采场顶板控制设计

回采工作面顶板控制设计

5.1回采工作面支架与围岩关系

5.1.1支架对顶板的工作状态（1）支架对直接顶的工作状态—“给定载荷”方案在顶板岩层沉降过程中，支架对直接顶的工作状态按“给定载荷”考虑是接近实际的。无论顶板沉降到什么位置，直接顶给支架的作用力可以近似地看成是恒定的。（5.1）（2）支架对基本顶的工作状态—“给定变形”和“限定变形”①“给定变形”工作方案在岩梁由端部断裂到沉降至最终位态的整个运动过程中，支架只能在一定范围内降低岩梁运动速度，但不能对岩梁的运动起到阻止作用。2/1/20231回采工作面顶板控制设计

岩梁运动全过程中支架作用力与顶板压力之间的关系或岩梁运动至最终状态时的顶板下沉量：2/1/20232回采工作面顶板控制设计

为防止支架在岩梁运动过程中被压死，最大允许缩量须满足：②“限定变形”工作方案采场支架对岩梁运动采取“限定变形”，是指采场支架对岩梁运动进行必要的限制。在支架阻力的作用下，岩梁不能沉降至最低位态。岩梁进入稳定时的位态（岩梁运动稳定时采场顶板下沉量）由采场支架的阻抗力所限定。2/1/20233回采工作面顶板控制设计

5.1.2支架围岩的一般关系合理的支护强度应该能杜绝下列顶板事故：剪切冒落、滑动冒落、冲击冒落；应该尽可能抑制下列顶板压力显现：台阶下沉、破碎、离层、大悬顶、冲击载荷。位态方程图5.2支架围岩的双曲线关系2/1/20234回采工作面顶板控制设计

支围关系图2/1/20235回采工作面顶板控制设计

5.1.3采场支护的原理（1）对直接顶—“支”与“护”两重性（2）对基本顶控制状态的选择“给定变形”、“限定变形”。支架要有足够的支撑能力，在采场支护住直接顶，使其不垮落；同时，由于直接顶比较破碎，支架还必须能够护住顶板，使破碎岩块不能进入工作面。2/1/20236回采工作面顶板控制设计

5.2合理支护强度的确定

5.2.1直接顶初次垮落期间（1）支的准则：保证直接顶安全切落。（3）支护强度：（2）力学保证条件：支架至少能承担起直接顶初次垮落步距一半的重力。2/1/20237回采工作面顶板控制设计

5.2.2基本顶初次来压期间（1）支的准则①防止直接顶向采空区推垮；②让基本顶缓慢沉降到要求的位态（防止冲击）；③保证支架不被压死；④对可能发生剪切的采场，应采取特殊的处理方法，并进行采场来压预报。（2）力学保证条件①增加支柱初撑力和工作阻力，使直接顶和基本顶紧贴（加大泵压，穿鞋或用大吨位升柱器等措施）；②支架能在不被压死的情况下，承担起基本顶的部分作用力和全部直接顶的作用力。2/1/20238回采工作面顶板控制设计

支护强度（5.9）2/1/20239回采工作面顶板控制设计

N≤1时，表明直接顶很薄，坚硬基本顶来压猛烈，支架必须承担初次来压步距内1/4的岩重。如基本支护达不到要求，则采取特种支护或其它措施。1<N≤2.5时，表明采空区充填一般，顶板下沉量和来压强度随N的增加而线性减小，需承担的基本顶作用力也越来越小。2.5<N≤5时，表明采空区基本充填满，几乎可以不考虑基本顶的作用力。N>5时，表明垮落直接顶与基本顶接实，支架可完全不考虑基本顶的作用力。2/1/202310回采工作面顶板控制设计

直接顶作用力A当悬顶距较大时，自身有一定支承能力，其作用力无须支架全部承担，悬顶断裂后，在沉降过程中，根据静力平衡，支架必须承受悬顶的全部重力（不考虑力矩的作用）。

当悬顶距较小时，悬顶与采空区已垮矸石很难接触以传递直接顶的重力，所以，应按力矩平衡来求A。2/1/202311回采工作面顶板控制设计

长悬顶触矸后，直接顶给支架的作用力：5.2.3正常推进阶段图5.4类拱在煤壁处的切落位置①类拱结构采场，防止类拱在煤壁处切落（沿图5.4中AB、CD线）；②梁式结构采场防止基本顶来压时出现大的台阶下沉和冲击；③多岩层结构采场防止上位岩梁对下位岩梁的冲击；④防止支架压死。2/1/202312回采工作面顶板控制设计

