L0>50；N≤0．3
L0=25~50
N≤0.3,L0>50
基本顶的分级分析如下：
（1）Km＞5，基本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的顶板。
（2）2＜Km＜5，基本顶的失稳对工作面支架有较为严重的影响，称为有周期来压的顶
板“
（3）Km＜2，甚至没有直接顶。
基本顶的悬露与垮落都将对工作面支架有严重的影响，称为周期来压严重的顶板。
（4）基本顶特别坚硬，又无直接顶。
顶板常常在采空区内悬撂上万平方米不垮落。
当其垮落时，则形成暴风，顶板往往沿工作面切落，造成事故。
这类顶板称为坚硬顶板。
现在采用爆破放落部分顶板，或注入高压水使顶板弱化等办法处理顶板，已可基本控制大面积顶板垮落对工作面造成的严重威胁。
（5）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，面后逐渐与煤层底板相接触。
这种顶板只可能在薄煤层或厚度不大的中厚煤层的石灰岩顶板中出现。
基本顶的失稳不仅决定于Km的指标，还与基本顶的节理裂隙发育程度及其在岩层中的分布方式有关，以及与基本顶的厚度和含水情况等因素有关。
Km值只是一个极为概略的总体性指标。
对于具体情况，还必须运用岩体结构稳定性分析进行研究。
1.3底板特征
底板岩层在矿山压力控制中涉及两类问题：
一方面是煤层开采后引起的底板破坏，其范围将与开采范围及采空区周围的支撑压力分布有关。
底板的破坏可能导致地下水分布的变化，如我国华北地区许多煤层的底板为奥陶纪石灰岩，富含水性，煤层开采后底板的变形破坏可能引起突水事故，因此必须研究开采后的底板破坏规律。
另一方面从采煤工作面支护系统而言，支护系统的刚度由“底板—支架一顶板”所形成，因此底板岩层的刚度将直接影响到支护性能的发挥，由于单体支柱的底面积仅100cm2，在底板比较松软情况下，支柱很容易插人底板，从而影响对顶板的控制。
工作面支柱插人底板的破坏形式有三种：
整体剪切、局部剪切和其他剪切，如图51所示。
图5-1支柱对底板的破坏形式
（a）整体剪切；（b）局部剪切；（c）其他剪切；（d）穿鞋剪切
整体剪切的特征是：
当载荷达到某一定值后，突然下降，压入深度迅速增大，此突破点称为底板的极限抗压人强度。
局部剪切的特征是：
没有明显的突破点，但随载荷的增加，压人深度的变化率增长较快。
其他剪切的破坏形式介于前两者之间，突破点不明显，但载荷超过突破点后压人深度明显增大。
实践中为防止支柱插底，提高支护系统的刚度，采取穿柱；鞋的措施。
当支柱穿上柱鞋时，则其承受的载荷将随底鞋的特点而明显增加。
当底鞋压裂后，其承载能力迅速下降，穿底量明显增大。
此处应指出，底鞋不宜采用木材，因为木材的横向抗压强度甚小，3MPa，与软底板情况相近，抗插入能力差，故效果不明显。
根据我国煤矿开采工作面底板对支柱的影响，将底板进行分类，见表5-5。
可根据此表选择支柱应具有的底面积。
表5-5我国缓倾斜煤层工作面底板分类方案
任务2采煤工作面支架工作特征
采煤主作面支架主要是由梁和柱组合而成的。
根据支柱和顶梁的的配合关系，可将采、煤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，根据金属支护的特性，又可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，后者使用的则为液压支柱。
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，而且偏移溜等一系列工序也同时实现了机械化，大大减轻了工人繁重的体力劳动。
金属顶梁是刚性结构件。
支柱则常由两节（即活柱和底柱）几组成。
它们之间的伸缩关系形成了支柱的可缩性。
因此，支架的特性主要是由支柱的特性决定的。
对于液压支架其力学性质不仅决定于液压支柱的力学特性，还取决于其结构，可形成不同的力学特性。
