第五章 采场顶板支护方法

第五章采场顶板支护方法第一页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五2023/6/22矿山压力与岩层控制2本章内容提要第五章采场顶板支护方法5.1顶板分类与底板特征5.2采场支架类型与支架力学特征5.3采场支架与围岩相互作用原理5.4采场支护设计5.5采场来压预报与支护质量监测5.6本章小结第二页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五3控制矿山压力目的：保证回采工作面的正常生产和人员安全。工作面支护的直接对象是直接顶，通过直接顶间接对老顶的活动起一定的控制作用，平衡老顶失稳的压力。采空区处理方法对老顶的活动有着明显的影响。采空区处理采场矿山压力控制工作面支护2023/6/22矿山压力与岩层控制第一节顶板分类与底板特征一、采场矿山压力控制的概念第三页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五4对于全部冒落法处理采空区：“煤壁－支架－矸石”构成对采场上覆岩层的支撑体系2023/6/22矿山压力与岩层控制第一节顶板分类与底板特征一定条件下，上述支撑体系的支撑性能将主要取决于支架的支撑特性，即主要取决于支架的支撑力与支架可缩量的关系特征。第四页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五5采场支架处在一个由围岩组成的系统中：“老顶－直接顶－支架－底板”2023/6/22矿山压力与岩层控制5第一节顶板分类与底板特征第五页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五62023/6/22矿山压力与岩层控制由于采场支撑体系（小结构）必须与上覆岩层大结构相适应，采场支架必须具备下列两个特性：①必须具备一定的可缩量，煤壁与矸石的刚性；②必须具备一定的支撑性能,即一定的支撑阻力。采场围岩：直接顶、老顶、直接底岩层。这三者对采场矿压显现及支护方式的选择有着显著的影响。因而需对三者加以分类。第一节顶板分类与底板特征第六页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五7直接顶是支架直接维护的对象，支架通过直接顶控制老顶。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。直接顶的完整程度取决于两个因素：1）岩层本身的力学性质；2）直接顶岩层内的层理和裂隙的发育情况。2023/6/22矿山压力与岩层控制第一节顶板分类与底板特征二、直接顶的分类第七页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五1）岩层的力学性质：抗拉、抗压强度，弹模等结合我国的实际情况，曾将直接顶按稳定性分为三种状态：破碎顶板，回采护顶不及时，很易造成局部冒顶，如页岩、再生顶板及煤层顶板等。中等稳定顶板，虽由于受到一系列裂隙所切割，但局部尚较完整，如砂页岩或粉砂岩等。完整顶板，这种顶板允许悬露面积大，稳定性好，不易发生局部冒顶。如砂岩或坚硬的砂页岩等。82023/6/22矿山压力与岩层控制第一节顶板分类与底板特征第八页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五2）岩层内节理裂隙的发育情况：原生裂隙：岩层在形成过程中由于温度、矿物结晶及沉积的作用而形成的弱面，如层与层之间的层面。构造裂隙：岩层形成后，经剧烈的地质变动，例如在挤压、扭曲等过程中形成的弱面。这种弱面有些是贯穿于整个岩层群的大小断层面，以及伴随此断层的各种小型破坏面。

压裂裂隙：指在煤层开采时引起的破坏面。一般仅发生在比较软的直接顶，主要是由于支承压力的作用。92023/6/22矿山压力与岩层控制第一节顶板分类与底板特征第九页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五10直接顶的分类（冒空使接顶恶化）①以直接顶初次垮落步距L0作为分类指标，分为4类：

1类 L0≤8m 不稳定顶板

2类 8m＜L0≤18m 中等稳定顶板

3类 18m＜L0≤28m 稳定顶板

4类 28m＜L0≤50m 非常稳定顶板②以直接顶端面破碎度作为分类指标，分为3类：破碎顶板中等稳定顶板完整顶板2023/6/22矿山压力与岩层控制第一节顶板分类与底板特征第十页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五FA－端面破碎面积