①类拱结构采场保证支架能支撑直接顶和悬垮度一半的重量；②支架在“给定变形”状态工作时，必须能支撑直接顶并能承担部分基本顶的作用力，以减缓基本顶的来压速度；（3）支护强度：①类拱结构②“给定变形”力学保证条件：2/1/202313回采工作面顶板控制设计

③“限定变形”④多岩梁结构2/1/202314回采工作面顶板控制设计

5.3支架工作特性及实际支撑能力的确定2/1/202315回采工作面顶板控制设计

在进行顶板控制设计时，必须考虑各种因素对支架实际支撑能力的影响：（a）初撑力。支架支设时，将活柱升起，托住顶梁，利用升柱工具和锁紧装置使支柱对顶板产生一个主动支撑力。最初形成的主动支撑力称为支柱的初撑力。对于液压支柱，是泵压所形成的支柱对顶板的撑力。（b）始动力。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形成的。也称为支柱的阻力。（c）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。（d）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。2/1/202316回采工作面顶板控制设计

单体支架由顶梁和支柱组成。它的工作特性主要取决于单体支柱的工作特性和辅助结构的压缩特性。（1）单体支柱①木支柱木材是一种各向异性体，木材纵向（平行于木材的纤维方向）加压时，其承载能力要比横向（垂直于木材的纤维方向）加压时大，但可缩量小得多。图5.6木支柱特性曲线1-支柱直接架设在顶板上；2—支柱带有8cm厚可缩垫木2/1/202317回采工作面顶板控制设计

②金属摩擦支柱广泛使用的金属摩擦支柱有急增阻式和微增阻式两种。图5.7HZWA型金属支柱结构2/1/202318回采工作面顶板控制设计

③单体液压支柱按注油（液）方式分为内注式和外注式两种。图5.9内注式图5.10外注式内注式液压支柱工作液存在支柱体内，通过摇动手把操纵支柱内的液压泵，把工作液从低压腔压入高压腔升起支柱。外注式液压支柱的工作液是从外部供给的。2/1/202319回采工作面顶板控制设计

图5.12单体液压支柱工作特性曲线

2/1/202320回采工作面顶板控制设计

（2）液压支架①综采支架（a）支撑式液压支架结构上没有掩护梁，对顶板的作用是以垂直支撑为主的支架。支架具有较大的支撑能力，靠立柱和顶梁直接支撑顶板，维护工作空间，顶板在顶梁后部切断垮落。支撑力集中在顶梁的后部，而在煤壁附近无立柱支护区由支撑力较弱的前探梁维护。图5.13不同架型顶梁上载荷分布a、b—垛式；c、d—支撑掩护式；e—掩护支撑式；f—纯掩护式一般适用于支撑稳定和坚硬的顶板。按支架结构与动作方式的不同，支撑式又可分为垛式（六柱和四柱两种）和节式两种。2/1/202321回采工作面顶板控制设计

图5.14BZZZC型垛式液压支架图5.15节式支架2/1/202322回采工作面顶板控制设计

（b）支撑掩护式支架支撑部分作用力大于掩护部分，适合于在较稳定的顶板条件下使用。图5.16道梯4/550型支撑掩护式支架2/1/202323回采工作面顶板控制设计

（c）掩护式支架支架顶梁较短，支撑能力较弱，主要靠掩护作用维护工作空间，适用于松软顶板。图5.17G320-13/32型掩护式支架2/1/202324回采工作面顶板控制设计

②综采放顶煤支架（a）单输送机高位放顶煤支架（b）双输送机中位放顶煤支架2/1/202325回采工作面顶板控制设计

（c）双输送机低位放顶煤支架适用于急斜特厚煤层和缓斜中硬煤层。（d）“三软”煤层的放顶煤支架目前解决“三软”煤层放顶煤的支架架型主要应提高支架对围岩的封闭能力，并适当增加顶梁长度，以免梁上顶煤放空，一般采用四柱长梁支撑掩护式放顶煤支架。图5.21ZFS3600-16/28三软煤层放顶煤支架（e）急斜特厚水平分段放顶煤支架2/1/202326回采工作面顶板控制设计

