礦山采場支架類型與支架力學特性

礦山采場支架類型與支架力學特性一、概述回采工作面支架主要是由梁與柱組合而成的。根據(jù)支柱和頂梁的配合關(guān)系，可將回采工作面支架分為兩大類，即單體支架和液壓支架。由金屬支柱和金屬鉸接頂梁組合而成的工作面支架稱為單體支架，根據(jù)金屬支柱的特性，又可將其分為摩擦式金屬支架和單體液壓支架，前者使用的支柱為摩擦式金屬支柱，后者則為液壓支柱。液壓支架是由支柱、底座與頂梁聯(lián)合為一個整體的結(jié)構(gòu)。它以液壓為動力，不僅能實現(xiàn)支設(shè)與回撤的自動化，而且使移溜等一系列工序也同時實現(xiàn)了機械化，充分減輕了繁重的體力勞動。P’0—初撐力。支架支設(shè)時，將活柱升起，托住頂梁，利用升柱工具和鎖緊裝置使支柱對頂板產(chǎn)生一個主動力。這個最初形成的主動力稱為支柱的初撐力。對于液壓支柱，即是泵壓所形成的支柱對頂板的撐力。P0—始動阻力。在頂板壓力作用下，活柱開始下縮的瞬間，支柱上所反映出來的力稱為始動阻力。這種力是頂板壓縮支柱形成的。因此稱為支柱的阻力。P1—初工作阻力。指在支架的性能曲線中，活柱下縮時，工作阻力的增長率由急劇增長轉(zhuǎn)為緩慢增長的轉(zhuǎn)折點處的工作阻力。P2—最大工作阻力。支柱所能承受的最大負載能力，又稱額定工作阻力。目前所使用支柱的工作特性有以下幾種，如圖5-12所示。圖5-3支柱的幾種典型特性曲線(P-ΔS曲線)—急增阻式；(b)—微增阻式；(c)—恒阻式；P’0—初撐力；P0—始動阻力；P1—初工作阻力；P2—額定工作阻力或最大工作阻力。急增阻式——支柱開始支設(shè)時，有一個極小的人為的初撐力P’0，當支柱在頂板壓力作用下，活柱開始下縮時便形成了始動阻力P0，而后隨著活柱下縮，工作阻力呈直線型急劇增加。這種支柱可縮量較小。其特性曲線見圖5-3(a)。微增阻聲——同急增阻式一樣，只具備有較小的初撐力與始動阻力。但它隨著活柱的下縮，工作阻力先有一個急劇增長過程。當達到初工作阻力P1后，隨著支柱的繼續(xù)下縮，工作阻力的增長變得極為緩慢，一直到支柱的最大可縮量，也即是支柱的最大工作阻力時為止。此類支柱具有較大的可縮量，其特性曲線見圖5-3(b)。恒阻式——當支柱安設(shè)后，隨著活柱下縮，很快達到額定工作阻力，以后盡管活柱繼續(xù)下縮，支柱的工作阻力保持不變，特性曲線見圖5-3(c)。從支柱工作阻力適應(yīng)頂板壓力的特點進行分析，顯然，恒阻性能的支柱較為有利，急增式性能比較差。但恒阻式支柱的結(jié)構(gòu)比較復雜，成本較高。急增阻式的結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。二、液壓支柱的結(jié)構(gòu)及特性液壓支柱單獨與頂梁配合支護頂板，稱為單體液壓支架。它也可以與頂梁、底座以及移架千斤頂?shù)冉M合而成為液壓自移支架。液壓支柱是典型的恒阻性能支柱。按其注油方式可分為內(nèi)注油式與外注油式兩種。內(nèi)注式液壓支柱使用的工作介質(zhì)是機油，它是通過搖動手把，操縱支柱內(nèi)的手搖泵，把油從低壓腔壓入高壓腔。支撐過程中通過安全閥來保證支柱對頂板具有一個恒定的工作阻力?；厥諘r，打開卸載閥使高壓腔內(nèi)的油回到低壓腔，活柱在自重作用下自動回縮。圖5－4為內(nèi)注式液壓支柱的簡單結(jié)構(gòu)圖。升柱時，操縱液壓泵，無壓油自活柱腔內(nèi)通過吸油孔進入泵體。再經(jīng)活塞加壓，自單向球閥壓至柱體內(nèi)。這樣使活柱上升。當支柱超過額定工作阻力時，工作液由通道進入安全閥，使安全閥打開，保持工作阻力恒定。支柱卸載時，則操縱手把，打開卸載閥，工作液從柱體腔內(nèi)經(jīng)過中心通道，經(jīng)卸載閥流入活柱上腔。圖5－4內(nèi)注液式支柱結(jié)構(gòu)示意圖1—柱體，2—活柱，3—活塞頭，4—泵，5—安全閥與卸載閥，6—上頂蓋，7—下柱座，8—支柱底腔，9—通道圖5－5為外注液式液壓支柱基本結(jié)構(gòu)圖。支設(shè)時，靠外部泵站經(jīng)管路系統(tǒng)通過注液槍向支柱供液。工作介質(zhì)是含有1~2％乳化油的乳化液。回收時打開卸載閥，把工作介質(zhì)排到支柱外部，活柱靠自重和彈簧力回縮。單向閥、安全閥和卸載閥共同組成一個三用閥，它是一個關(guān)鍵的部件，它的性能優(yōu)劣直接影響著支柱的工作特性。在工作面每隔10~15m需配備一把注液槍和一卸載手把。