F－支架梁端到煤壁面积端面距为1m时的端面破碎度称为顶板冒落灵敏度。

1类E>30% 不稳定顶板

2类11%<E<30%中等稳定顶板

3类E<10% 稳定顶板112023/6/22矿山压力与岩层控制第一节顶板分类与底板特征直接顶端面破碎度端面距与顶板破碎度的关系E越小b对破碎度影响越小

第十一页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五③直接顶板分类方案及其指标原煤炭工业部颁发了缓倾斜煤层采煤工作面直接顶板分类方案。共分为4类。其中，1类、2类又分为2个亚类，具体指标见表5-1。τr为直接顶平均初次垮落距。122023/6/22矿山压力与岩层控制第一节顶板分类与底板特征第十二页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五13老顶的失稳及来压强度不仅对直接顶的稳定性有直接影响，而且对确定支护强度、支架具备的可缩量以及选择采空区处理方法等，都起着决定性的作用。2023/6/22矿山压力与岩层控制第一节顶板分类与底板特征三、老顶的分级第十三页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五老顶岩层对工作面的顶板压力的影响主要取决于直接顶的厚度。直接顶厚度对老顶来压显现剧烈程度影响较大，采空区充填越满，老顶破断后形成结构呈现缓慢下沉式平衡的可能性越大，对工作面矿压显现影响越小，在“煤壁－支架－采空区已冒落的矸石”支撑中，支架承载越小。142023/6/22矿山压力与岩层控制第一节顶板分类与底板特征直接顶厚度为采高6-8倍，全部垮落，不足部分充填，甚至刀柱法。第十四页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五15(1) 按直接顶厚度与采高比值N=∑hi/hm，并参照老顶初次来压步距L，将老顶分为5级:Ⅰ级 N>5,无周期来压或来压不明显顶板,图(a)Ⅱ级2<N≤5,有周期来压顶板，来压明显,图(b)Ⅲ级N≤2,甚至没有直接顶，周期来压严重顶板,图(c)2023/6/22矿山压力与岩层控制第一节顶板分类与底板特征第十五页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五Ⅳ级基本顶坚硬、无直接顶，极坚硬顶板，来压极强烈,图(d)，采用爆破放落部分顶板、高压注水软化顶板。Ⅴ级能塑性弯曲的顶板。一般只可能在薄煤层或厚度不大的中厚煤层的石灰岩顶板中才出现,图(e)162023/6/22矿山压力与岩层控制第一节顶板分类与底板特征第十六页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五(2)老顶分级方案及其指标老顶的分级指标是老顶初次来压当量pe，其值由老顶初次来压步距Lf、直接顶充填系数N和煤层采高hm按（5-1）式确定。17pe=241.3ln(Lf)-15.5N+52.6hm2023/6/22矿山压力与岩层控制第一节顶板分类与底板特征式中:Pe—老顶初次来压当量；Lf—老顶初次来压步距；N—直接顶充填系数，N=hi/hm

；hi—直接顶厚度，m；

hm—煤层采高，m。第十七页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五18按老顶初次来压当量将老顶分为4级2023/6/22矿山压力与岩层控制第一节顶板分类与底板特征第十八页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五19底板岩层对采煤的影响：底板破坏深度、采场支护系统刚度底板破坏深度对水、瓦斯运移规律的影响。采场支护系统刚度是由“底板－支架－顶板”所组成，因此底板岩层的刚度将直接影响到支架性能的发挥。2023/6/22矿山压力与岩层控制第一节顶板分类与底板特征四、底板特征与分类若底板太软（刚度太小），支架会钻底，从而影响对顶板的控制。第十九页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五底板比压：支架底座对单位面积底板所造成的压力。也称为底板载荷集度极限底板比压：防止支架钻底时允许的最大底板比压支柱钻底的破坏形式有以下三种：整体剪切：支柱载荷达到一定值后，突然下降，支柱压入深度迅速增大，此突破点称为底板的极限抗压入强度局部剪切：没有明显的突破点，但随载荷的增加，压入深度的速度增长较快其他剪切：介于前两者之间，有突破点，但不明显，载荷超过突破点后压入深度明显增大2023/6/22矿山压力与岩层控制20第一节顶板分类与底板特征第二十页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五21柱鞋的特点决定软底的特点，不宜采用木柱鞋2023/6/22矿山压力与岩层控制第一节顶板分类与底板特征整体剪切：支柱载荷达到一定值后，突然下降，支柱压入深度迅速增大，此突破点称为底板的极限抗压入强度局部剪切：没有明显的突破点，但随载荷的增加，压入深度的速度增长较快其他剪切：介于前两者之间，有突破点，但不明显，载荷超过突破点后压入深度明显增大第二十一页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五22按极限底板比压将底板分为5类、可根据此表选择支柱应具有的底面积2023/6/22矿山压力与岩层控制第一节顶板分类与底板特征第二十二页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五23根据支柱与顶梁的配合关系，将采场支架分为两大类：单体支柱：支柱与顶梁是分开的液压支架：顶梁、支柱、底座联合为一个整体木支柱金属摩擦支柱液压支柱2023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性一、概述金属顶梁是刚性结构件。支柱则常由两节(即活柱和底柱)组成。它们之间的伸缩关系形成了支柱的可缩性。因此，支架的特性主要是由支柱的特性来决定液压支架力学特性不仅决定于液压支柱的力学特性，还取决于其结构，可形成不同的力学特性。第二十三页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五支柱对顶板的主动作用力称为支柱的撑力支柱受顶板压力作用而反映出来的力称为支柱的阻力，又称工作阻力24(a)急增阻式；(b)微增阻式；(c)恒阻式

