05采场顶板支护方法

1、第五章第五章 采场顶板支护方法采场顶板支护方法第一节第一节 顶板分类与底板特征顶板分类与底板特征第二节第二节 采场支架类型与支架力学特征采场支架类型与支架力学特征第三节第三节 采场支架与围岩相互作用原理采场支架与围岩相互作用原理第四节第四节 采场支护设计采场支护设计第五节第五节 采场来压预报与支护质量监测采场来压预报与支护质量监测目 录第一节第一节 顶板分类与底板特征顶板分类与底板特征一、采场矿山压力控制的概念为了保证回采工作面的正常生产和人员安全，必须对工作面矿山压力加以控制。采场矿山压力控制采空区处理工作面支护对于全部冒落法处理采空区而采场支架并不是孤立存在的，而是处在一个由围岩组成的系统

2、中：“老顶直接顶支架底板”。 必须具备一定的可缩量； 必须具备一定的支撑性能,即一定的支撑阻力 直接顶是支架直接维护的对象，支架通过它对老顶进行控制。直接顶的完整程度直接影响工作面安全和支护方式的选择。影响直接顶完整性的两个因素：岩层的力学性质：抗拉、抗压强度，弹模等岩层内节理裂隙的发育情况：原生裂隙、构造裂隙、压裂裂隙。二、对直接顶的分类德国学者雅可毕根据裂隙面与工作面顶板岩层层面的位置关系，将裂隙分为图51所示的5类。图图51 直接顶各类裂隙图直接顶各类裂隙图直接顶的分类直接顶的分类以直接顶的初次垮落步距l0作为分类指标，分为4类。1类 l08m 不稳定顶板2类8ml018m中等稳定顶板3

3、类18ml028m 稳定顶板4类28ml050m非常稳定顶板 图图53 顶板端面破碎度顶板端面破碎度的计算示意图的计算示意图%100ffeafa端面破碎面积f支架梁端到煤壁面积三、老顶的分级, , e=e,老顶初次来压当量；n=h/m直接顶厚度与采高之比老顶初次来压当量将老顶分为如表5-2的4级。四、底板特征与分类图544 支架与围岩体系刚度模型整体剪切整体剪切局部剪切局部剪切其它剪切其它剪切第二节第二节 采场支架类型与支架力学特性采场支架类型与支架力学特性一、几个概念一、几个概念木支柱金属摩擦支柱液压支柱 支柱的撑力：支柱的撑力：支柱对顶板的主动作用力。 支柱的阻力：支柱的阻力：支柱受顶板压

4、力作用而反映出来的力 初撑力初撑力 ：支架架设时，利用升柱工具使支柱对顶板产生的主动支撑力。 始动阻力始动阻力 ：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。这种力是顶板压缩支柱而形成的。 初工作阻力初工作阻力p1：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。 最大工作阻力最大工作阻力p2：支柱所能承受的最大负载能力，又称为额定工作阻力。0p0p图57 支柱的几种典型特性曲线工作阻力急增阻式微增阻式恒阻式增阻特性单体液压支柱与摩擦式相比优点优点：初撑力大：70100kn；工作阻力大且稳定，一般在300kn左右；回柱安全可靠缺点缺

5、点：初期投资大；但更能适应采高和倾角变化大的煤层，且价格低廉。二、单体液压支柱的结构与特性二、单体液压支柱的结构与特性分类分类：内注油式：内注油式：使用工作介质是机油，通过摇动手把，操纵支柱内手摇泵，把油从低压腔压入高压腔，通过安全阀保持额定工作阻力，手摇泵最大油压可达710。：外注油式：外注油式:靠外部供油，油压取决于外部油泵压力大小。 工作原理：工作原理： 升柱初撑； 承载溢流； 降柱卸载；外注油式内注油式 外、内注式特点：外、内注式特点： 1）外注式需管路系统，柱体内不需手摇泵，结构简单，重量轻，成本低，内注式灵活； 2）外注式要消耗乳化液； 3）外注式支设速度由液压泵流量决定。流量大，