但架设支架后形成了顶底板围岩与支架的组合体，此组合体特性还决定于架设时底板与支柱间有无浮歼，支柱能否插人顶底板等情况。
目前所使用支柱的典型工作特性。
图5-2所示。
图5-2支柱的几种典型工作特性曲线
（a）急增阻式；（b）微增阻式；（c）恒阻式
P0`一初撑力；P0一始动阻力；P1一初工作阻力；P2一额定工作阻力或最大工作阻力
图5-2中符号含义如下：
P0'—初撑力。
支架支设时，将活柱升起，托住顶梁，利用升柱工具和缩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，则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所形成的，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。
急增阻式。
支柱开始支设时，有一个极小的人为的初撑力P0'。
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5-2（a）。
我国使用过的HZJA型金属支柱属于急增阻式。
微增阻式。
同急增阻式一样，具有较小的初撑力与始动阻力。
但随着活柱的下缩，工作阻力先有一个急剧增长过程。
当达到初工作阻力P1后，随着支柱的一继续下缩，工作阻力的增长变得极为缓慢，一直到支柱的最大可缩量，即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5-2（b）。
我国使用过的HZWA型摩擦金属支柱属于微增阻式。
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，其特性曲线见图5-2（c）。
液压支柱是典型的恒阻性能支柱。
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，急增阻式性能比较差。
我国煤矿长壁工作面支护方式最初为木支柱，而后发展为单体金属摩擦支柱（急增阻和微增阻），再到单体液压支柱（恒阻式）。
现在广泛应用液压支柱和顶梁、底座、移架千斤顶组合而成的液压自移支架。
2.1单体液压支柱
2.2.1单体液压支柱结构
单体液压支柱是典型的恒阻性能支柱。
按其注液方式不同，可分为内注式和外注式。
内注式液压支柱如图5-3所示，事先在柱体内注好工作液（机油）。
升柱时通过摇动手把，操纵支柱内的液压泵，把工作液从低压腔注入高压腔，使支柱升起，见图5-4（a）。
支柱降柱卸载时则操纵手把打开卸载阀，工作液从柱体腔（高压腔）内经中心通道，经卸载阀流回到活柱上腔（低压腔），活柱在自重作用下自动回缩，见图5-4（b）。
图5-3NDZ型内注式单体液压支柱结构图
1-顶盖；2-通气阀；3-螺钉；4-垫圈；5-方轴；6-凸轮；7-安全阀；8-活柱体；9-滑块；10-卸载环；11-手把体；12-中心管；13-油体；14-支柱活塞；15-单向阀；16-环形槽；
17-进油阀；18-档圈；19-油泵活塞；20-内腔空问；21-柱塞；22-转圈；23-孔；
24-卸载阀圈；25-卸载阀；26-卸载阀弹簧；27-卸油孔
图5-4内注式单体液压支柱与卸载示意图
（a）升柱示意图；（b）卸载示意图
外注式液压支柱如图5-5所示，工作液（乳化液）是由外部供给的。
它的工作过程见图5-6。
升柱时，由采煤工作面巷道中的泵站将高压乳化液经过管道送至工作面，再经注液枪通过支柱单向闷注人支柱腔内，在高压乳化液的作用下，支柱升起并支撑顶板，注液完毕后，注液枪从三用阀上拔下。
当顶板压力超过支柱额定工作阻力时，自动开启安全阀，高压乳化液外流，但当顶板压力下为降为低于支柱额定工作一阻力时，安全阀自动关闭，高压乳化液停止外流，使支柱工作阻力保持恒定。
降柱卸载时，操作手把使柱腔内的高压乳化液经三用阀排出柱外，活柱在自重和复位弹簧作用下回缩，达到、降柱的目的。
