第5章 回采工作面顶板控制与支护end-2015

1、第五章第五章 回采工作面顶板控制与支护回采工作面顶板控制与支护 本章重点介绍：本章重点介绍： 顶板分类与底板特征顶板分类与底板特征 支架类型与特性支架类型与特性 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 第一节第一节 顶板分类与底板特征顶板分类与底板特征一、对直接顶的分析：一、对直接顶的分析： 1、定性分析：、定性分析： 破碎顶板破碎顶板页岩、再生顶、煤顶 中等稳定顶板中等稳定顶板砂页岩、粉砂岩 完整顶板完整顶板砂岩、坚硬砂页岩 按稳定状态按稳定状态原生裂隙原生裂隙构造裂隙构造裂隙压裂裂隙压裂裂隙裂隙类型张裂隙剪裂隙（1）滑落失稳）滑落失稳aTcos -Rsintancossint

2、anb tanRTRTRT对结构 ，平衡条件即对节理面与工作面推进方向一致时，结构不易取得平衡，反之则易于平衡。 直接顶初次垮落步距 端面破碎度端面破碎度 :支架前梁端部到煤壁间顶板破碎的程度,与端面距和直接顶强度有关，端面距为1m的端面破碎度为顶板冒落敏感度2、定量分析：、定量分析：L016-20 稳定 8不稳定二者之间为中等稳定顶板二、对老顶分析：二、对老顶分析： 老顶的影响主要体现为来压影响，原分类与来压有关。 无来压无来压 来压明显来压明显 来压严重来压严重 坚硬顶板坚硬顶板 塑性顶板塑性顶板mhNmhN厚高比：厚高比： （5， 52， 2 ）三、顶板分类方案：三、顶板分类方案： （P

3、125） 1、分类目的：、分类目的： 规范化、科学化、系列化规范化、科学化、系列化 2、分类方案：、分类方案： 依据直接顶的稳定性（强度、初垮步距）分为四类；依据直接顶的稳定性（强度、初垮步距）分为四类； 依据直接顶厚高比、老顶来压步距将老顶分为依据直接顶厚高比、老顶来压步距将老顶分为4级。级。 直接顶：直接顶： 分为四类，其中分为四类，其中1、2类各分为两个亚类；类各分为两个亚类； （不稳定、中稳、稳定、非常稳定） 老老 顶：依据老顶初次来压当量将老顶分为顶：依据老顶初次来压当量将老顶分为4级。级。 （来压不明显、明显、强烈、非常强烈）顶板分类名称含义：顶板分类名称含义：直接顶：直接顶： 一

4、类一类 二类二类 三类三类 四类四类 不稳定不稳定 中等稳定中等稳定 稳定稳定 坚硬坚硬老老 顶：顶： 1级级 2级级 3级级 4级级 来压不明显来压不明显 来压明显来压明显 来压强烈来压强烈 来压极强烈来压极强烈举例： 二类2级顶板直接顶中等稳定，老顶来压明显。四、底板特征：四、底板特征： 1、底板的力学特征、底板的力学特征 2、底板比压、底板比压底板单位面积所受支架的压力底板单位面积所受支架的压力 支柱插入底板的破坏形式支柱插入底板的破坏形式受支承压力影响，产生变形。受支柱压力作用，被压入。整体剪切局部剪切其它剪切 整体剪切整体剪切 局部剪切局部剪切 其它剪切其它剪切 穿鞋破坏穿鞋破坏 整

5、体剪切当载荷达到某一值后（极限抗压入强度），突然下降。 局部剪切没有明显的突破点，随载荷增加，压入深 度的变形率增长较快。 其它剪切界于二者之间，有突破点但不明显，载 荷超过突破点后，压入深度明显增大。木柱鞋抗压强度较低，不宜使用木柱鞋抗压强度较低，不宜使用第二节第二节 采场支架类型与特性采场支架类型与特性一、支架类型：一、支架类型： 木支架木支架木柱+木梁 摩擦金属支架摩擦金属支架摩擦柱+铰接金属梁 单体液压支架单体液压支架液压柱+铰接金属梁 支撑式支撑式 掩护式掩护式 支撑掩护式支撑掩护式 单体支架单体支架液压支架液压支架普通支架端头支架大采高支架放顶煤支架液压支架的应用范围正在逐步扩大二