6、支设快。 适用条件：适用条件： 薄煤层，工作面行人困难，来回拉枪困难内注 缓及倾斜中厚煤层工作面中 外注三、液压支架的分类三、液压支架的分类1.支撑式：支撑式：支撑式支架支护性能：支撑式支架支护性能：支撑力大，作用点在支架中后部，切顶性能好；对顶板重复支撑次数多，易把完整的顶板压碎；抗水平载荷能力差，稳定性差；护 矸能力差，矸石易窜入工作空间；支架工作空间和通风断面大。适应于缓倾斜、顶板稳定的薄与中厚煤层适应于缓倾斜、顶板稳定的薄与中厚煤层。2、掩护式、掩护式根据立柱布置和支架结构特点，掩护式支架根据立柱布置和支架结构特点，掩护式支架分支掩掩护式支架和支顶掩护式支架。分支掩掩护式支架和支顶掩护

7、式支架。掩护式支架支护性能：掩护式支架支护性能：支撑力较小，切顶性能差，顶梁短，支撑力集中在靠近煤壁顶板， 支护强度较大、均匀，掩护性好， 能承受较大水平推力，对顶板反复 支撑次数少，能带压移架。顶梁短，立柱倾斜布置，作业空间和通风断面小。用于直接顶中等稳定以下，顶板周期来压用于直接顶中等稳定以下，顶板周期来压不强烈的采煤工作面。不强烈的采煤工作面。3、支撑掩护式、支撑掩护式根据支架的结构特点分支顶支撑掩护式和根据支架的结构特点分支顶支撑掩护式和支顶支掩支撑掩护式。支顶支掩支撑掩护式。支撑掩护式支架支护性能：支撑掩护式支架支护性能：顶梁长度较掩护梁长，增加了支撑力，缩短了掩护梁长度，同时改善了

8、支架底座与底板受力情况。但控顶距加大，支架昂贵，重量较大，支架结构复杂。适用于直接顶中等稳定、稳定和坚硬，周期压力强烈，底板软硬均可，煤层倾角一般不大于25，煤层厚度14.5m，沼气涌出量适中的采煤工作面。液压支架的型号编制修改序号补充特征代号主参数代号：液压支架工作阻力 液压支柱最小高度 液压支架最大高度第二特征代号第一特征代号产品类型代号如：zfs4000/16/28c插板式最大高度2800mm工作阻力4000kn最低高度1600mm双运输机放顶煤液压支架液压支架型号示例液压支架型号示例nzy10000/27/56d d 电液控制nzfs4000/16/28c c 插板式nzy4000/1

9、7/35p p 铺网支架四、各类综采液压支架的分析四、各类综采液压支架的分析支撑式液压支架支护分析支撑式液压支架支护分析支撑式分两种情况讨论其适用性：一、直接顶完整一、直接顶完整hq1q2p1p2lq1ll1l2 分析各种顶板压力时支架工作阻力反应，先只考虑只有 作用，无 作用的情况。 显然， 当 ，则支架将失稳，从而形成附加力q3设计支架时，应免除这种情况。 假设q1与q2的合力正好处于前后柱之间，则 ，由此，支架前后柱所受的力为： 1以后柱为支撑点： 2以前柱为支撑点： 11211lllll或2111llll2121121/ )(0llllqpmo；211112/ )(0lllqpmo；

10、因此，前后柱受力比为： 由此，分析以下三种情况： （1）令 ，即p1=0，此时压力集中于后柱，条件为 ，这种情况具有悬顶距大，破断角小，顶板较坚硬才会发生。 11121112121llllllllpp01112，lll211lll（2）令 ，即p2 = p1， 前后柱受力相等： （3）令 ，即p1 p2， 前柱受力大于后柱，此时：12112，lll12112，即lll2211lll2211lll二、直接顶比较破碎二、直接顶比较破碎 主要表现形式之一是：切顶线前移。 表现形式之二是：控顶区上部冒空。 对煤壁上方顶板完整性破坏采取措施有：对煤壁上方顶板完整性破坏采取措施有： 1缩短空顶距 2提高前