5.3.3支架的实际支撑能力（1）单体支柱实际支撑能力①影响单体支柱支护能力的因素（a）直接顶底板强度顶底板承载能力越高，越利于提高支柱实际支撑能力；底板软，特别是当底板上有浮煤时，会引起支柱钻底，使阻力上不去。（b）辅助支护结构压缩柱帽压缩致使支柱工作阻力降低。2/1/202327回采工作面顶板控制设计

（c）支设质量（d）支柱承载不均图5.23不同紧楔程度支柱工况1—水平楔打的紧；2—水平楔未打紧图5.24浮煤对支柱工况的影响Ⅰ—第一观测线；Ⅱ—第二观测线第Ⅱ观测线支柱底板浮煤影响，整体支撑能力降低。（e）支柱本身的工作特性2/1/202328回采工作面顶板控制设计

②单体支柱实际支撑能力计算方法2/1/202329回采工作面顶板控制设计

（2）液压支架实际支撑能力液压支架升架质量，直接影响到支架对顶板的初撑力，也影响到支架由初撑状态进入到恒阻状态所需的时间（即该段活柱缩量大小），如图5.27所示。支架由于受临近支架卸载移架和顶底板中裂隙扩展或浮矸浮煤压缩的影响，多数处在多增阻状态下工作（图5.28），整个支护循环中的平均阻力小于终工作阻力，更小于额定工作阻力。

图5.28实测支架循环工况2/1/202330回采工作面顶板控制设计

液压支架对顶板的支护特性与单体支柱不同，随工作面推进，存在着支架反复卸载、前移、再支撑的过程。在支架卸载前移过程中，卸载时对顶板的支撑力几乎消失，使临近的未移支架所受压力升高，沿工作面煤壁方向明显出现支架受载不均现象（如图5.29），支架对顶板的实际支撑力应当是沿工作面煤壁方向整个支架控顶范围内的阻力平均值。图5.29沿煤壁方向支架受力分布液压支架对顶板的实际支撑能力2/1/202331回采工作面顶板控制设计

5.4控制设计5.4.1单体支柱工作面支护设计通常的顶板处理方法有：留煤柱、煤垛支撑顶板（如房柱、刀柱等）；缓慢下沉法；自然垮落法；层状坚硬顶板（厚度不超过5m）运动形式转化法；厚层坚硬顶板特殊处理法。①自然垮落法对顶板不采取专门的处理措施，随工作面推进顶板在采空区内自行垮落称为自然垮落法处理顶板。它借助于顶板岩层自身的垮落性控制顶板，属既安全又经济的方法，在条件允许时，应优先选择。2/1/202332回采工作面顶板控制设计

②缓慢下沉法煤层上方覆盖层由塑弯性能强的石灰岩或泥质页岩组成时，顶板可能随工作面推进而弯曲下沉，并在采空区内一定距离处与底板接触闭合。若因顶板下沉量太大，工作空间过小，或超过支柱缩量的限度时，就需要在采空区进行部分充填，以减小最大控顶排处的顶板下沉量，如图5.30（b）所示。(a)缓慢下沉(b)采空区充填(c)采空区内强放图5.30缓慢下沉顶板采空区充填与强制放顶2/1/202333回采工作面顶板控制设计

充填后的顶板下沉量：充填后：未充填：在这类顶板条件下，也可以采用强制放顶的方法增加采空区垫层的厚度，如图5.30（c）所示。此时，顶板下沉量：2/1/202334回采工作面顶板控制设计

③层状坚硬顶板运动形式转化层状坚硬顶板的初次垮落一般存在两种运动形式：一是弯沉运动形式，二是剪切运动形式。（b）剪切运动形式向弯沉运动形式转化的处理措施（a）岩层运动的两种形式（Ⅰ）扩大岩梁端部断裂线位置至煤壁的距离，使岩梁以煤壁为支撑具备稳固的支承端，避免从煤壁处切下。同时岩梁在端部断裂后，延长弯矩向岩梁中部转移的过程，促成中部断裂，形成弯沉运动结构。（Ⅱ）减小岩梁的厚度，特别是悬垮度中部的厚度以促成中部断裂。对顶板进行处理的主要措施是采用人工放顶的办法来减小岩梁的厚度，通常采用循环放顶和中部拉槽放顶。2/1/202335回采工作面顶板控制设计