2023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性第二十四页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五P0′—初撑力：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力。对于液压支柱，即是泵压所形成的支柱对顶板的撑力。P0—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称为始动阻力。252023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性第二十五页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五P1

－初工作阻力：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。P2

－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。262023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性(a)急增阻式；(b)微增阻式；(c)恒阻式

第二十六页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五急增阻式：有一个较小的人为初撑力P0′，当支柱在顶板压力作用下，活柱开始下缩时便形成了始动阻力P0，随着活柱下缩，工作阻力呈直线型急剧增加。这种支柱可缩量较小。272023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性(a)急增阻式；(b)微增阻式；(c)恒阻式

第二十七页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五微增阻式：随着活柱的下缩，工作阻力先有一个急剧增长过程。当达到初工作阻力P1后，随着支柱的继续下缩，工作阻力的增长变得极为缓慢，一直到支柱的最大可缩量，也即是支柱的最大工作阻力时为止。此类支柱具有较大的可缩量。282023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性(a)急增阻式；(b)微增阻式；(c)恒阻式

第二十八页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五恒阻式：随着活柱下缩，很快达到额定工作阻力，以后尽管活柱继续

下缩，支柱的工作阻力保持不变，液压支柱是典型的恒阻性能支柱。从支柱工作阻力适应顶板压力的特点进行分析，显然，恒阻性能的支柱较为有利，急增式性能比较差。木支柱→单体金属摩擦支柱（急增阻和微增阻）→单体液压支柱（恒阻式）→液压自移支架292023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性第二十九页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五30内注式外注式按注液方式分为单体支架的优点：轻便、价格便宜，适用性强缺点：支设、回柱劳动强度大，稳 定性差；支、回柱速度慢2023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性二、单体液压支柱的结构与特性第三十页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五

内注式液压支柱：内注式液压支柱使用的工作介质是机油，它是通过摇动手把，操纵支柱内的手摇泵，把油从低压腔压入高压腔。回收时，打开卸载阀使高压腔内的油回到低压腔，活柱在自重作用下自动回缩312023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性第三十一页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五外注式液压支柱靠外部泵站经管路系统通过注液枪向支柱供液。工作介质是含有1%～2%乳化油的乳化液。回收时打开卸载阀，把工作介质排到支柱外部，活柱靠自重和弹簧力回缩。单向阀、安全阀和卸载阀共同组成一个三用阀，它的性能优劣直接影响着支柱的工作特性322023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性第三十二页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五外注式和内注式液压支柱使用特点：(1)外注式液压支柱需要配备液压泵和管路系统，不如内注式灵活，但柱体内不需手摇泵，因此结构简单，重量轻，成本较低

；(2)外注式液压支柱每使用一次需要消耗一定的乳化液；

(3)外注式液压支柱支设速度由液压泵的流量决定，泵的流量比内注式液压支柱的手摇泵要大得多，所以支设速度较快。在一些薄煤层或人行走比较困难的工作面，来回拉注液枪有困难时，宜使用内注式液压支柱。在缓斜和倾斜中厚煤层工作面中，则宜使用外注式液压支柱。332023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性第三十三页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五液压支架支柱工作原理1-活柱；2-柱体；3、9、10-管路；4-安全阀；5-单向阀；6-主回油路；7-主进油路；8-操纵阀342023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性三、液压支架支护方法分析液压自移支架内使用的液压支柱属于外注式，其工作原理如图所示Ⅰ-升柱状态；Ⅱ-工作状态；Ⅲ-卸载状态第三十四页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五从支架结构及其支撑特点出发，我国将液压支架分为三类：支撑式、掩护式、支撑掩护式①支撑式。指在结构上没有掩护梁，对顶板的起支撑作用的支架称为支撑式支架。352023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性第三十五页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五②掩护式：在结构上有掩护梁，单排立柱连接掩护梁或直接支撑顶梁对顶板起支撑作用的支架。③支撑掩护式：具有双排或多排立柱及掩护梁结构的支架，支柱大部或全部通过顶梁对顶板起支撑作用，可能有部分支柱是通过掩护梁对顶板起作用。另外，将对顶板仅起掩护作用的液压支架称为纯掩护式液压支架。362023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性第三十六页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五37