外注式和內(nèi)注式液壓支柱在使用上各有其特點：1)外注式液壓支柱需要配備液壓泵和管路系統(tǒng)，因而在使用上不如內(nèi)注式靈活，但柱體內(nèi)不需手搖泵，因此結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，成本低；2)外注式液壓支柱，每使用一次需要消耗一定的乳化液；3)外注式液壓支柱支設(shè)速度由液壓泵的流量決定。一般來說，泵的流量比內(nèi)注式液壓支柱的手搖泵要大的多，所以支設(shè)速度比較快。因此，在一些薄煤層或人行比較困難的工作面，來回拉注液槍有困難時，宜使用內(nèi)注式液壓支柱。在緩傾斜和傾斜中厚煤層工作面中，則更宜使用外注式液壓支柱。圖5－5外注式單體液壓支柱1—頂蓋；2—三用閥，3—活柱體，4—油缸，5—復位彈簧，6—活塞，7—底座，8—卸載手把，9—注液槍，10—泵站供液，11—注液時操縱手把方向，12—卸載時動作方向液壓自移支架內(nèi)使用的液壓支柱屬于外注式，其工作原理如圖5－6。圖5－6液壓支架支柱工作原理I—升柱狀態(tài)，Ⅱ—工作狀態(tài)，Ⅲ—卸載狀態(tài)1—活柱；2—柱體；3、9、10—管路；4—安全閥；5—單向閥；6—主回油管略；7—主進油管路；8—操縱閥升柱時操縱閥處于Ⅰ的工作狀態(tài)。工作液由泵站進入主油管7，后由C—A進入油管9，經(jīng)由單向閥5頂開閥蓋進入油管10，而后進入柱體2使活柱1升起。上腔的廢液則由管路3經(jīng)由操縱閥B—O進入主回油管路，回到泵站。降柱時操縱閥處于Ⅲ的狀態(tài)。高壓油由操縱閥C—B經(jīng)管路3進入支柱上腔，同時作用于單向閥5，使閥蓋頂開。此時下腔的廢液由管路10經(jīng)單向閥進入管路9，再由操縱閥A—O進入主回油路，返回泵站。三、單體支架支護方法分析單體支柱受力的大小，首先決定于頂板壓力的大小，有時還決定于底板的力學性質(zhì)以及頂梁是否具有壓縮性。單體支柱所受載荷在梁上的分布狀態(tài)，則取決于頂梁在支柱上的布置方式，如圖5－7所示。若接頂情況良好，以支柱為基準，前后梁的長度為1：1，則載荷應(yīng)是均勻分布，如圖中a。若考慮到頂梁兩端有一定的變形，則應(yīng)呈拋物線形，如圖中b。若比值為2：1，則為三角形分布，如圖中c。最好前后梁長的比例不大于2，因為，事實上多余的一部分梁對頂板不起支護作用，如圖中d。圖5－7單體支柱頂梁載荷分布在開始使用全部垮落法處理采空區(qū)時，把支架分為工作面支架與切頂支架兩部分，其布置方式如圖5－8。它的原則是利用工作面支架維護直接頂?shù)耐暾?，利用切頂支架將直接頂沿采空區(qū)切落，同時對基本頂也有一控制力矩。這種支護方式又稱為有排柱放頂。無排柱放頂如圖5－9所示。圖5－8有排柱放頂支架支撐力分布圖5－9無排柱放頂及支架支撐力分布（一）帶帽點柱支護在直接頂比較完整時使用。柱帽一般用厚為50~100mm，長為0.3~0.5m的木板或半圓木制成。帶帽點柱在工作面的排列方式有矩形布置與三角形布置兩種，見圖5－10。圖5－10帶帽點柱的布置方式(a)--矩形排列；(b)--三角形排列架設(shè)支柱時應(yīng)考慮煤層的傾角，一般應(yīng)向上傾斜2~4o。（二）棚子支護走向棚，頂板壓力大時可采用連鎖式走向棚，頂板壓力小時可采用對接式走向棚。當節(jié)理裂隙垂直于工作面時，采用傾斜棚。（三）機組工作面單體支架布置1懸梁與支柱的關(guān)系金屬支柱與鉸接頂梁組合成懸臂支架。按懸臂支架沿工作面推進方向的布置方式可分為正懸臂式與倒懸臂式兩種，如圖5－11所示。圖5－11機組工作面的懸臂支護(a)—正懸臂；(b)—倒懸臂采用正懸臂時，機道頂板有懸臂支護，必要時還可掏梁窩提前掛梁，打貼幫柱等，因此機道的安全條件比較好。在架設(shè)懸梁時，應(yīng)使舌端對著煤壁，以便在需要掏梁窩時，梁窩可以小些。這種方式的懸梁靠采空區(qū)一側(cè)伸出不長，因而不易折損。采用倒懸臂時，回撤靠采空區(qū)一側(cè)的支柱，不易被矸石埋住。當頂板比較破碎時，掏梁窩比較淺，因而容易掛梁。這種方式回柱時比較安全。2支架的布置方式有齊梁式與錯梁式兩種。四、液壓支架支護方法分析（一）液壓支架分類我國目前還沒有對液壓支架進行嚴格的分類。但就目前普遍應(yīng)用的名詞概念來說，基本上有三種名稱：即支撐式、掩護式與支撐掩護式?？紤]到科學性與習慣性，可以將此三類定為以下的概念：1)支撐式。指在結(jié)構(gòu)上沒有掩護梁，對頂板的作用