外注式和内注式单体液压支柱的规格见表5-6和表5-7。
表5-6外注液式单体支柱
型号
支撑高度/mm
工作行程/mm
工作阻力/N
初撑力/N
工作液压力/Pa
油缸直径/mm
升柱时间/s
降柱时间/s
泵压/Pa
质量/kg
生产厂
最大
最小
DZ06
DZ08
DZ10
DZ12
DZ14
DZ16
DZ18
630
800
1000
1200
1400
1600
1800
450
545
655
790
870
980
1080
180
255
345
460
530
620
720
245*103
49*103
4900*104
80
<10
<10
980
*104
23.152
5.1
28
31.5
34.55
37.55
40
49
55
58
北京、郑州等煤矿机械厂
4900*104
<15
DZ20
DZ22
2000
2240
1240
1440
760
800
294*103
76.93*103
3743.6*104
100
<20
DZ25
2500
1700
800
245*103
76.93*103
3110.4*103
100
表5-7内注液式单体支柱
型号
支撑高度/mm
工作行程/mm
工作阻力/N
工作液压力/Pa
初撑力/N
手把上的作用力/N
全行程降柱时间/s
手把摇一次活柱上升量/mm
柴油量/L
质量/Kg
生产厂
最大
最小
升柱
回柱
NDZ06
NDZ08
NDZ10
NDZ12
NDZ14
NDZ16
NDZ18
NDZ20
NDZ22
650
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2240
540
590
720
870
1000
1100
1250
1400
1540
140
210
280
330
400
500
550
600
700
245*
103
4900*104
39.2*104
49*103
196*103
196*
103
10
15
1
1.3
1.7
2.1
2.5
3
3.3
4
4.8
22
24.5
28
32
35
38
42
50
54.5
郑州等煤矿机械厂
1202
294*
103
4625*104
68.6*103
78.4*103
245*103
14
20
294*103
17
图5-5外注式单体液压支柱结构
1-顶盖；2-三用阀；3-活柱；
4-手把；5-油缸；6-活塞；7-底座
外注式和内注式单体液压支柱各有特点：
（1）外注式液压支柱需一套泵站和管路系统，使用时不如内注式液压支柱灵活方便，但重量较轻，成本较低。
（2）外注式液压支柱的支设速度由液压泵站的流量、压力决定，升柱速度快，工作行程大；内注式液压支柱手摇泵的流量小，升柱速度较慢。
（3）外注式液压支柱的乳化液外流，且有损耗；内注式液压支柱工作液（机油）内部循环，无损耗。
内注式液压支柱适用于薄煤层或行人困难的采煤工作面；外注式液压支柱适用于缓斜、倾斜中厚煤层工作面，一些急斜煤层工作面目前也有使用。
采煤工作面若采用的摩擦金属支柱与金属铰接顶梁配合支护，称为摩擦式金属支架支护，若采用单体液压支柱与金属铰接顶梁配合支护，则称作为单体液压支架支护。
图5-6外注式单体液压支柱工作原理
1-泵站系统；2-主管截止阀；3-主管三通；4-主管路；5-支管截止阀；6-注液枪胶管；
7-注液枪；8-液压支柱；9-三用阀；10-卸载手把；11-顶梁；12-煤壁；13-过渡器
HDJA型金属铰接顶梁如图5-7所示，由梁体、左右耳子、接头、销子和楔子等组成。
其几何尺寸等基本参数见表5-8。
图5-7HDJA型铰接顶梁
l-接头；2-梁身；3-耳子；4-销子；5-楔子
表5-8HDYA型铰接顶梁
2.2.2支柱实际（有效）支撑能力的确定
1）影响支柱支撑能力的因素
（1）．顶底板的强度。
顶底板的强度越大，越利于提高支柱实际支撑能力。