(1)支撑式：结构上没有掩护梁2023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性第三十七页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五38(2)掩护式：结构上有掩护梁，支柱在掩护梁上2023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性第三十八页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五39(3)支撑掩护式：结构上有掩护梁，支柱在顶梁上，有时在顶梁和掩护梁上都有支柱。2023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性第三十九页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五40（1）支撑式液压支架支护方式分析2023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性三、液压支架支护方式分析第四十页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五41支撑式液压支架支撑力的分布，与有排柱放顶的单体支架工作面相类似。支撑力在顶梁上的理想分布状态如图所示

2023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性支撑式支架支撑力分布状态第四十一页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五支撑式支架顶梁后端支撑力大于前端，支撑力合力远离前梁端部。支撑式支架适应直接顶较完整的条件，若周期来压又较强烈则更适应。422023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性但由于支架结构不能抗水平推力，当顶板特别坚硬、破断形成的强大的水平推力又会损坏支撑式支架。不适用于破碎顶板条件。支撑式支架支撑力分布状态第四十二页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五43表中合力作用位置是以前柱为起点进行计算，BZZB前后柱间距为1.1m，因此表中0.5~0.6m为前后柱的中间位置。其中最大值是指四根支柱的载荷。83%是处于两柱中间而偏于前柱的位置，只有7%是后柱明显大于前柱，10%是前柱明显大于后柱。这种情况说明，支架的架型与顶板情况是相适应的。2023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性第四十三页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五对于顶板比较破碎的工作面，由于支架反复支撑，常常导致直接顶比使用单体支柱时更易破碎。图中(a)、(b)与(d)的情况，必然导致支架受力前移，其结果是使支架前柱受力远大于后柱，有时甚至形成后梁上翘现象。442023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性在图中(c)所示的情况，才有可能出现前后柱受力相等或后柱受力大于前柱的现象。第四十四页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五支撑式液压支架比较适应于直接顶比较完整的工作面，若周期来压又较剧烈则更易于适应。对特别坚硬的顶板却又由于支柱承受不了强大的水平推力而不相适应。在破碎顶板条件下，则必须采取有效的护顶措施，才能得到良好的使用效果。支撑式支架通风断面大、行人方便、结构简单，在高瓦斯矿井中使用具有很大的优越性。我国煤炭行业标准认为支撑式液压支架适用于采高1.5m以上，直接顶3、4类，底板Ⅲ类以上，煤层倾角小于20°的长壁工作面。452023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性第四十五页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五46（2）掩护式液压支架支护方式分析单铰式双铰式（四连杆式）掩护式支架是由托梁、掩护梁、底座与支柱四个主要部件所组成。这种支架的主要特点是对机道上方的顶板进行支撑而对采空区冒落的矸石采取掩护的办法。2023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性按掩护梁与底座间联结方式分为：第四十六页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五单铰式掩护支架托梁铰接点做圆弧线运动，双铰式掩护支架的托梁铰接点做双纽线运动。472023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性VOB—HP116型掩护支架外形（单铰式）

1－托梁；2-掩护梁；3-底座；4-立柱；5-护帮板第四十七页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五48T13K11掩护液压支架（双铰式）1-托梁；2-立柱；3-掩护梁；4-前连杆；5-推移千斤顶；6-底座；7-后连杆2023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性第四十八页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五掩护支架的优点：①缩小了控顶距，减少了托梁与顶板之间反复支撑的次数，提高了支架对机道上方顶板的支撑。②在顶板局部冒顶情况下，可以考虑不接顶。

③支架结构可以承受一定水平推力，因而可以实现承载前移④挡矸性能良好，因而采空区矸石不能涌入回采工作面空间492023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性但这种支架工作空间小，因而通风断面小，行人也不方便。由于增加了掩护梁，支架重量有所增加。

适用于直接顶破碎，来压不明显的条件。不适用于直接顶坚硬而老顶周期来压强烈的条件。第四十九页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五（3）支撑掩护式液压支架支护分析同时兼有支撑式与掩护式支架的有点，它是支撑与掩护式两种架型的组合。支撑掩护式支架分支顶式及支顶支掩式两种。有双排、三或四立柱。顶梁长度一般均较掩护式支架长，增加了支撑力，缩短了掩护梁长度，加大掩护梁的坡度，改善支架底座与底板受力情况，可见支撑掩护式支架支撑能力较强，对顶板的适应性较强。导致控顶距增大，价格较高，重量较大，支架结构较复杂等缺陷。502023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性第五十页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五支架结构兼有支撑式液压支架和支掩式掩护支架这两者的优点，逐步取代了其他型号的支架。我国煤炭行业标准规定，支顶式掩护支架优先适用于直接顶为1、2、3类，老顶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级，底板为2类以上的条件。512023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性第五十一页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五我国自行设计与制造的支顶式掩护支架，这种支架在实际使用中取得了很好的效果。这种支架消灭了掩护梁与托梁间的三角区，提高了掩护梁的坡度，缩短了掩护梁的长度，同时还改善了底座与底板间的受力情况。522023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性第五十二页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五(5)几种新型支架532023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性第五十三页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五542023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性第五十四页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五552023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性第五十五页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五562023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性第五十六页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五每一根支柱都经历了回采工作空间顶板下沉的全过程。单体支柱受力的大小，首先决定于顶板压力的大小，有时还决定于底板的力学性质以及顶梁是否具有压缩性。572023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性四、单体支架支护方法分析第五十七页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五单体支柱载荷在梁上的分布状态：若接顶情况良好，以支柱为基准，前后梁的长度为1∶1，则载荷应是均匀分布，如图(a)

