上面我们分析了支架额定工作阻力与组成覆岩的直接顶、基本顶、整体弯沉带岩层下沉速度的定量关系,并导出了它们关系的数学模型。我们分析研究它们之间关系的目的,就是为解决对覆岩运动合理控制问题。关于覆岩运动合理控制,它包含有支架合理工作阻力确定及安全阀合理参数的确定。对于支架控制覆岩运动所应具备的合理额定工作阻力,可以用工作面顶板允许下沉量去确定,也可用工作面顶板允许下沉速度去确定。在实际工作中,都用工作面顶板的允许下沉量去确定,而不用工作面顶板的允许下沉速度去确定。因此,安全阀有关参数的确定就成了支架额定工作阻力与顶板下沉速度关系研究的主要目的,而安全阀的主要参数就是它的流量以及与流量相关的流速、复位弹簧的复位压力等。

关于安全阀流量设计的理念应是,在基本顶断块来压下沉运动期间,顶板下沉迫使支架活柱下缩,从底柱中排出的流量应能及时地由安全阀流出,不因安全阀流量不足而引发支架损毁及顶板事故。这就是说,进出安全阀的流量应平衡。因此有:

式中:

υf——支架安全阀的泄液流速,cm/s;

Ff——支架安全阀的活塞断面积,cm2;

υd——基本顶断块来压下沉速度,即顶板下沉速度,cm/s;

Fg——支架活柱活塞断面积,cm2。

由式(5-6)看出,从采矿角度看,影响支架安全阀相关参数设计的因素有两个:一个是工作面顶板的下沉速度;另一个是支架所具备的额定工作阻力,即支架活柱活塞的断面积。

在支架工作阻力一定条件下,工作面顶板(基本顶断块)来压下沉速度越快,从支架底柱中排出的流量就越多,相应要求安全阀卸出流量也要大。而在工作面顶板下沉速度一定条件下,支架额定工作阻力越高,要求活柱活塞的断面越大,因此从底柱中排出流量相应也越大,需要安全阀卸流流量也要大。那么在支架底柱排出流量一定条件下,与安全阀流量相关的参数又如何确定呢?

我们知道,支架控制覆岩使之在允许范围内运动所具备的合理额定工作阻力,取决于可控岩层(即直接顶、基本顶岩层)运动参数,在直接顶、基本顶岩层即可控岩层运动参数一定条件下,支架控制覆岩运动所应具备的合理额定工作阻力为一定值。工作面顶板在这一阻力的控制下,其来压下沉速度小于或等于工作面顶板的允许下沉速度υy。因此,υy就成了支架安全阀流量及其相关参数设计的基础数据,据此,将工作面顶板的允许下沉速度υy去替代式(5-6)中的顶板下沉速度υd,就可求出支架缸体最大允许排量,即安全阀的最大允许设计流量,其式为:

在安全阀最大允许设计流量υfFf确定后,就可以根据该流量及帕斯卡原理,即支架活塞压强就是安全阀活塞开启压强原理,确定出安全阀另一个重要参数,即安全阀复位弹簧的复位压力,其式如下:

式中:(www.daowen.com)

Phe——支架所具备的合理额定工作阻力,kN;

Pf——安全阀复位弹簧的复位压力,kN;

p——安全阀活塞的开启压强,即达到额定工作阻力的支架活柱活塞压强,kN/cm2。

式中的支架合理额定工作阻力Phe及工作面顶板的允许下沉速度υy都是已经确定的定值。由式(5-8)看出,安全阀复位弹簧的复位压力与其卸流速度成反比,也就是说,安全阀卸流速度越大,其复位弹簧的复位压力越小,反之则大。而安全阀弹簧的复位压力越大,安全阀制造工艺也就越复杂,且灵敏度也降低,因此为了减少安全阀制造难度及提高其灵敏度,适当增加安全阀的流速是一个不错的选择。但是一味追求降低安全阀制造难度,提高其灵敏度而不适当地提高其卸流速度,那也会引起不良后果,这就是有可能因安全阀卸流断面过小而引发安全阀卸流不及时,造成毁坏支架事故,如爆缸或活柱弯曲。因此,在安全阀参数设计时,应协调好流速与复位弹簧复位压力,即卸流断面与复位弹簧复位压力之间的关系。由式(5-8)可求出安全阀的流速,即:

υyPhe在既定顶板条件下,它为一常量,这就是说,在既定的支架额定工作阻力Phe及工作面顶板允许下沉速度υy的条件下,要协调好安全阀流速υf与复位弹簧压力Pf之间的关系,这是安全阀参数设计的关键。在工作面顶板允许下沉速度范围内,对于那些顶板下沉速度波动范围较大的工作面,应适当增加安全阀流量,即增加其活塞断面积,也就是增加复位弹簧的压力,以降低安全阀的卸流速度,从而保证支架安全正常工作。因此,在安全阀复位弹簧复位压力及其卸流流速设定过程中,既要考虑到安全阀制造要简单,动作要灵敏,又要照顾到安全阀及时卸流,保证支架正常运作,这就是支架安全阀参数确定准则。

由上述分析看出,在基本顶断块来压运动期间,活柱下降排出流量υyFg就是安全阀的最大允许且合理设计流量。因此,由式(5-9)看出,工作面顶板的允许下沉量υy及支架合理额定工作阻力Phe,是支架安全阀有关参数(流速υf和复位弹簧复位压力Pf)设计的决定因素,也就是支架安全阀参数设计的依据。

对于缓慢来压基本顶断块,它的来压下沉速度在支架合理额定工作阻力的控制下都小于工作面顶板的允许下沉速度,所以,以工作面顶板允许下沉速度确定的安全阀的相关参数就足以满足并适应顶板的下沉运动。这时我们可以先设定一个有利于安全阀制造的安全阀复位弹簧的复位压力即弹力Pf,依据式(5-9)可以求出安全阀的允许卸流流速υf,安全阀允许卸流速度υf,求出后,我们再判定它是否合理。如发现该流速过大或过小,这时我们可以通过调整流速来协调安全阀流速υf与复位压力Pf之间关系,以调整过的流速再通过式(5-9)再反求出复位弹簧的复位压力,通过调整最终确定合理的υf及Pf。这就是缓慢来压条件下,支架安全阀参数的确定过程。经过调整后的安全阀参数能使得安全阀制造和支架安全正常工作得到兼顾。

值得注意的是,在基本顶断块被具有合理额定工作阻力支架控制情况下,基本顶断块来压运动初始阶段的下沉速度很小,几近于零,但伴随工作面推进,顶板下沉速度在增加,此时应控制工作面推进速度,使基本顶断块在来压运动结束时的下沉速度小于最大等于工作面顶板允许下沉速度。

需要说明的是,在上述情况下,如果工作面顶板的来压下沉速度超过了工作面顶板的允许下沉速度,应首先查明造成顶板下沉速度超限的原因,其原因不外乎有两个:一个是开采自然地质条件的变化,即围岩与煤层的赋存条件、物理力学性质变化;第二是开采技术管理水平的高低。如基本顶断块、直接顶岩层运动参数的变化,直接顶底板岩层变得松软破碎、煤层开采条件的变化、工作面推进速度、支架漏液等。在查清的基础上,以便采取有针对性的措施管控顶板运动。

对于快速来压基本顶断块,它的下沉速度就很快了,远远超过了工作面顶板的允许下沉速度。此时,支架底柱中排出液体的流量也就很大了。在这种情况下,如用常规支架控制顶板运动,将因支架安全阀不能及时将支架底柱流出的液体排出,而发生支架爆缸、活柱弯曲的砸垮型垮面事故。为了保证采场及支架的安全,就要求支架将工作面顶板(基本顶断)来压下沉速度,控制到使其等于工作面顶板允许下沉速度,这需要支架具备很高的额定工作阻力,在这种情况下,支架本身制造难以实现。而此时如果采用常规阻力支架控制快速来压运动基本顶断块,如只单纯考虑支架安全,需要支架安装在瞬时内将底柱中乳化液卸出的大流量安全阀,而这样安全阀也无法制造。退一步说,就是支架安装了这样大流量安全阀,它也控制不了顶板的快速来压运动,工作面同样要发生砸垮型垮面事故。这就是说,大流量安全阀,它只是适应了顶板的快速来压运动,而控制不了快速来压运动基本顶断块对采场产生的冲击,最终连支架也保护不了。因此,对于快速来压基本顶断块,特别是呈现大面积来压基本顶岩层,既不能够实现以支架合理额定工作阻力来控制顶板的快速来压运动,又不能够实现以大流量安全阀来保护支架免遭摧毁,因此,对于快速来压运动基本顶断块应采取相应措施来加以控制,如强制爆破切顶,顶板注水软化,充填法等。