回采工作面顶板控制设计

回采工作面顶板(dǐngbǎn)控制设计第五章精品资料本章(běnzhānɡ)提要5.1回采工作面支架与围岩关系5.2合理支护(zhīhù)强度的确定5.3支架工作特性及实际支撑能力的确定5.4控制设计5.5常见顶板事故的控制第五章第1页精品资料本章(běnzhānɡ)特点理论性与实践性的高度统一(tǒngyī)特别强调现场操作性常用支架工作特性、支架实际支撑能力的影响因素控制设计中各种方案与参数确定学习难点第五章第2页精品资料5.1回采(huícǎi)工作面支架与围岩关系第五章第3页(1)支架对直接顶的工作(gōngzuò)状态—“给定载荷”方案(5.1)顶板控制设计时，必须按最危险状态（沿煤壁处切断）考虑直接顶给支架的作用力可以近似地看成是恒定的其值可由下式表达支架对顶板的工作状态精品资料第五章第4页(2)支架(zhījià)对基本顶的工作状态—“给定变形”和“限定变形”①“给定变形(biànxíng)”工作方案给定变形决定稳定时位置状态强度两端支承情况支架只能降低岩梁运动速度，但不能阻止岩梁的运动注意精品资料第五章第5页或(5.2)(5.3)支架作用力与顶板压力(yālì)之间的关系为最终状态时的顶板(dǐngbǎn)下沉量精品资料第五章第6页图5.1△hA计算(jìsuàn)图为了防止支架在岩梁运动过程(guòchéng)中被压死，所要求的最大允许缩量须满足：(5.4)精品资料第五章第7页(5.5)在不发生(fāshēng)破顶钻底的理想条件下，岩梁运动结束时采场支架实际受力值为②“限定(xiàndìng)变形”工作方案限定变形指采场支架对岩梁运动进行必要的限制。在支架刚度一定的条件下，要求控制的位态愈高，所需支架的阻抗力越大精品资料第五章第8页支架围岩的一般(yībān)关系图5.2支架(zhījià)围岩的双曲线关系支护强度合理的支护强度既安全又经济顶板下沉量关系精品资料第五章第9页(5.6)位态方程(fāngchéng)该公式阐明(chǎnmíng)了支架围岩之间双曲线关系外，还进一步指明了直接顶在位态方程中的作用。在具体采场，可计算出，则不能定量计算。注意精品资料第五章第10页支架(zhījià)围岩的一般关系抽象模型：图5.3支围关系(guānxì)图限定变形工作段

支架不能支撑直接顶的重量

离层压实量

直接顶与基本顶的接触应力拱梁或类拱结构分层压实时的工作段

梁式结构给定变形工作段

精品资料第五章第11页采场支护(zhīhù)的原理(1)对直接(zhíjiē)顶—“支”与“护”两重性(2)对基本顶控制状态的选择由图5.3，根据采场的需要来选择支架的工作状态。支护住直接顶使其不垮落护住顶板使破碎岩块不能进入工作面精品资料5.1回采工作面支架与围岩关系5.2合理支护强度的确定5.3支架工作特性及实际支撑能力的确定5.4控制设计(shèjì)5.5常见顶板事故的控制精品资料第五章第12页5.2合理支护(zhīhù)强度的确定直接(zhíjiē)顶初次跨落期间(5.7)支的准则力学保证条件支护强度把直接顶安全地切落支架至少能承担起直接顶初次垮落步距一半的重力精品资料第五章第13页基本(jīběn)顶初次来压期间(1)支的准则(zhǔnzé)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；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。精品资料第五章第14页支护强度(qiángdù)计算NN≤11<N≤2.52.5<N≤5N>5KT22N38(N-2.5)+5∞表5.1KT选取(xuǎnqǔ)表(5.8)初次来压步距岩重分配系数容重基本顶厚度精品资料N≤1且直接(zhíjiē)顶很薄坚硬(jiānyìng)基本顶来压猛烈N≤2.5且采空区充填一般基本顶的作用力越来越小2.5<N≤5且采空区基本充填满不考虑基本顶的作用力第五章第15页精品资料第五章第16页当悬顶距时

当悬顶距时

长悬顶触矸后，直接(zhíjiē)顶给支架的作用力由下式给出，(5.9)(5.10)(5.11)精品资料第五章第17页正常推进(tuījìn)阶段(1)支的准则(zhǔnzé)①在类拱结构采场，防止类拱在煤壁处切落（见图5.4）；②梁式结构采场防止基本顶来压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。图5.4类拱在煤壁处的切落位置