11、梁工作阻力 3带压前移 4遇有漏空现象及时勾顶 5改善或交换支架结构与架型 6超前煤壁直接顶破碎，应注速凝剂，或安设锚杆，加固，恢复其完整性 三、支撑式支架使用条件三、支撑式支架使用条件 1直接顶较完整，周期来压剧烈更宜。 2特别坚硬顶板，支柱受不了强大水平推力。 3破碎顶板及时勾顶。 评价：1通风断面大，行人方便。 2结构简单，应用于瓦斯矿井较好。 3. 破碎顶板、采场水平推力较大时 不适合采用。掩护式液压支架支护分析掩护式液压支架支护分析优点：优点： （1）缩短了控顶距，提高对机道上方顶板支撑力。 （2）在顶板局部冒顶情况下，可考虑不勾顶。 （3）移架时，其结构在一定程度上允许承载前移。

12、（4）挡矸性好，采空区矸石不可涌入回采空间。缺点：缺点： 支架工作空间小，通风断面小，行人不便。一、单铰式支架受力分析一、单铰式支架受力分析afaallpqallpafaqlaqflallpallpaqlmosincos)sin()1 ()sin()()sin(cossincos)(sinsin)(coscos01111为简便，先不考虑fq对支架受力(支撑力)影响，则：此时q的大小取决于以下因素：（1）支柱工作阻力p值大，则q也大；（2） 的比值，即柱杆比越小，q越大，为充分发挥p的作用，尽量缩小l1值；（3） 角越大，p值作用发挥越好，故支柱应尽量直立。aallpqcos)sin()1 (1

13、ll1 当掩护梁上的载荷w，且作用点离后铰为处，同理可推得： 为了衡量工作阻力对顶板的支撑效果，常以支撑顶板的支撑力q与支柱工作阻力p的比值表示支撑效率：l313cos)sin()1 (1waallpqpwaallpq3cos)sin()1 (1papq/p(1 l1/l)sin( )/cos 但：当：此时： 当 w=0 时：当 =0时：aallpqcos)sin()1 (1maxaallpwpqcos)sin()1 (3; 01apaalllwp)sin(cos31aallpqcos)sin()1 (1pqaallpwcos)sin()1 (31二、双铰式掩护支架分析二、双铰式掩护支架分析三

14、、掩护式液压支架分析三、掩护式液压支架分析 适应条件：适应条件： 1. 适于顶板压力来自机道上方； 2. 较破碎顶板； 3. 周期来压不剧烈的工作面，且顶板悬顶不长。 第三节第三节 采场支架与围岩采场支架与围岩相互作用原理相互作用原理一、回采面支架与围岩的相互作用一、回采面支架与围岩的相互作用煤层开采后，上覆岩层形成的“大结构”是由“煤壁支架采空区已冒落矸石”支撑体系所支撑。在煤壁和采空区冒落矸石条件一定时，支架的支撑性能将对支架受力及对“大结构”的控制效果起重要作用。（一）支架围岩相互作用的特点：1.支架围岩是相互作用的一对力。2.支架受力大小及其在回采工作面分布的规律与支架性能有关。还与支

15、架与围岩支撑系统的总体特性有关。3.支架结构及尺寸不同对顶板压力影响和维护效果不同。单体液压支柱工作面顶板压力测定81.24128.5182.6192.5050100150200250012345距煤壁/m平均载荷/knpl（二）支架pl关系曲线从pl曲线可以得出一下结论：pl第四节第四节 综采面顶板控制设计综采面顶板控制设计一、概述一、概述 1、选型步骤：、选型步骤： 1）确定顶、底板类型（直接顶、老顶、直接底）；）确定顶、底板类型（直接顶、老顶、直接底）； 2）估算支架所需支护强度（实测、来压步距）；）估算支架所需支护强度（实测、来压步距）； 3）初定额定支护强度、初选架型；）初定额定支护

