单体支柱工作面支护设计

2.单体支柱工作面支护设计

2.1选择顶板处理方法2.2确定合理支护方式2.3确定工作面控顶距2.4计算合理支柱密度2023/2/4山东科技大学12.1选择顶板处理方法

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。厚层坚硬顶板特殊处理法主要有注水软化法和爆破法等。

2023/2/4山东科技大学22.1.1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。2023/2/4山东科技大学32.1.2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。在采高不大，最大控顶排处顶板下沉量不超过支柱所允许的缩量时，采用缓慢下沉法控制顶板，回采工作面一般可以不采用特殊支护。2023/2/4山东科技大学4

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，如下图2.1（b）所示。（a）缓慢下沉（b）采空区充填（c）采空区内强放图2.1缓慢下沉顶板采空区充填与强制放顶2023/2/4山东科技大学5

2023/2/4山东科技大学6

2023/2/4山东科技大学72.1.3层状坚硬顶板运动形式转化2.1.3.1岩层运动的两种形式

层状坚硬顶板是指厚度不超过5m的坚硬顶板（包括在厚层坚硬顶板的下部，由于层理和弱面的存在，可分离出独立运动的岩层组），这类顶板强度较高，初次垮落步距一般达25m以上，初次来压强烈。

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。2023/2/4山东科技大学82.1.3.2剪切运动形式向弯沉运动形式转化的处理措施（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。2023/2/4山东科技大学92.1.3.3顶板处理

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。2.1.3.4煤体处理

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。2023/2/4山东科技大学10

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。2023/2/4山东科技大学112.2确定合理支护方式

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。2023/2/4山东科技大学122.2.1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。2023/2/4山东科技大学132.2.1.1点柱

点柱支护方式一般用于下位直接顶坚硬完整的回采工作面，为了防止柱帽在顶板接触点处滑动，一般在柱帽上垫厚小于5cm的木帽。先是根据进尺确定点柱支护的排距，再根据所需的回采工作面支柱密度推算柱距。2023/2/4山东科技大学142.2.1.2挂梁支护

挂梁支护的基本内容有：挂梁方向、挂梁方式、护顶方式。1）挂梁方向。挂梁方向一般有沿走向和倾向两种。2）挂梁方式。挂梁方式是指齐梁、错梁、正悬臂梁、倒悬壁梁、单梁、双铰等挂梁方式。3）护顶方式。护顶方式由下位直接顶的完整性决定。

在金属网假顶工作面，根据铺网层数、网的质量，可确定是否在顶梁上铺板皮以及确定最大柱距。2023/2/4山东科技大学152.2.2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。2023/2/4山东科技大学162.2.2.1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。1）防止向倾斜推垮的特种支护；2）防止向采空区推垮的特种支护；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）。2023/2/4山东科技大学172.2.2.2端头特种支护

端头是事故多发地段，因此，也是支护的重点。端头特种支护要求整体性强，抗压性能好。目前，用的比较好的主要有四对八根长梁（双楔铰接顶梁）、十字顶梁支架。2023/2/4山东科技大学18（Ⅰ）四对八根长梁端头支护2023/2/4山东科技大学19（Ⅱ）十字顶梁端头支护2023/2/4山东科技大学20（Ⅲ）木垛(Ⅳ)机巷破顶掘进采场下端头的特种支护2023/2/4山东科技大学212.2.2.3煤壁处的特种支护1）防止破碎顶板在机道处垮落的贴帮柱；2）防止大采高松软煤层煤壁片帮的背帮措施。2.2.2.4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。2023/2/4山东科技大学222.3确定工作面控顶距2.3.1控顶距的定义和基本控顶距1）控顶距：从煤壁到最后一排支柱的距离。2）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。2023/2/4山东科技大学23

2023/2/4山东科技大学242.3.2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。2023/2/4山东科技大学252.3.3合理控顶距的确定2.3.3.1一般条件下的控顶距当回采工作面各方面条件无特殊变化和特殊要求时，一般选3~4硐控顶，控顶距按LK的表达式计算。2.3.3.2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。尤其在下位直接顶厚度1.5m以下且比较坚硬的回采工作面。2023/2/4山东科技大学262.3.3.3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（如下图所示）。造成了后排支柱“支空”，稍受扰动，支柱将被推倒。2023/2/4山东科技大学27

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2023/2/4山东科技大学292.3.3.5坚硬直接顶采场的控顶距

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（如下图所示）。2023/2/4山东科技大学302.3.3.6特松软底板的控顶距尽可能缩小控顶距2.3.3.7复合顶板（包括“夹心”顶板）采场调面时的控顶距回采工作面上部扩大控顶距2.3.3.8团块状顶板下的控顶距2.3.3.9大采高、大倾角采场的控顶距2023/2/4山东科技大学312.4计算合理支柱密度2.4.1顶板支和护的关系