通常采用对煤体进行松动放炮或注水软化的方法。对于松动放炮可以按推进循环进行，也可以按推进步距进行。对于注水软化可以采取预注水的方法，即在采煤工作面顺槽准备出来以后，在顺槽中对煤体进行预注水；也可以像松动放炮一样，在工作面推进过程中，按推进步距进行注水。在厚煤层分层开采或近距离煤层开采的条件下，当先采上分层或上层时，顶板具有剪切运动的危险时，可以考虑改变程序，采用反程序开采，即先采下分层或下层煤。采用反程序开采时，原来具有剪切运动特征的顶板，经历一次采动影响的破坏后，其强度有明显的降低，在重新开采时，有可能将其剪切运动转化成弯沉运动。采用反程序开采的方法，由于无需对顶板和煤层进行人工处理，因此它是最经济的方法，在条件具备时，也应优先选择。2/1/202336回采工作面顶板控制设计

合理支护方式的选择支护方式一般分为基本支护和特种支护两类。基本支护要求支架在顶板不发生特殊情况时，能支和护住顶板。特种支护要求支架在顶板出现悬顶、滑动、冲击等威胁时，能防止顶板事故的发生。两种支护的作用是相辅相成的。①基本支护方式的确定在单体支柱工作面，基本支护方式一般分为点柱和棚子支护两类。影响支护方式的因素主要有下位直接顶的完整性、成组节理裂隙的方向、倾角、顶板压力等。②特种支护的选择特种支护主要用来防止顶板事故，它是基本支护的“加强”和“补充”。特种支护一般用于事故多发地段，即放顶线、端头、煤壁处及局部构造地段。2/1/202337回采工作面顶板控制设计

（a）放顶线的特种支护放顶线的顶板事故一般有推垮、压垮和冲矸三类，就目前的支护装备水平，相应的特种支护主要有戗棚（柱）、密集、墩柱、木垛、挡矸帘等。情形1：防止向倾斜推垮的特种支护情形2：防止向采空区推垮的特种支护情形3：防止向煤壁推垮的特种支护可选用向采空区方向的戗棚（或戗柱）。2/1/202338回采工作面顶板控制设计

（b）端头特种支护（Ⅰ）四对八根长梁端头支护图5.33长钢梁端头支护

（Ⅱ）十字顶梁端头支护2/1/202339回采工作面顶板控制设计

（Ⅲ）木垛(Ⅳ)机巷破顶掘进采场下端头的特种支护图5.36破顶掘进巷道的支护1—定位支柱；2—木垛；3—防推木柱2/1/202340回采工作面顶板控制设计

（c）煤壁处的特种支护（d）全承载支护全承载支护是指将末排回下的支柱，支到前排支柱的内侧，这样既可加强后排的支护，又可保护支柱。因此，应提倡采用全承载支护。全承载支护也可看成是一种最基本的特种支护。（e）大倾角采场的特种支护2/1/202341回采工作面顶板控制设计

（3）采场控顶距的选择控顶距：从煤壁到最后一排支柱的距离。基本控顶距：根据安全生产的基本要求，采场至少必须有3硐分别供运煤、行人和堆料用，因此，在“见四回一”的采场，基本控顶距最大为4硐，最小为3硐，在“见五回二”的采场，最大控顶距为5硐，最小为3硐，任何小于3硐的控顶距在安全方面都是不允许的。控顶距表达式：①控顶距和基本控顶距2/1/202342回采工作面顶板控制设计

一般顶板条件下，都选用3～4硐控顶。②影响控顶距的因素复合顶板下处于不同推进阶段、局部地质构造影响、支架性能、顶板的完整性、基本顶的冲击程度、工艺特点（顶梁长度、进尺、放顶距等）、瓦斯、采高、倾角等。③合理控顶距的确定2/1/202343回采工作面顶板控制设计

（b）复合顶初次垮落期间的控顶距根据现场经验，此阶段一般采用4～5硐控顶。（c）松软顶板的控顶距松软顶板垮落容易冒入控顶区，即超前垮落（如图5.37所示）。图5.37特破碎顶板下的控顶距