16、强度、初选架型； 4）修正架型及参数（断面、风量、倾角）；）修正架型及参数（断面、风量、倾角）； 5）确定顶梁、护帮及侧推结构；）确定顶梁、护帮及侧推结构； 6）确定底座参数；）确定底座参数； 7）进行支架参数优化。）进行支架参数优化。 重要内容：重要内容：支架额定强度、架型支架额定强度、架型2、架型选择：、架型选择： 分析比较法：分析比较法： 依据顶底板状况、采高、倾角、瓦斯、煤层稳定程度、开采方法等因素确定支架额定工作阻力、几何尺寸、立柱数量位置、移架方式、顶板覆盖率等参数。（目前多用） 综合评分法：综合评分法： 在特定的地质、开采技术条件下，对预选的各种支架对围岩的适应性及力学特性进行评

17、价打分，综合分数时考虑各项内容的重要程度，选择分数最高者，确定支架结构，然后确定支架的初撑力、工作阻力，并对支架参数进行优化。二、支架规格的选定二、支架规格的选定支撑式掩护式支撑掩护式 二、液压支架参数：二、液压支架参数： 1、工作阻力：、工作阻力： 估算法：估算法： 实测法：实测法： 若允许3%支架时间加权平均阻力大于额定工作阻力，k=2； 若以最大工作阻力 为统计值，则 k=11.3，此时mp）（8408200lpakpkpptmpmmpp)3 . 11 (akpakp 初撑力大小；初撑力大小； 工作阻力大小；工作阻力大小； 时间加权平均工作阻力（时间加权平均工作阻力（pt）：）：nnnn

18、tttttpptpptppp211221110222 多年来，国内一直流行着采用现场测定法来确定额定工作阻力，如下： 式中： ph 额定工作阻力；kn 实测支护阻力均方差；kn tthpp2tt1)(12nppnii经验公式：经验公式： （煤炭科学研究总院） 级老顶：级老顶： 级老顶：级老顶：1 .6224.109 .785 . 43 .72nblhpcpmh（额定支护强度；采高；周压步距；控顶高度；直接顶厚度/采高）kcmfhcbnhlp4555 .156 .52ln241老顶初压步距； 备用系数flkcakpakp 理论分析法：理论分析法： 式中：式中： 合理支护强度； 岩块间摩擦角； 岩

19、块破断角； 老顶岩层厚度； b 岩块回转下沉量； b 岩块的重量及载荷； 控顶距。 miihlqhlhp/2tan22hphqmlakp2初撑力初撑力 提高初撑力要使用高压乳化夜泵、高压软管，及适应的液化系统和阀件。 初撑力的适当提高，并不会增加支柱的开启率，因为高初撑力可减少支架的增阻值，从而减少顶板下沉量及安全阀开启率。第五节第五节 单体液压支柱工作面顶板控制原则单体液压支柱工作面顶板控制原则 一、顶板控制的原则一、顶板控制的原则mm200mm1003311端面冒高不大于顶板不出现台阶下沉大于顶底板移近每米采高不支护参数保证顶板良好初撑力满足要求：防推护：不论哪种顶板倍采高化或采空区挑顶或

20、钻爆或高压水松动弱倍采高顶板碎厚层难冒顶板，松动破板倍采高，挑一倍采高顶直接顶厚不足挑：老顶倍采高，切断采空区上切：直接顶厚不足量让：裂隙带岩层，可缩支：垮落带岩层单体支架支护方式分析单体支架支护方式分析图535 带帽点柱的布置方式图539 机组工作面的悬臂支护图538 hdja型金属顶梁正悬式倒悬式二、工作面支护强度的理论分析二、工作面支护强度的理论分析 支护强度支护强度：支架对单位面积顶板提供的工作阻力。 1初撑力初撑力 现阶段应尽可能设法提高支柱的实际初撑力。一般条件下，支护设计中的支柱初撑力不应低于其额定初撑力的70一80。支护系统刚度大支柱密度大初撑力越大2支护密度支护密度式中：pr