若底板松软或有浮煤存在时，支柱就会钻底，使支柱的工作阻力难以提高，如图5-8（a）所示，当柱帽劈裂后，支柱易于钻顶，支柱的工作阻力也上不去，失去了应有的支撑作用。
图5-8支柱工况测定
（a）支柱钻底；（b）支柱柱帽压缩
（2）．辅助支护材料的压缩舒辅助支护材料（柱帽、背板、笆片等）被压缩时，使支柱工作阻力有所下降，如图5-8（b）所示。
（3）．支柱的架设质量。
支柱架设质量不高会明显影响支柱工作阻力正常发挥。
（4）．支柱承载能力。
支柱支设质量、浮煤压缩、支柱的抽底和钻顶及辅助支护材料压缩等原因，造成支柱在工作面中所产生的工作阻力不均匀，结果是整体支撑能力下降。
（5）．支柱的工作特性。
、一从支柱的工作特性可知，随着活柱下缩量的增加，支柱的土作阻力增大，控顶范围内不同排的支柱的活柱下缩量不同，支柱的工作阻力也不相同。
2.1.2支柱实际支撑能力的确定
支柱因受许多因素的影响，其实际支撑能力往往低于支柱额定的最大阻力。
支柱不钻底、支护质量正常时，实际支撑能力为
（5-2）
式中：
Pt—支柱实际支撑能力，kN/柱；
KB—支柱承载不均匀系数；
KZ—支柱的曾阻系数；
RB—支柱回撤时的工作阻力，kN/柱。
2.2液压支架
2.2.1液压支架分类
液压支架是众在、底座与顶梁联合为二个整体的结构，避免了单体支架支设与回撤的劳动强度大、组合不稳定、工作面来压时易于被推倒等缺点。
随着液压支架的发展，形式与种类不断增多，对于这些支架结构的分类方法，归纳起来有两种基本观点。
1）．按对顶板的支撑面积与掩护面积的比值分类
（1）支撑式液压支架。
。
支架对顶板起支撑作用而无掩护作用。
（2）支撑掩护式。
支架顶部对顶板的支撑部分长度大于掩护部分的长度。
（3）掩护支撑式。
支架对顶板的掩护部分大于支撑部分。
（4）掩护式。
这种分类法事根据支架对顶板的作用特点进行分类的，具有一定的科学性。
但有时对于同一种结构，由于设计的参数不一，从而使支架难于命名。
2）．按支架结构进行分类
这种分类法主要将液压支架按有无掩护梁分为两大类。
凡是有掩护梁的液压支架统称为掩护式，相反则为支撑式。
这种分类法认为，液压支架使用掩护梁是在结构上的一个突破，它使束柱本身不承受水平力。
在掩护式支架中再根据支柱的数量或顶梁的运动轨迹对支架进行命名。
这种分类法的缺点是没有体现支架对顶板的作用特点。
我国目前还没有对液压支架进行严格的分类。
考虑到科学性与习惯性，就目前普遍应用的名称来说，基本上有三种：
即支撑式、掩护式与支撑掩护式。
（1）支祥式。
指在结构上没有掩护梁，对顶板的作用是支撑的支架称为支撑式一支架。
（2）掩护式。
指在结构上有掩护梁，单排立柱连接掩护梁或直接支撑顶梁对顶板起支撑作用的支架。
（3）支撑掩护式。
指具有双排或多排立柱及掩护梁结构的支架，支柱大部或全部通过顶梁对顶板起支撑作用，可能有部分支柱是通过掩护梁对顶板起作用。
另外，将对顶板仅起掩护作用的液压支架称为纯掩护式液压支架。
这种命名法在一定程度上既考虑了支架的支撑特点，同时又考虑了支架的结构特点。
2.2.2支撑式液压支架支护方式分析
支撑式液压支架包括四柱垛式、六柱垛式以及节式等多种形式。
我国使用的比较典型的有BZZC型，其结构如图5-9所示。
图5-9BZZC型四柱垛式支架结构
1-前梁；2-千斤顶；3-立柱；4-操纵阀；5-座箱；6-推移千斤顶；
7-顶梁；8-挡矸帘；9-复位油缸
支撑式支架顶梁长度都在3.5m~4.5m，而每循环进度为0.6m，因而整个控顶距常需要割6~7刀。
图5-10垛式支架支撑力分布状态
支撑式液压支架在完整顶板与破碎顶板中使用，应用效果大不相同。
由于支撑式液压支架具有通风断面大、行人方便、结构简单及重量轻等优点，因此在可能条件下应予采用。
支撑式液压支架支撑力的分布，与排柱放顶的单体支架工作面相类似。
以BZZC为例，支撑力在顶梁上的理想分布状态如图5-10所示
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