6、、支架的工作特性：二、支架的工作特性： 单体支架特性应为支架与顶梁的共同特性，当顶梁为刚性材料时，单体支架特性应为支架与顶梁的共同特性，当顶梁为刚性材料时，支架特性主要由支柱特性决定。支架特性主要由支柱特性决定。 液压支架特性不仅与支柱特性有关，而且与支架结构有关。液压支架特性不仅与支柱特性有关，而且与支架结构有关。1 1、支柱特性：、支柱特性： 支柱力学特性支柱力学特性受顶板压力作用，支柱变形（下缩）性质。急增阻 微增阻 恒 阻2 2、支柱的工作阻力：、支柱的工作阻力： 支柱的工作阻力支柱的工作阻力支柱受顶板压力作用而产生的反抗力。 （撑力主动力； 阻力被动力） 初撑力初撑力支柱刚架设时对顶

7、板支撑力； 始动阻力始动阻力顶板压力下，支柱开始下 缩时的阻力； 初工作阻力初工作阻力阻力由急剧增长到缓慢 增长的转折点处阻力； 额定工作阻力额定工作阻力支柱所能承受的最大载荷。0P0P1P2P3 3、支撑系统工作特性：、支撑系统工作特性： 支撑系统支撑系统围岩与支撑物所构成的力学系统。围岩与支撑物所构成的力学系统。 支撑系统支撑系统 = = 顶板顶板 + + 插背物插背物 + + 顶梁顶梁 + + 支柱支柱+ +（浮煤矸）（浮煤矸）+ + 柱鞋柱鞋 + + 底底板板 支撑系统特性支撑系统特性支撑系统受力作用而呈现的变形性质。支撑系统受力作用而呈现的变形性质。 在对顶板的支撑中，实际是在对顶板

8、的支撑中，实际是支撑系统工作特性在起作用。支撑系统工作特性在起作用。 支撑物的可缩性使支撑系统早期支撑物的可缩性使支撑系统早期发生较大变形，阻力上不去，顶板离发生较大变形，阻力上不去，顶板离层。支柱插入底板可导致顶板管理恶层。支柱插入底板可导致顶板管理恶化。化。正常情况插入底板 安全规程规定：安全规程规定： 禁止将支柱架设在浮煤、浮矸上。 技术要求：技术要求： 柱顶要插严背实； 煤底或软岩底时，支柱要穿鞋（液柱铁鞋）三、液压支柱：三、液压支柱： 1、类型：、类型： 内注液式：内注液式：NDZ 外注液式：外注液式：DZ 2、结构：、结构： 3、DZ系列：系列： 4、型号：、型号： DZ 2230

9、/100DZ普通单体液压支柱PDZ炮采单体液柱SDZ三柱套（薄煤层）DZ系列 系列高度22分米额定阻力30吨/油缸内径100毫米 5、初撑力：、初撑力： 式中： 泵站工作压力； 活柱直径； 管路压力损失系数。 420DPKPPPPDK四、液压支架：四、液压支架： 1、分类：、分类： 按支撑面积与掩护面积比值分类按支撑面积与掩护面积比值分类支撑式支撑式支撑掩护式支撑掩护式掩护支撑式掩护支撑式掩护式掩护式支撑式掩护支撑式支撑掩护式掩护式 支撑式支撑式 按支架结构分类：按支架结构分类： 掩护式掩护式 支撑掩护式支撑掩护式2、支撑式支架支护分析：、支撑式支架支护分析：工作特点：工作特点： 支撑力大，适

10、宜坚硬有来压顶板； 反复支撑次数多，不适宜破碎顶板； 框式结构，不能承受水平推力。优点：优点：通风断面大、行人方便、结构简单、重量轻； 适用于：适用于：顶板稳定，有来压，瓦斯大的工作面。 3、支掩式掩护支架分析：、支掩式掩护支架分析： 工作特点：工作特点： （支柱支撑在掩护梁上） 控顶距小，减少了对顶板的反复支撑次数 结构可承受一定水平推力； 适应破碎顶板（挡矸，冒顶时可不勾顶） 缺点：缺点：支架空间小、通风断面小、行人不便、重量大单铰式双铰式带帽点柱的布置方式带帽点柱的布置方式 a矩形排列； b三角形排列 五、单体支架布置方式五、单体支架布置方式（取决于直接顶的稳定性及来压取决于直接顶的稳定

11、性及来压时的危害）时的危害）1、带帽点柱、带帽点柱矩形、三角形布置矩形、三角形布置直接顶比较稳定时连锁式及对接式走向棚连锁式及对接式走向棚 a连锁上行式；连锁上行式；b连锁下行式；连锁下行式；c连锁混合式；连锁混合式；d对接式对接式 2、棚子支护、棚子支护顺板（两柱、三柱）顺板（两柱、三柱） （倾斜棚）（倾斜棚） 横板（两柱）横板（两柱） 连锁（上行式、下行式、混合式）连锁（上行式、下行式、混合式）倾斜棚倾斜棚 机组工作面的悬臂支护机组工作面的悬臂支护a正悬臂；正悬臂； b倒悬臂倒悬臂3、悬臂梁支护、悬臂梁支护正悬臂、正悬臂、 倒悬臂倒悬臂齐梁直线柱布置齐梁直线柱布置 错梁直线柱布置错梁直线柱