（沿AB、CD线）

精品资料能支撑(zhīchēng)直接顶和悬垮度一半的重量类拱结构(jiégòu)采场能支撑直接顶并能承担部分基本顶的作用力给定变形能支撑与要求控制的顶板下沉量对应的基本顶悬垮度的部分及直接顶的全部作用力限定变形第五章第18页精品资料第五章第19页(5.12)(5.13)(3)支护(zhīhù)强度①类拱结构(jiégòu)②“给定变形”精品资料第五章第20页合理(hélǐ)强度的确定根据前面按“支的准则(zhǔnzé)”和“防滑准则(zhǔnzé)”计算的支护强度，取其中的最大值为合理支护强度。(5.14)(5.15)③“限定变形”④多岩梁结构精品资料5.1回采工作面支架与围岩关系5.2合理支护强度的确定5.3支架工作特性及实际支撑(zhīchēng)能力的确定5.4控制设计5.5常见顶板事故的控制精品资料第五章第21页5.3支架工作特性及实际支撑能力(nénglì)的确定支架(zhījià)分类图5.5支架分类

精品资料第五章第22页支架(zhījià)的工作特性(1)单体(dāntǐ)支柱

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木支柱

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)精品资料第五章第23页②金属(jīnshǔ)摩擦支柱图5.7HZWA型金属(jīnshǔ)支柱结构图1.底座11.托板2.柱筒12.螺母3.活柱13.调整螺钉4.铰接顶盖14.螺钉5.锁体15.垫圈6.滑块16.挡块7.楔块17.左摩擦板8.水平楔18.右摩擦板9.弹簧19.卡块10.特制垫圈20.卡箍精品资料第五章第24页图5.8HZWA型支柱特性曲线(S1-自由夹紧(jiājǐn)时的可缩量；S2-最大工作阻力时的可缩量)精品资料第五章第25页③单体(dāntǐ)液压支柱分内(fēnnèi)注式和外注式两种。（内循环外加载）(1)内注式一般初撑力为5~7t。(2)外注式外注式初撑力取决于泵站压力与升柱质量。图5.9单体液压支柱工作特性曲线

精品资料第五章第26页1.柱体2.活柱3.活塞头4.泵5.安全阀与卸载阀6.上顶盖7.下柱座8.支柱底腔9.通道图5.10内注式单体(dāntǐ)液压支柱精品资料第五章第27页1.顶盖2.三用阀3.活柱体4.油缸5.复位弹簧6.活塞7.底座8.卸载手把9.注液枪10.泵站供液11.注液时操纵手把方向12.卸载时动作方向图5.11外注式单体(dāntǐ)液压支柱精品资料(2)液压支架(zhījià)图5.12架型划分(huàfēn)图第五章第28页精品资料图5.13不同架型顶梁上载荷分布（图中a、b、…等要改斜体）(a、b—垛式；c、d—支撑(zhīchēng)掩护式；e—掩护支撑(zhīchēng)式；f—纯掩护式）第五章第29页精品资料①综采(zōnɡcǎi)支架图5.14BZZZC型垛式液压支架(zhījià)1.支柱2.前梁千斤顶3.复位千斤顶4.推移千斤顶5.操纵阀6.控制阀7.底座箱8.前梁9.主梁10.挡矸帘11.钢丝绳柱销12.加长段13.碰头(a)支撑式液压支架第五章第30页精品资料图5.15节式支架(zhījià)1.铰接顶梁2.支柱3.底座4.千斤顶5.阀座6.弹簧钢带

第五章第31页精品资料图5.16道梯4/550型支撑掩护(yǎnhù)式支架1.顶梁2.护帮装置3.支柱4.掩护梁5.前连梁6.后连梁7.操纵阀8.推移装置9.底座第五章第32页(b)支撑(zhīchēng)掩护式精品资料(c)掩护(yǎnhù)式支架1.主梁2.前梁3.掩护梁4.前连梁5.底座6.推移装置7.护帮装置8.前梁千斤顶9.平衡千斤顶10.支柱11.侧护板12.后连杆图5.17G320-13/32型掩护(yǎnhù)式支架第五章第33页精品资料②综采(zōnɡcǎi)放顶煤支架(a)单输送机高位(ɡāowèi)放顶煤支架图5.18单输送机高位放顶煤支架第五章第34页精品资料(b)双输送机中位放顶煤支架(zhījià)图5.19双输送机中位放顶煤支架(zhījià)第五章第35页精品资料图5.20双输送机低位放顶煤支架(zhījià)(c)双输送机低位放顶煤支架(zhījià)第五章第36页精品资料(d)“三软”煤层(méicéng)的放顶煤支架图5.21ZFS3600-16/28三软煤层(méicéng)放顶煤支架第五章第37页精品资料(e)急斜特厚水平(shuǐpíng)分段放顶煤支架（Ⅰ）YFY160(200)—16/26轻型掩护(yǎnhù)式单输送机放顶煤支架