21、合理支护强度，kpa； rt支柱实际支撑能力，kn/柱 a，b排、柱距（1）合理支护强度的确定）合理支护强度的确定（pr）式中：fz垮落顶板悬顶系数kpafhapzzzz，barpntr1 （2）支柱有效支撑能力确定）支柱有效支撑能力确定（rt） 指把顶板控制在要求的“位态”(以最大控顶距处的顶板下沉量表示)时，所有支柱所能达到的工作阻力平均值。 3支护系统刚度支护系统刚度 指单位顶底板移近量所对应的支柱工作阻力增量，（kn/mm）。 三、单体支柱工作面支护强度的实测统计三、单体支柱工作面支护强度的实测统计1单体支柱的支护强度ph下限计算)1349 . 64 . 239(nlhcpfmkh4

22、. 12 . 1备用系数，一般kc2单体支柱的支柱密度选择（1）按直接顶稳定性确定支柱密度（2）按必需的支护强度验算支柱密度）按必需的支护强度验算支柱密度 式中 q 单体支柱工作阻力，kn/柱； p 支护强度，kpa； ns 支柱密度，根/m2。 验算支柱密度，按下式计算： 实测井下单体支柱实际工作阻力与额定初撑力相近，可用q代替q0，必须的初撑力支护强度p按p0计算： 验算支柱密度： qnpsqpns/3 .788 .1975. 64 .380cpmblhp00/qpns第六节 采场来压预测与支护质量监测一、老顶来压的预测预报一、老顶来压的预测预报图552 老顶来压预报道测站布置图553 老

23、顶初次断裂信息与来压的关系采场顶板安全无事故采场顶板安全无事故科学的支护质量监测科学的支护质量监测+合理的顶板控制设计合理的顶板控制设计二、采场顶板支护质量监测以支柱初撑力为主要监控指标，树立以支柱初撑力为主要监控指标，树立“初撑力第一初撑力第一”的观念；的观念；以实现以实现“装面、初放、正常回采、收装面、初放、正常回采、收作作”回采四阶段的全过程监控；回采四阶段的全过程监控；将将“监控监控”作为回采工艺的一道重要作为回采工艺的一道重要工序来安排。工序来安排。 单体液压支柱工作面单体液压支柱工作面支护质量监测方法支护质量监测方法总体思路总体思路支支护护质质量量监监测测日日报报表表综采工作面支护

24、质量监测综采工作面支护质量监测一、综采工作面的顶板冒落一、综采工作面的顶板冒落n随着回采工作面推进，梁端到煤壁之间的顶板仍然处于裸露状态。事实证明综采工作面的冒顶事故主要发生在此处，也是制约综采工作面高产高效的重要因素。 图520直接顶沿裂缝错动引起的端面冒顶（相似模拟实验）二、端面顶板冒顶的防治原则二、端面顶板冒顶的防治原则n（1)鉴于端面距对直接顶稳定性有决定性影响，因而在推移支架时应尽可能缩小端面距，尤其在直接顶本身力学性质较差时更应注意端面距的控制，各类顶板应该控制的端面距可在统计观测时求取；n（2)老顶的变形与失稳将直接影响端面顶板稳定性，为此应根据直接顶厚度与采高的比值n、直接顶本身的力学性质(抗拉强度rt及内聚力c)选择合适的架型，例如，提供必要的水平推力、支护强度及支架初撑力等；（3)应保证支架处于良好的工作状态，尤其应避免顶梁过分抬头(不宜大于1015)及过分低头(不宜大于10)的工作状态；（4)对于特别松软的直接顶，在采用缩小端面距及改变支护参数均难于改变端面冒顶时，应采取固化顶板以提高直接顶自身的抗冒能力；（5)应尽可能保证工作面具有较快的推进速度，尤其当初次来压及周期来压时更应注意