若考虑到顶梁两端有一定的弯曲，则载荷应呈抛物线形，如图(b)若前后比值为2∶1，则为三角形分布，如图(c)最好前后梁长的比例不大于2，因为事实上多余的一部分梁对顶板不起支护作用，如图(d)582023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性第五十八页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五在使用全部垮落法处理采空区时，分工作面支柱与切顶支柱两部分，其布置方式如图所示。有排柱放顶。592023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性有排柱放顶支柱支撑力分布（来压较强烈、顶板较稳定）第五十九页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五当工作面直接顶比较破碎时，不再使用切顶支架，而是以加强工作面支护为主。支架的布置方式及支撑力分布如图所示，称为无排柱放顶602023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性无排柱放顶支架支撑力分布第六十页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五61单体支架在回采工作面的布置方式决定于直接顶的稳定性，同时考虑老顶来压。1)带帽点柱支护无顶梁直接顶比较完整时使用。但目前已少用带帽点柱的布置方式2023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性第六十一页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五2)棚子支护

直接顶为中等稳定或比较破碎时采用这种支护方式。一般棚子多由一梁二柱组成。在破碎顶板条件下，棚子的梁与梁之间还应采取加木背板、竹笆或荆笆等护顶措施。62连锁式及对接式走向棚(a)连锁上行式；(b)连锁下行式；(c)连锁混合式；(d)对接式2023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性第六十二页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五633)单体柱＋铰接顶梁布置2023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性机道顶板有支护回撤不易被矸石埋住第六十三页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五64(1)金属顶梁

HDJA型金属顶梁

1-接头；2-梁体；3-耳子；4-销子；5-调角楔；L-中心距

2023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性第六十四页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五65(2)悬梁与支柱的关系2023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性正悬臂：机道可以支护，安全好，采空区侧不易损折倒悬臂：回柱时不易被矸石埋住，回柱较安全，但机道无支护第六十五页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五(3)支架的布置方式①齐梁式支护662023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性齐梁式支护指悬梁端与工作面相齐，支柱排成直线状根据截深与顶梁长度的关系，分为:截深与顶梁长度相同，截深是顶梁长度之半。一般都采用正悬臂式支护

第六十六页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五②错梁式支护这种布置方式的截深是顶梁长度的一半。每进一刀，隔一架棚挂一根梁。顶梁交错向前。错梁直线柱布置方式如图所示。顶梁交错使用正、倒悬臂，支柱呈直线状。进第一刀时一般要间隔打临时柱，此种支护方式一般在顶板比较破碎时使用672023/6/22矿山压力与岩层控制第二节采场支架类型与支架力学特性第六十七页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五68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。采场支架处在一个由围岩组成的系统中：“老顶－直接顶－支架－底板”。支架与围岩相互作用，支架性能必须符合围岩运动规律。2023/6/22矿山压力与岩层控制第三节采场支架与围岩相互作用原理一、回采面支架与围岩的相互作用第六十八页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五69支架的性能和结构对支架受力和围岩运动是怎样影响的呢？以及在各种围岩条件下支架呈现什么反映呢？这就是支架与围岩关系研究的内容支架类型对围岩的支护效果不同，相同的支架在不同的围岩条件下，其受力状态和支护效果也不同2023/6/22矿山压力与岩层控制支架与围岩体系刚度模型第三节采场支架与围岩相互作用原理第六十九页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五70（1）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。还与支架与围岩支撑系统的总体特性有关事实证明，刚性、急增阻式、微增阻式或恒阻式支架受力分布状态不一致，恒阻式支架的受力比较均匀2023/6/22矿山压力与岩层控制第三节采场支架与围岩相互作用原理③支架结构及尺寸不同对顶板压力影响和维护效果不同。架型选择合适，可以用最小的工作阻力维护好顶板