急斜特厚水平分段放顶煤支架，同样有高位、中位及低位放顶煤支架三种：

（Ⅱ）FYC400及ZFS3000型双输送机中位放顶煤支架（Ⅲ）FY280—14/28型双输送机低位插板式放顶煤支架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(见图5.22a）

(b)辅助支护结构压缩

(见图5.22b)第五章第38页精品资料图5.22松树矿与林西矿支柱(zhīzhù)工况测定(a)(b)第五章第39页精品资料图5.23不同紧楔程度支柱工况(1—水平(shuǐpíng)楔打的紧；2—水平(shuǐpíng)楔未打紧)图5.24浮煤对支柱工况的影响(yǐngxiǎng)(Ⅰ—第一观测线；Ⅱ—第二观测线)②单体支柱实际支撑能力计算方法实际支撑力计算公式:第五章第40页(5.16)(c)支设质量(见图5.23)(d)支柱承载不均(见图5.24)

精品资料(a)不同列支柱承载(chéngzài)不均匀系数(KB)反映了不同列支柱因支柱质量、辅助结构压缩等影响(yǐngxiǎng)造成的各排之间承载能力上的差别。阻力平均值

载荷平均值

每一条观测线的承载不均匀系数

测循环数

最小值第五章第41页(5.17)(5.18)精品资料(b)微增阻系数(xìshù)(KZ)载荷的平均值

活柱缩量（）对应的工作阻力

（Ⅰ）微增阻支柱工作(gōngzuò)特性图5.25微增阻支柱特性曲线

第五章第42页(5.19)精品资料图5.26不同下—关系曲线

（Ⅱ）单体液压支柱

工作特性见图5.12，一般在0.9～1之间。

(c)

是指处于最末控顶排支柱回撤时的阻力。

第五章第43页精品资料(2)液压支架(zhījià)实际支撑能力式中—液压支架的实际支撑能力，N/架；—液压支架承载不均匀系数；—液压支架增阻系数；—液压支架额定工作阻力，N/架。

第五章第44页(5.20)(5.21)式中—顶板下沉量，mm；—支柱钻底量，mm；—背板等辅助结构压缩量，mm。

de精品资料5.1回采工作面支架与围岩关系5.2合理支护强度的确定5.3支架工作特性(tèxìng)及实际支撑能力的确定5.4控制设计5.5常见顶板事故的控制精品资料单体(dāntǐ)支柱工作面支护设计(1)顶板处理方法(fāngfǎ)选择①自然垮落法③层状坚硬顶板运动形式转化法②缓慢下沉法④厚层坚硬顶板特殊处理法注水软化法和爆破法5.4控制设计第五章第45页精品资料(2)合理支护(zhīhù)方式的选择第五章第46页特种(tèzhǒng)支护能支和护住顶板能防止顶板事故的发生两种作用相辅相成点柱和挂梁支护

一般用于下位直接顶坚硬完整的采场基本支护精品资料①基本(jīběn)支护方式的确定直接(zhíjiē)顶的完整性成组节理裂隙的方向倾角顶板压力第五章第47页精品资料各种支护方式的适用(shìyòng)条件(a)点柱适用(shìyòng)的条件一般用于下位直接顶坚硬完整的采场

(b)挂梁支护第五章第48页挂梁方向方式护顶方式影响因素由下位直接顶的完整性决定。精品资料第五章第49页②特种支护(zhīhù)的选择(a)放顶线的特种(tèzhǒng)支护(b)端头特种支护

