，另一侧活动，适应性强，用于各种支架。1-活动上侧护板；2-活动下侧护板3-顶杆；4-千斤顶；5-固定侧护板

3．折页式活动侧护板结构简单，千斤顶可以布置在梁体的外侧，便于拆装和维修。挡矸密封性差，移架时导向性差。用于顶板比较稳定或坚硬条件的支撑掩护式支架。

1．整体刚性底座中挡前部有高度50～100mm小箱形结构，中挡后部上方为箱形结构，推移千斤顶安装在箱形体下。立柱柱窝前设计过桥，提高底座整体刚性和抗扭能力。

三、底座底座形式：整体刚性底座、底分式刚性底座和铰接分体底座，其中铰接分体底座已较少采用。

底分式刚性底座中挡底板分体，推移装置处的浮煤、碎矸可随支架移架从后端排到采空区，不需人工清理，但底座接底面积减少，对底板比压增大——高产高效工作面液压支架一般采用分体刚性底座。

2．底分式刚性底座底座底板为中分式，中挡推移机构直接落在煤层底板上，前立柱柱窝前有过桥，中挡后部上方为箱形结构。

四、推移装置推移装置组成：推移杆、推移千斤顶和连接头等，推移杆是决定推移装置形式和性能的关键部件。

1．短推移杆短推移杆：钢板组焊而成的箱形结构件，结构简单可靠，重量轻，广泛采用。推移杆形式：正拉式短推移杆和倒拉式长推移杆。

2．长推移杆长推移杆形式：框架式、整体箱式和铰接式。

框架式长推移杆由前后两段组成，前段为箱式结构，后段为双杆式结构和导向块。推移千斤顶缸径超过140mm时，双杆式结构强度难以保证，可靠性下降。框架式长推移杆适用于中型以下的支架。

五、护帮装置①护帮通过挑梁(护帮板)贴紧煤壁，向煤壁施加一个支撑力，防止片帮。②临时前梁在支架能及时支护的情况下，采煤机过后挑起挑梁实现超前支护。在支架滞后支护的情况下，利用挑梁实现及时支护；③在厚煤层分层开采时，采上分层可利用挑梁挂网卷，采下分层可利用挑梁挑网兜。六、柱间距和筋板配置支架柱间距指两排立柱间的距离。柱间距和筋板配置要考虑支架的中心距、立柱缸径、推移装置的宽度等因素。柱间距与各部件筋板配置关系。七、立柱和千斤顶立柱是液压支架实现支撑和承载的主要部件，直接影响支架的工作性能。立柱型式有4种。

1．单伸缩双作用立柱结构简单、可靠，属液压无级调高，调整高度方便，但调高范围小，用在调高范围不大的支架上，许多放顶煤支架装配单伸缩双作用立柱。

2．单伸缩双作用带机械加长杆立柱结构比较简单，调高范围较大，有液压无级和加长杆有级两种调高方式。根据煤层厚度变化及时调整机械加长杆的高度(有级调高)以满足支护要求。多用于煤层厚度变化较大的中厚煤层支架上。

3．双伸缩双作用立柱调高范围大，液压无级调高，操作方便灵活，但结构复杂，加工要求高，成本高。多用于薄煤层和大采高支架上。由于某些缸径立柱的中缸强度裕度偏小，遇有采煤工作面基本顶压力显现强烈时中缸有时会出现鼓胀现象，损坏立柱——在使用条件允许情况下，大多选用单伸缩双作用带机械加长杆立柱。

4．三伸缩双作用立柱一般为三级液压无级调高，有的在双伸缩立柱上加一段接长杆，主要是为增加立柱的调高范围，以满足某些特殊结构支架对立柱增加调高的要求。国外较早使用这种立柱，调高范围很大，但结构复杂，第三级缸内压力很高，对材料和加工要求高。目前国内没有研制这种立柱。

八、双纽线机构(四连杆机构)液压支架的掩护梁与底座之间用前、后连杆连接形成的四连杆机构。支架升降时，顶梁前端可沿双纽线移动，使端面距变化较小。双纽线机构结构型式：①前、后连杆都为单杆式；②后连杆为整体铸钢件或焊接件，前连杆为左右分置的单杆铸钢件或焊接件→增大支架的有效利用空间。

九、防滑防倒装置利用装设在支架上的防滑、防倒千斤顶在调架时产生一定的推力，以防支架下滑、倾倒，并进行架间调整。

规程规定：倾角>150时，必须采取防滑防倒措施。

在支架底座旁边装设一个与防滑撬板3相连的防滑调架千斤顶4，移架时千斤顶推出，推动撬板顶在邻架的导向板上，起导向防滑作用，顶梁之间装有防倒千斤顶2防止支架倾倒。1-顶梁2-防倒千斤顶3-撬板4-防滑调架千斤顶1-顶梁2-防倒千斤顶两个防倒千斤顶4装在底座箱的上部，通过动作，达到防滑、防倒和调架作用——多用于垛式支架在相邻两支架的顶梁(或掩护梁)与底座之间装一个防倒千斤顶2，通过链条或拉杆分别固定在各支架的顶梁和底座上，用2防倒，用4调架。1-顶梁2-防倒千斤顶4-防滑调架千斤顶

十、液压支架控制系统液压支架按操纵阀与所控支架的相对位置分本架控制和邻架控制。

本架控制：操作者操纵所在支架的控制系统，系统结构简单，应用普遍。