例如某些条件下使用短梁掩护式支架(工作阻力仅800kN)能取得比使用四柱支撑式（工作阻力2400kN）更好的维护效果第七十页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五712023/6/22矿山压力与岩层控制第三节采场支架与围岩相互作用原理第七十一页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五（2）支架P－△L关系曲线支架工作阻力与顶板下沉量的关系在一定程度上反映了支架与围岩的相互作用关系。722023/6/22矿山压力与岩层控制第三节采场支架与围岩相互作用原理第七十二页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五国内外曾多次进行了支架工作阻力P与顶板最终下沉量ΔL之间关系的试验。我国当时是在实验室内进行的，有些国家是根据现场实测资料加以统计。732023/6/22矿山压力与岩层控制第三节采场支架与围岩相互作用原理其中最完整的是前苏联在一个工作面进行的支架调压试验(表5-9)，结果与实验室所得大致相同，即证明了工作阻力P与顶板最终下沉量(即由煤壁到采空区一侧)是一近似的双曲线。第七十三页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五742023/6/22矿山压力与岩层控制第三节采场支架与围岩相互作用原理第七十四页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五75采面支架调压试验所得“P-ΔL”曲线

(a)平时情况；（b）周期来压情况虚线表示最大值；实线表示平均值；

A——支架工作稳定区；B——支架工作不稳定区2023/6/22矿山压力与岩层控制第三节采场支架与围岩相互作用原理第七十五页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五76从P－△L曲线可以得出一下结论：①不同的顶板条件，P－△L曲线的斜率不同，但都呈双曲线关系。②在一定工作阻力以上，支架工作阻力增加对顶板下沉量影响较小，但低于此值提高支架工作阻力将显著减少顶板下沉量。③支架的工作阻力并不能改变上覆岩层“大结构”的总体活动规律。2023/6/22矿山压力与岩层控制第三节采场支架与围岩相互作用原理第七十六页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五④回采工作面支架应具备以下两个基本特性：一是必须具备一定的可缩量；二是必须具备有良好的支撑性能，即一定的工作阻力。772023/6/22矿山压力与岩层控制第三节采场支架与围岩相互作用原理因而在支架选型与支护设计中，最主要是确定支架的最大可缩量与最大工作阻力。第七十七页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五78支架的工作状态是支架与围岩关系的综合反映，也是老顶的位态、直接顶、支架以及底板力学特性综合体现。2023/6/22矿山压力与岩层控制第三节采场支架与围岩相互作用原理系统中各部分可近似看成变刚度的弹簧，各弹簧成串联结构，各自受力相等，总变形按各自刚度进行分配二、采场支架的工作状态第七十八页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五当底板为坚硬和中硬时，其刚度较大，对支架围岩系统的影响较小；底板的影响是有限的，在支架围岩系统中，主要是直接顶和支架的相互作用792023/6/22矿山压力与岩层控制第三节采场支架与围岩相互作用原理

支架与围岩体系的刚度K由直接顶、支架和底板的刚度共同决定，可由下式表示第七十九页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五80

支架的工作状态是处于“给定变形”状态还是处于“给定载荷”状态，是由直接顶刚度和支架刚度的相对变化决定的。当支架处在“给定变形”工作状态时，支架应具有足够的支护强度和可缩量；当支架处在“给定载荷”工作状态时，支架应具有足够的稳定性。支架变形量在系统总体变形中所占比重，取决于顶底板刚度与支架刚度的相对大小，支架刚度相对越小，则支架的变形量越大。2023/6/22矿山压力与岩层控制第三节采场支架与围岩相互作用原理第八十页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五81确定支架类型:单体支架液压支架支撑式掩护式支撑掩护式确定架型后主要是选定支架高度和可缩量2023/6/22矿山压力与岩层控制第四节采场支护设计一、支架规格的选定(1)自移支架的选型顺序①根据顶板岩石力学性质、厚度及岩层结构和弱面发育程度确定直接顶类型；②根据老顶岩石力学特性及矿压显现特征确定其级别第八十一页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五③根据底板岩性及底板抗压入强度和刚度测定结果，确定底板类型；④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，估算支架所需的支护强度和每米阻力；⑤根据顶底板类型、级别及采高，初选所需的额定支护强度，初选支架型式；⑥考虑工作面风量，行人断面，煤层倾角，修正架型及参数；822023/6/22矿山压力与岩层控制第四节采场支护设计第八十二页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五⑦考虑采高、煤壁片帮(煤层硬度和节理)的倾向性及顶板端面冒落度，确定顶梁及护帮结构；⑧考虑煤层倾角及工作面推进方向，确定侧推结构及参数；