(c)煤壁处的特种支护

(d)关于全承载支护

(e)大倾角采场的特种支护

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。

精品资料(3)采场控顶距的选择(xuǎnzé)①控顶距的定义(dìngyì)和基本控顶距控顶距

从煤壁到最后一排支柱的距离基本控顶距②影响控顶距的因素

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、瓦斯、采高、倾角等。

第五章第50页(5.22)控制在0.2～0.3m硐数精品资料③合理(hélǐ)控顶距的确定第五章第51页一是根据支架围岩关系的基本理论二是根据事故分析的结论包括(a)无特殊(tèshū)变化及要求时，一般用3～4硐控顶。(b)复合顶初次垮落期间的控顶距(c)松软顶板的控顶距(d)采场仰采时的控顶距(见图5.27）(e)坚硬直接顶采场的控顶距（见图5.28）(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（见图5.29）(h)团块状顶板下的控顶距（见图5.30）(i)大采高、大倾角采场的控顶距精品资料图5.27仰采时的控顶距第五章第52页精品资料图5.28坚硬(jiānyìng)顶板下的控顶距第五章第53页图5.29调面时的控顶距精品资料图5.30团块状顶板(dǐngbǎn)下的控顶距第五章第54页(4)支架工作(gōngzuò)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。

精品资料(5)合理支柱(zhīzhù)密度计算①顶板(dǐngbǎn)支和护的关系“支”重点是基本顶和坚硬直接顶“护”煤层上0.5m范围内的直接顶或伪顶“支”“护”关系应既能保证“支”住顶板压力又能保“护”住下位直接顶的“棚间”破碎岩体。

②合理支柱密度的计算(a)支密度的计算采场各推进阶段的顶板压力，KN/m2

支柱实际支撑能力KN/根

支密度根/m2第五章第55页精品资料(b)护密度(mìdù)的确定主要由直接顶（包括伪顶）的完整性指数和护顶材料的强度决定。同样顶板条件(tiáojiàn)采场，护密度可因护顶材料的不同而不同。护顶的准则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。力学保证条件护顶材料能托住两棚间破碎岩体的重量第五章第56页精品资料5.4控制(kòngzhì)设计综采(zōnɡcǎi)综放工作面选型(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(2)综采放顶煤工作面支架选型(1)综采工作面支架选型分类第五章第57页精品资料图5.32支架(zhījià)选型顺序第五章第58页5.4控制(kòngzhì)设计②影响选型的因素和顺序精品资料5.4控制(kòngzhì)设计③液压支架(zhījià)选型方法系统分析比较法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液压支架选型原则：(a)根据直接顶、基本顶(b)“三软”煤层(c)根据煤厚、变化范围及其规则程度(d)煤层倾角数据(e)底板抗压入强度及平整程度(f)瓦斯含量及释放方式-通风(g)全矿井内地质构造情况-断层①短顶梁的支掩式托梁掩护支架②顶板全封闭方式的支顶式掩护支架第五章第59页精品资料第五章第60页④液压支架合理工作(gōngzuò)阻力的确定方法5.4控制(kòngzhì)设计(a)国外液压支架合理工作阻力的确定（Ⅰ）岩石自重法（Ⅱ）顶底板移近量法（Ⅲ）统计法(5.23)顶底板移近量与支架支护强度存着双曲线关系，可导找两者变化的等速点，据此确定支架的工作阻力，各国的差别仅在于考虑的影响因素通过对比支架支护强度、顶板垮落高度和顶底板移近量等指标，获得合理的支架支护强度的经验数据。

精品资料第五章第61页（Ⅰ）载荷(zàihè)估算法(b)我国液压支架合理工作阻力的确定(quèdìng)方法图5.33支架受力图精品资料第五章第62页工作面阻力(zǔlì)第i层直接(zhíjiē)顶的厚度第i层直接顶的悬顶距第i层直接顶的密度附加载荷

(5.24)当直接顶随回采而垮落时，等于控顶距。(5.25)由于载荷难于精确地计算，故：动压系数注：若直接顶的初始碎胀系数为1.25～1.5，动压系数一般不超过2。精品资料第五章第63页（Ⅱ）理论(lǐlùn)分析法图5.34上覆岩层(yáncéng)断裂时受力情况精品资料第五章第64页如图5.44所示，当A岩块前端断裂瞬间，为协助B块实现(shíxiàn)平衡结构，其关系式为：式中PH—合理支护强度，KN/m2；φ—岩块间摩擦角；Θ—岩块破断角；H—基本顶岩层(yáncéng)厚度；δ—B岩块回转下沉量；Q—砌体梁下位岩层(yáncéng)中悬露岩块的全部重量。(5.26)精品资料第五章第65页(2)综采(zōnɡcǎi)放顶煤工作面支架选型首先要研究放顶煤工作面上覆岩层结构及支架围岩关系，计算出支架的合理(hélǐ)支护强度。在支架设计工作阻力满足工作面支护强度的前提下，还应根据工作面具体地质条件选择合理支架类型根据地质条件选择合理架型，影响放顶煤支架选择的因素很多，但最主要的是煤体强度和煤层倾角。①根据煤体强度选择架型

