气垛支架支护特性的研究.pdf

中国矿业大学学报990 316 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG x , y 为岩层内点的坐标. 计算结果见图3. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 316 . h t m （第 4／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 49 中国矿业大学学报990 316 图3 围岩垂直应力分布 Fi g . 3 D i s t r i b u t i o n o f v e r t i c a l s t r e s s i n s u r r o u n d i n g r o c k 由图3可知，气垛支架与单体支柱相比，围岩在较大范围内出现压应力，数值仅为 单体支柱的1/ 4～1/ 13；随远离接触表面，支架上、下方岩层内的应力衰减比较缓慢. 3. 2 气垛支架的刚度特性 根据实验结果［3］，气垛支架的工作特性是微增阻急增阻，可以分为3个阶段. 对于PS1. 0 型气垛支架，各段的刚度见表2 . 表2 气垛支架的刚度 T a b l e 2 Ri g i d i t y o f a n a i r b a g 工作高度/ m m 初始内压p 0/ M Pa 0 . 2 80 . 39 0 . 480 . 59 8 0 0 ～1 0 0 00 . 2 7 0 . 35 0 . 37 0 . 50 6 0 0 ～8 0 00 . 44 0 . 6 5 0 . 7 0 0 . 7 5 40 0 ～6 0 01. 14 1. 47 1. 6 0 1. 8 0 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 316 . h t m （第 5／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 49 中国矿业大学学报990 316 注气垛支架的刚度单位为k N/ m m . 由表2 可见，气垛支架的初始高度为1. 0 m 时，随着压缩量的增大，其抗压缩刚度迅 速增大. 同时，随着初始内压的增加，抗压缩刚度也明显增大；初始内压对刚度的影响 随压缩量的增大而更加显著. 例如，当压缩量达40 0 m m 之后，初始内压为0 . 2 8 M Pa 时， 刚度为1. 14k N/ m m ；内压为0 . 59M Pa 时，刚度为1. 8 0 k N/ m m ，后者是前者的1. 58 倍. 由此 可见，初始内压不仅影响气垛支架的初撑力，而且显著影响其压缩过程中的工作阻力 增量即刚度. 表3给出了气垛支架与液压支柱、液压支架刚度的对比情况. 气垛支架在初 撑阶段的刚度远低于单体液压支柱和液压支架，这有利于采空区顶底板闭合，保证老 顶的缓慢下沉，但对于脆性顶板则需要提高其支护刚度. 表3 气垛支架与液压支柱（架）的刚度对比 T a b l e 3 Co m p a r i s o n b e t w e e n r i g i d i t y o f a i r b a g s a n d t h a t o f s i n g l e h y d r a u l i c p r o p s k N/ m m 支架类别单体液压支柱 液压支架 气垛支架 初撑阶段12 . 56 6 . 71. 8 9 急增阻阶段0 恒阻0 恒阻4. 2 2 3. 3 气垛支架的工作特性 气垛支架的工作特性取决于初始内压和工作高度. 图4描述了PS1. 0 型气垛支架初撑 力与工作高度（煤层采高）和初始内压p 0的关系，图5为PS1. 0 型气垛支架在初始内压为 0 . 5M Pa 时的工作特性曲线. 从图4可以看出，气垛支架初撑力与初始内压成正比，与工 作高度成反比，即煤层越薄，气垛支架的力学性能越好. 从图5可以看出，气垛支架的 实测工作阻力大于理论计算值，主要是气垛支架在被压缩过程中材料延伸，其与顶底 板的实际接触面积大于计算值. 气垛支架的有效作用范围实际上只有0 . 8 ～1. 0 m ，相应的 支护阻力为2 2 0 ～40 0 k N，内压为0 . 5～0 . 8 M Pa ，远低于气垛爆破压力，说明气垛支架的 备用支护能力较大. 可以采用在内腔注水代替部分空气介质的方法，提高支架刚度，增 大支护阻力的利用率. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 316 . h t m （第 6 ／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 49 中国矿业大学学报990 316 图4 气垛支架的初撑力与工作高度的关系 Fi g . 4 Re l a t i o n s h i p b e t w e e n s e t t i n g l o a d o f a n a i r b a g a n d i t s w o r k i n g h e i g h t 图5 气垛支架的工作特性曲线 Fi g . 5 W o r k i n g c u r v e s o f a n a i r b a g 4 结 论 1） 气垛支架作为柔性支护设备，可以抵抗顶板冲击载荷，产生抵抗顶板运动的 水平推力，较好地控制工作面顶板； 2 ） 气垛支架对岩层表面及深部压力均匀，有利于改善回采工作面围岩应力状 况，特别适应于工作面松软底板； 3） 气垛支架的发展方向是实现自移，从而一方面可以扩大气垛支架对煤层厚度 的适应性，另一方面可以在气垛支架内充入液体以提高支护刚度，改善其不足. *煤炭科学基金资助项目（93采2 0 2 2 1） **北京开采所，薄煤层气垛支架的应用研究（煤炭工业重点科技项目鉴定材料）. 1996 作者简介 范韶刚，男，196 7 年生，工学硕士，工程师 作者单位范韶刚 史元伟 康立军煤炭科学研究总院北京开采研究所 北京 10 0 0 13 余 开 清上京矿务局 福建三明 36 6 10 2 参考文献 1 史元伟，孙守山，范韶刚. 气垛支架在薄煤层中的应用及发展前景. 中国煤炭，1995 6 2 4～2 7 2 史元伟，陈社杰. 回采工作面底板岩层控制. 北京煤炭工业出版社，1993. 6 2 ～6 3 3 孙守山，范韶刚. 气垛支架在急倾斜薄煤层中的应用研究. 煤炭科学技术，1995 9 3～6 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 316 . h t m （第 7 ／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 49 中国矿业大学学报990 316 收稿日期1998 -0 9-0 4 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 3/ 990 316 . h t m （第 8 ／8 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 49