1）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）在给定支护装备的前提下，支护设计应既能保证“支”住顶板压力，又能保证“护”住下位直接顶的“棚间”破碎岩体，即合理的支柱密度应该取支密度和护密度中的最大值。2023/2/4山东科技大学32

2023/2/4山东科技大学332.4.2.2护密度的确定

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。2023/2/4山东科技大学34案例中平能化集团大庄矿己18－25050工作面的支护设计2023/2/4山东科技大学35炮采工作面回采工艺技术装备简单，投资少，见效快，适应性强，操作技术易掌握，生产技术管理比较简单。在开采边角煤、回采煤柱、地质构造复杂区域及中小型煤矿仍在使用。2023/2/4山东科技大学36中小型煤矿仍在使用炮采，工作面支护设计是《作业规程》编制时必须计算的，本节阐述中平能化集团大庄矿己18－25050工作面的支护设计。2023/2/4山东科技大学371工作面地质情况

大庄矿己18－25050工作面位于己5采区，地面标高190～196m，工作面底板标高－78～－86m。走向长度495m，倾斜长度96m，煤层倾角2°～4°，煤层平均厚度1.5m，工作面顶底板情况见表1。工作面沿煤层倾向布置，走向长壁一次采全高，采用全部垮落法管理顶板。2023/2/4山东科技大学38表1工作面顶底板情况

2023/2/4山东科技大学392采煤工作面支护设计2.1工作面支柱规格选择（1）支柱最大高度计算Hmax＝Mmax－b0＝1.6－0.1＝1.5（m）（2）支柱最小高度计算Hmin＝Mmin－b0－△Sx－a0＝1.4－0.1－0.17－0.05＝1.08（m）式中，Mmax：工作面开采范围内的煤层最大采高，m；Mmin：工作面开采范围内的煤层最小采高，m；b0：顶梁的厚度，b0＝0.1m；

△Sx：顶板下沉量；a0：工作面顶板备用下缩量，取a0＝0.05m。2023/2/4山东科技大学40△Sx＝ηMminL1＝0.025×1.6×4.2＝0.168（m）（取△Sx＝0.17m）式中，η：顶板下沉系数，取η＝0.025；L1：工作面顶板最大控顶距，L1＝4.2m。

工作面选择支柱型号规格DZ16－300/100，支柱最大高度1.6m大于计算所需高度1.5m；支柱最小高度0.98m小于计算所需支柱高度1.08m。符合工作面使用的要求。2023/2/4山东科技大学41（3）工作面所需支柱、顶梁数量N＝LN（L/b＋1）＝4×（96/0.6+1）＝644（根）式中，LN：最大控顶距时支柱的排数，LN＝4；L：工作面的长度，L＝96m。

考虑工作面临时支护、加强支护、端头支护与备用量的要求，工作面支柱须增加15%～20%，顶梁须增加15%～20%。工作面须配备支柱750根，顶梁750根。2023/2/4山东科技大学42

2023/2/4山东科技大学432.3支柱有效工作阻力

采用油缸直径为100mm的单体液压支柱型号为DZ16－30/100型。R＝R1×K1×K2＝294×0.9×0.9＝238.14kN/根式中，R—支柱工作阻力，KN/根；R1—支柱额定工作阻力，294kN/根；K1—支柱增阻系数，取0.9；K2—支柱不均系数，取0.9。2023/2/4山东科技大学442.4工作面支护密度n＝P/R＝277.83/238.14＝1.17根/m22.5工作面排距柱距的确定

根据工作面条件及矿上条件，选取金属铰接顶梁HDJA－1000型。根据顶梁长确定排距a＝1m。柱距b＝1/n＝1/1×1.17＝0.85m。

选取柱距b＝600mm，完全可以满足支护强度及支护密度、的要求。2023/2/4山东科技大学452.6工作面底板比压校核

工作面使用支柱油缸直径全部为100mm，初撑力F＝90KN，计算出支柱对底板的比压P1为：P1＝F/S1＝F/π（D/2）2＝90×103/（3.14×0.052）＝11.5MPa

本工作面煤层厚1.4m，一次采全高，底板灰岩，根据地质部门提供资料，其底板比压P2为：P2＝16～32MPa。由于P2>P1，单体液压支柱不会钻底。2023/2/4山东科技大学462.7两巷超前支护设计

两巷超前支护使用单体液压支柱配合金属铰接顶梁支护，单体液压支柱采用DZ16－30/100、DZ22－30/300、DZ25－25/100，根据两巷高度选择。两巷自煤壁向外10m