⑨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；

⑩利用支架参数优化程序(考虑结构受力最小)，优化支架结构。832023/6/22矿山压力与岩层控制第四节采场支护设计第八十三页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五(2)单体支架规格选定的方法及步骤:①首先确定煤层的最大采高Mmax及最小采高Mmin；②确定顶板在最大控顶距处的平均最大下沉量SL,支架最大可缩量必须大于此值。842023/6/22矿山压力与岩层控制第四节采场支护设计顶板最大下沉量可用下式估算：

SL＝η·M·LSL—工作面顶板下沉量；

η—下沉系数，一般为0.025～0.05；

M—煤层采高；

L—控顶距。第八十四页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五③求支柱最大高度Hmax

Hmax=Mmax－b

b－顶梁厚度；④求支柱的最小高度Hmin

Hmin＝Mmin－SL－b－aa－支柱回柱放顶时必要的卸载高度,一般取50mm⑤根据顶板最大下沉量SL,确定支柱的型号,根据Hmax及Hmin确定支柱规格。852023/6/22矿山压力与岩层控制第四节采场支护设计第八十五页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五86(3)液压支架规格的选定方法①确定最大采高Mmax，最小采高Mmin；②确定支架最大采高时前柱的顶板下沉量S1；③确定最小采高时后柱顶板最大下沉量S2；④确定支架最大、最小高度

Hmax=Mmax－S1

Hmin＝Mmin－S2－a

a－支架卸载高度,一般取50mm2023/6/22矿山压力与岩层控制第四节采场支护设计第八十六页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五87

对支架－围岩系统而言：

P＝P0＋K△S

P—支架工作阻力P0—初撑力可见，提高P0有利预先压实顶底板，提高系统刚度，提高工作阻力P，降低顶板下沉量△S因此，要保证支架对顶板的有效支护，要有合适的初撑力。工作面合理工作阻力的确定包括初撑力、最大工作阻力。2023/6/22矿山压力与岩层控制第四节采场支护设计二、支架合理工作阻力第八十七页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五估算法认为支架的合理工作阻力P应能承受控顶区内以及悬顶部分的全部直接顶岩层载荷Q1，还要承受当老顶来压时形成的附加载荷Q2882023/6/22矿山压力与岩层控制第四节采场支护设计支架受力图第八十八页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五891)初撑力合理值确定支架设计的初撑力一般为支架额定工作阻力的80％左右。采场支架的初撑力应能平衡冒落带直接顶岩层重量。对单体支架工作面： 即： P0≥h·r/n

h－直接顶厚度r

－岩层容重 n－支护密度

n＝1/a·b

a－排距;为采煤进度或采煤机截深的整数倍

b－柱距，一般0.5m≤b≤1m2023/6/22矿山压力与岩层控制第四节采场支护设计第八十九页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五90倾斜煤层时（倾角为α），支架初撑力不仅能平衡冒落带直接顶重量，还应能防止顶板沿倾向滑动失稳，此时初撑力P0满足：

P0≥hr（cosα+sinα/f）/n

f－顶板岩层间摩擦系数，一般取0.3

为保证工作面支架初撑力达到设计值，必须保证：①使用的乳化液泵出口压力满足要求;②支护系统的刚度要满足要求,底软钻底需穿鞋;③操作质量必须保证；2023/6/22矿山压力与岩层控制第四节采场支护设计第九十页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五912)最大工作阻力的确定(1)以采高的倍数进行估算

PH=(4～8)Mr/nM—煤层采高；r—岩层容重；n—支护密度(2)现场测定

PH=Pt+2σ

t

Pt—实测支架工作阻力平均值

σ

t—实测支架工作阻力均方差

Pt—受支架架型和初撑力大小影响2023/6/22矿山压力与岩层控制第四节采场支护设计第九十一页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五对单体液压支柱工作面，从当前技术水平出发，其合理顶板控制目标有3个：①能最大限度地消除压、漏、推冒顶隐患，防止发生各种类型的冒顶事故；②能控制顶底板移近量、台阶下沉量以及端面冒高等顶板状态参数在一定限度之内，保证顶板处于良好状态；③所需的费用最少;