12、布置4、悬臂梁支架的布置方式：、悬臂梁支架的布置方式： 常用错梁直线柱5、特种支架：、特种支架： 丛柱丛柱 排柱（密集）排柱（密集） 直线木垛直线木垛 三角木垛三角木垛 斜撑（戗柱）斜撑（戗柱） 抬棚抬棚第三节第三节 回采工作面支架与围岩相互作用原理回采工作面支架与围岩相互作用原理一、支架与围岩的相互作用：一、支架与围岩的相互作用：1、支架与围岩相互作用体系：、支架与围岩相互作用体系： 1）横向：）横向： “煤体煤体支架支架垮落矸石垮落矸石”支撑系统支撑系统煤体煤体支架支架垮落矸石垮落矸石“煤体煤体支架支架垮落矸石垮落矸石”支撑系统：支撑系统： 煤体、垮落矸石为平衡结构支点（拱脚），需煤体、垮

13、落矸石为平衡结构支点（拱脚），需承受更多载荷；承受更多载荷； “ “煤体煤体支架支架垮落矸石垮落矸石”支撑系统为静不定系统，支撑系统为静不定系统，刚度大的承受载荷也大；刚度大的承受载荷也大； 煤体刚度大于垮落矸石及支架，为主要承载体；煤体刚度大于垮落矸石及支架，为主要承载体； 支架受到保护，刚度较小，承载较小。支架受到保护，刚度较小，承载较小。 2）纵向：纵向： “老顶老顶直接顶直接顶支架支架底板底板”支撑系统支撑系统老顶老顶直接顶直接顶支架支架底板底板 老顶以上岩层为载荷； 直接顶、底板的刚度直接影响支架特性的发挥； 支架特性为插背物、顶梁、支柱、柱鞋的综合性质； 当其它结构物刚度很大时，支

14、撑系统的特性即为支柱的刚度； 在整个支架群中，该支撑系统的特性影响到支架所受载荷的大小。2 2、支架与围岩相互作用的特点：、支架与围岩相互作用的特点： 1 1）支架与围岩间的作用是作用力与反作用力关系；）支架与围岩间的作用是作用力与反作用力关系； （支撑力宜均匀分布，且与顶板压力共线） 2 2）支架受力的大小与支架本身特性有关；）支架受力的大小与支架本身特性有关； （在同一工作面，不允许同时使用特性不同的支架） 3 3）支架支撑力在工作面的分布状态与支架性能有关；）支架支撑力在工作面的分布状态与支架性能有关； 刚性 急增阻 微增阻 恒阻3、支架工作阻力与顶板下沉量的关系：、支架工作阻力与顶板下

15、沉量的关系： （支架与围岩相互作用关系） 由调压实验得到：由调压实验得到： 平平 时时来压时来压时2）由）由 曲线：曲线： 结论：结论： 关系为双曲线关系；关系为双曲线关系； 在某一工作阻力以上，在某一工作阻力以上， 而而 减少甚微；减少甚微； 在某一工作阻力以下，在某一工作阻力以下， 则则 急剧增加；急剧增加； （该工作阻力称为与顶板下沉量相适应的合理工作阻力） 以提高工作阻力控制顶板下沉量是有一定限度的；以提高工作阻力控制顶板下沉量是有一定限度的； 不同工作面，不同工作面， 曲线不同。曲线不同。 合理工作阻力为拐点对应的工作阻力合理工作阻力为拐点对应的工作阻力LPLPPLPLLP二、采场支

16、架的工作状态：二、采场支架的工作状态： 1、支架与围岩体系的刚度：、支架与围岩体系的刚度： 1）组合刚度：）组合刚度： 并联：并联： 串联：串联：1K1K2K2K并联并联 串联串联 21KKK21111KKK2121KKKKK2）支架的刚度：）支架的刚度： 式中：式中： 支架的刚度（并联）；支架的刚度（并联）； 支架立柱数；支架立柱数； 支架立柱的刚度；支架立柱的刚度； 支架立柱与竖直方向的夹角。支架立柱与竖直方向的夹角。 3）直接顶的刚度：）直接顶的刚度： 式中：式中： 直接顶弹性模量；直接顶弹性模量； 直接顶高度与支架承载宽度比值。直接顶高度与支架承载宽度比值。coskNKSSKNkmEKrEm似刚性中间型刚度似零刚度4）底板的刚度：）底板的刚度： （通过分析底板比压获得）5）支架与围岩体系的刚度：）支架与围岩体系的刚度： 当底板影响小时当底板影响小时（穿鞋或坚硬）： 当