煤体强度的大小是影响放顶煤开采效果的最主要因素。实践表明，放顶煤开采比较适应的煤体强度为。

精品资料第五章第66页在这个强度范围(fànwéi)内，顶煤基本不需要采取人为松动或软化措施，在矿山压力作用下即能自行垮落，且块度适宜，即使有个别大块煤产生，依靠支架本身的二次破碎功能，也能实现顶煤的顺利放出。强度(qiángdù)，煤壁易于片帮，顶煤在支架的反复作用下超前垮落，工作面机道上方难维护，且支架受力状态也不合理，出现“前重后轻”，支架不能实现良好的支护作用。

强度，主要问题是支架前移后，顶煤形成一定长度的悬顶不能自行垮落，同时在垮落过程中块度过大，靠支架本身的二次破碎能力也难以破碎，因此在放煤时必须采取人为放煤措施，使放顶煤工序复杂化。精品资料第五章第67页选择支架的大体(dàtǐ)原则：较软煤层(méicéng)应选用短顶梁支架，减少对顶煤的反复支撑次数，增加支架前方支护能力，以维护机道上方顶煤不垮落，宜选用掩护式放顶煤支架。

强度较大不易垮落的煤层应选用长顶梁支架，增加支架对顶煤的反复支撑次数，宜选用支撑掩护式支架。精品资料第五章第68页②根据煤层(méicéng)倾角选择支架架型选择架型的大体(dàtǐ)原则：急倾斜煤层尽量选用掩护梁插板式放顶煤支架倾斜煤层选用底座与掩护梁连接式支架（单铰接或四连杆式）精品资料5.1回采工作面支架与围岩关系5.2合理支护强度的确定5.3支架工作特性及实际支撑能力的确定5.4控制设计(shèjì)5.5常见顶板事故的控制精品资料概述(ɡàishù)顶板事故是指在地下采煤过程中，因为顶板意外冒落造成(zàochénɡ)的人员伤亡、设备损害、生产中止等事故。煤矿顶板灾害中，发生在回采工作面的顶板事故占75～80％

绝大多数顶板事故发生都是有条件的，也是有规律的。顶板事故通俗地区分为局部范围的小冒顶和区域性切冒事故第五章第69页§5.5常见顶板事故的控制精品资料图5.35回采(huícǎi)工作面常见顶板事故类型回采(huícǎi)工作面区域性切冒事故第五章第70页精品资料(1)直接(zhíjiē)顶运动引发的垮面事故①坚硬(jiānyìng)顶板的区域性切冒②倾角较大工作面直接顶漏垮图5.36工作面漏垮冒顶示意图第五章第71页③复合顶板的突变运动分类精品资料图5.37金属网下推垮型冒顶(màodǐng)推进方向图5.38开切眼附近(fùjìn)反向推采的顶板离层第五章第72页精品资料图5.39下位软岩层(yáncéng)离层断裂第五章第73页§5.5常见顶板(dǐngbǎn)事故的控制精品资料图5.40游离(yóulí)顶板旋转推垮工作面第五章第74页精品资料(2)基本(jīběn)顶引发的垮面事故①冲击(chōngjī)推垮型（即砸垮型）图5.41基本顶运动引起的冲击推垮型（砸垮型）事故第五章第75页②压垮型类型精品资料图5.42基本(jīběn)顶运动引起的压垮型事故第五章第76页§5.5常见顶板事故(shìgù)的控制精品资料(3)高位覆岩运动(yùndòng)引起的工作面压垮事故①浅埋长壁采场的压垮型事故(shìgù)（见图5.43）第五章第77页②浅部开采留煤柱支撑顶板的采空区压垮事故（见图5.44）③复杂采矿地质条件的压垮型事故（见4.45）§5.5常见顶板事故的控制分类精品资料图5.43浅埋采场的压垮型事故(shìgù)§5.5常见(chánɡjiàn)顶板事故的控制第五章第78页精品资料图5.44浅部开采留煤柱支撑(zhīchēng)顶板采空区压垮型事故第五章第79页§5.5