922023/6/22矿山压力与岩层控制第四节采场支护设计3)单体液压支柱工作面顶板控制原则第九十二页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五单体液压支柱工作面的顶板控制原则如下：（1)对垮落带岩层采取“支”，采场支柱的工作阻力应能平衡工作空间及采空区上方垮落带岩层的重量；采场支柱的初撑力应能平衡工作空间及采空区上方垮落带直接顶岩重；（2）对裂隙带岩层采取“让”，采场支柱的可缩量应能适应裂隙带岩层的下沉；（3）当直接顶厚度不足1倍采高，尤其是无直接、煤层上方是厚度不大的老顶时，可用“切”的原则切断采空区上方老顶；932023/6/22矿山压力与岩层控制第四节采场支护设计第九十三页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五（4）当直接顶厚度不足1倍采高时，可用“挑”，挑落1倍采高顶板。对厚层难冒顶板，应松动碎裂3倍采高顶板岩层；或在工作面前方用钻眼爆破或高压注水的措施进行松动弱化，或在采空区挑顶3倍采高；这些措施也可统称之为“挑”；（5）不论那一种顶板，都要针对直接顶的稳定性采取“护”；（6）不论那一种顶板，如果是复合顶板，应使支柱的初撑力本身就能防推。942023/6/22矿山压力与岩层控制第四节采场支护设计第九十四页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五95（1）根据老顶破断距的理论计算值来预测；（2）根据老顶破断引起的“反弹”与“压缩”,在工作面顺槽采用测压的方法来进行预测来压2023/6/22矿山压力与岩层控制第五节采场来压预测与支护质量监测一、老顶来压的预测预报1）老顶断裂的主要特征及预报原理①老顶断裂是裂缝形成、扩展的时间过程；②老顶断裂线处于工作面前方煤壁内，因此，老顶断裂与工作面全面来压之间存在时间差；第九十五页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五1）老顶断裂的主要特征及预报原理③老顶在断裂前后其挠曲面将发生突变，由此引起断裂线前方出现“反弹”与“压缩”现象，工作面中部老顶断裂，两侧巷道内也会出现反弹、压缩现象。根据上述原理，在工作面两巷中采用测压的办法(单体液压支柱压力自记仪)来捕捉反弹与压缩振动信息。自动记录任何时刻由老顶断裂引起的反弹、压缩信息。962023/6/22矿山压力与岩层控制第五节采场来压预测与支护质量监测第九十六页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五972023/6/22矿山压力与岩层控制第五节采场来压预测与支护质量监测第九十七页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五98柴里煤矿2322面老顶来压预报道测站布置2023/6/22矿山压力与岩层控制第五节采场来压预测与支护质量监测第九十八页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五2)老顶断裂与来压的预测预报实例由开切眼推进33m，在中间巷距煤壁13m的8号测点记录到一个9.5MPa的负台阶，由此判断老顶在该反弹点的后方出现了断裂，位置距开切眼42m992023/6/22矿山压力与岩层控制第五节采场来压预测与支护质量监测2d后，工作面距开切眼34m，在回风巷距煤壁14m的1号测点又出现一个2MPa的负台阶，证明工作面中部的裂缝已向两侧伸展。根据捕捉到的两次反弹信息发出初次来压预报第九十九页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五100老顶初次断裂信息与来压的关系2023/6/22矿山压力与岩层控制第五节采场来压预测与支护质量监测第一百页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五在2322面矿压监测期间，超前巷内全部反弹信息共25次，用反弹、压缩现象确定老顶断裂，并用反弹点后方判断断裂位置是正确的。①回风、运输巷内捕捉到反弹信息至工作面来压平均为2.37d，而且一一对应的关系相对稳定；②超前巷道内出现反弹的位置平均在工作面煤壁前方10～15m，这些部位一般属于煤体弹性区，所以用弹性基础板力学模型解释反弹现象是合理的；1012023/6/22矿山压力与岩层控制第五节采场来压预测与支护质量监测第一百零一页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五③根据2322面单体液压支柱的加、卸载试验，其增、卸载特性曲线率为40MPa／15mm，而测得的监测柱平均反弹压力为3.7MPa，由此可以换算实测反弹平均值为1.39mm；④实测结果表明，初次来压后老顶出现断裂较为频繁，反弹出现的次数也相对增多，是一组反弹信息对应产生一次来压；⑤工作面来压是一个老顶断裂发展过程，2322面一般在中间首先出现断裂，经2～3d扩展到两巷，不同巷道出现的反弹信息往往与相应部位老顶来压有关。1022023/6/22矿山压力与岩层控制第五节采场来压预测与支护质量监测第一百零二页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五103实测反弹信息位置与老顶断裂线判断2023/6/22矿山压力与岩层控制第五节采场来压预测与支护质量监测第一百零三页，共一百一十五页，编辑于2023年，星期五1)单体液压支柱工作面支护质量监测（1）监测内容及指标单体支柱工作面日常监测内容有：支护参数、顶板状态参数以及顶板动态(老顶来压、断裂等)。①

基本支护参数：支柱初撑力、支柱末阻力与支柱下缩量、支柱钻底量等。1042023/6/22矿山压力与岩层控制第五节采场来压预测与支护质量监测二、采场顶板支护质量监测第一百零四页，共一百