造成了后排支柱“支空”，稍受扰动，支柱将被推倒。2/1/202344回采工作面顶板控制设计

煤壁到顶板超前垮落起始点之间，至少有2硐的安全空间，考虑到一次回一硐的作业方式，最大控顶距为：（d）采场仰采时的控顶距当顶板为复合顶时，可在原控顶距的基础上扩大1硐。

图5.38仰采时的控顶距

2/1/202345回采工作面顶板控制设计

（e）坚硬直接顶采场的控顶距图5.39坚硬顶板下的控顶距当坚硬直接顶断缝位于放顶线附近时，若控顶距太小，垮落的大块矸石极易冲至煤壁而发生伤亡事故。因此，这种采场控顶距确定的原则是：回柱前，煤壁到断裂线之间必须有2～3硐的安全空间，否则不准回柱。控顶距的具体大小视顶板断裂块度决定（如图所示）。2/1/202346回采工作面顶板控制设计

（f）特松软底板的控顶距（g）复合顶板（包括“夹心”顶板）采场调面时的控顶距（h）团块状顶板下的控顶距（i）大采高、大倾角采场的控顶距2/1/202347回采工作面顶板控制设计

（4）支架工作状态与控顶距的关系根据支架围岩关系理论，当需要限制基本顶位态时，适当增加控顶距比增加支柱实际支撑能力更为有效，但要防止支柱在末排被压死。若支架采取给定变形工作方案，则控顶距就不宜过大，所选控顶距要用来压结束时刻采场顶板下沉量来检验。（5）合理支柱密度计算①顶板支和护的关系顶板支护包括支和护两个方面，“支”的对象，重点是基本顶和坚硬直接顶，“护”的对象，主要是煤层上0.5m范围内的直接顶或伪顶。2/1/202348回采工作面顶板控制设计

②合理支柱密度的计算护密度主要由直接顶（包括伪顶）的完整性指数和护顶材料的强度决定，由于不同材料的强度差别很大，因此，同样顶板条件的采场，护密度可能因护顶材料的不同而不同。护顶的准则是：所选棚距应保证不因护顶材料强度不足而发生冒顶事故及金属网下不出现网兜。其力学保证条件是：护顶材料能托住两棚间破碎岩体的重量。护密度的确定2/1/202349回采工作面顶板控制设计

5.4.2综采综放工作面支架选型（1）综采工作面支架选型①液压支架选型的内容和要求液压支架架型选择：针对具体顶板类型和顶板岩层组成情况选择不同的支架类型。不仅包括支架的架型及额定工作阻力，支护强度等参数，而且涉及顶梁、护帮、底座、侧推及阀组等主要部件的选型及其参数的决定。②影响液压支架选型的因素和顺序（a）根据顶板力学性质、厚度、岩层结构及弱面发育程度确定直接顶类型；（b）根据基本顶岩石力学特性及矿压显现特征确定基本顶级别；（c）根据底板岩性及底板抗压入强度及刚度测定结果，确定底板类型；（d）根据矿压实测数据计算额定工作阻力或根据采高、控顶宽度及周期来压步距，估算支架必需的支护强度和每米阻力；2/1/202350回采工作面顶板控制设计

（e）根据顶底板类型、级别及采高，初选额定支护强度，初选支架型式；（f）考虑工作面风量，行人断面，煤层倾角，修正架型及参数；（g）考虑采高、煤壁片帮（煤层硬度和节理）的倾向性及顶板端面垮落度，确定顶梁及护帮结构；（h）考虑煤层倾角及工作面推进方向，确定侧护结构及参数；（i）根据底板抗压入强度，确定支架底座结构参数及对架型参数的要求；（j）利用支架参数优化程序（考虑结构受力最小），使支架结构优化。2/1/202351回采工作面顶板控制设计

图5.42支架选型顺序2/1/202352回采工作面顶板控制设计

③液压支架选型方法——系统分析比较法分析比较法就是根据矿山地质条件分析、比较、决定支架各部分的类型及参数的方法。④液压支架合理工作阻力的确定方法（a）国外液压支架合理工作阻力的确定国外确定支架合理工作阻力的方法可归结为三种：岩石自重法、顶底板移近量法、统计法。2/1/202353回采工作面顶板控制设计

采用采高的倍数和岩石密度的乘积来计算支护强度（Ⅰ）岩石自重法（Ⅱ）顶底板移近量法顶底板移近量与支架支护强度之间存着双曲线关系，据此确定支架的工作阻力