第五章 回采工作面顶板控制与支护

第五章回采工作面顶板控制与支护本章介绍：顶板分类支架类型与特性采场支架与围岩相互作用原理综合机械化工作面顶板控制设计单体液压支柱工作面顶板控制设计控制回采矿山压力的重要性•总体角度（矿井设计的问题）•局部（支护和采空区处理）直接顶与老顶的关系•控制工作面矿山压力的方法•掌握矿山压力的规律•回采工作面支架第一节顶板分类与底板特征一、对直接顶的分析：1、定性分析：破碎顶板————页岩、再生顶、煤顶中等稳定顶板——砂页岩、粉砂岩完整顶板————砂岩、坚硬砂页岩按稳定状态原生裂隙构造裂隙压裂裂隙裂隙类型张裂隙剪裂隙（1）滑落失稳aTcos-RsintancossintanbtanRTRTRT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2、定量分析：L0≥16-20稳定≤8不稳定二者之间为中等稳定顶板二、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。无来压来压明显来压严重坚硬顶板塑性顶板mhNmhN厚高比：（5，5~2，2）三、顶板分类方案：（P125）1、分类目的：规范化、科学化、系列化2、分类方案：依据直接顶的稳定性（强度、初垮步距）分为四类；依据直接顶厚高比、老顶来压步距将老顶分为4级。直接顶：分为四类，其中1、2类各分为两个亚类；（不稳定、中稳、稳定、非常稳定）老顶：依据老顶初次来压当量将老顶分为4级。（来压不明显、明显、强烈、非常强烈）顶板分类名称含义：直接顶：一类二类三类四类不稳定中等稳定稳定坚硬老顶：1级2级3级4级来压不明显来压明显来压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：1、底板的力学特征2、底板比压——底板单位面积所受支架的压力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局部剪切其它剪切穿鞋破坏整体剪切——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，不宜使用第二节采场支架类型与特性一、支架类型：木支架——————木柱+木梁摩擦金属支架———摩擦柱+铰接金属梁单体液压支架———液压柱+铰接金属梁支撑式掩护式支撑掩护式单体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、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，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。1、支柱特性：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、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——支柱刚架设时对顶板支撑力；始动阻力——顶板压力下，支柱开始下缩时的阻力；初工作阻力——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——支柱所能承受的最大载荷。‘0P0P1P2P3、支撑系统工作特性：支撑系统——围岩与支撑物所构成的力学系统。支撑系统=顶板+插背物+顶梁+支柱+（浮煤矸）+柱鞋+底板支撑系统特性——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化。正常情况插入底板安全规程规定：禁止将支柱架设在浮煤、浮矸上。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：1、类型：内注液式：NDZ外注液式：DZ2、结构：3、DZ系列：4、型号：DZ22—30/100DZ——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：式中：——泵站工作压力；——活柱直径；——管路压力损失系数。6、液压支柱工作原理：42'0DPKPPPPDKⅠ—升柱；Ⅱ—工作；Ⅲ—降柱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—操纵阀升柱工作卸载四、液压支架：1、分类：按支撑面积与掩护面积比值分类支撑式支撑掩护式掩护支撑式掩护式支撑式掩护支撑式支撑掩护式掩护式支撑式按支架结构分类：掩护式支撑掩护式2、支撑式支架支护分析：工作特点：支撑力大，适宜坚硬有来压顶板；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：通风断面大、行人方便、结构简单、重量轻；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：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：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a—矩形排列；b—三角形排列五、单体支架布置方式（取决于直接顶的稳定性及来压时的危害）1、带帽点柱——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a—连锁上行式；b—连锁下行式；c—连锁混合式；d—对接式2、棚子支护——顺板（两柱、三柱）（倾斜棚）横板（两柱）连锁（上行式、下行式、混合式）倾斜棚机组工作面的悬臂支护a—正悬臂；b—倒悬臂3、悬臂梁支护——正悬臂、倒悬臂齐梁直线柱布置错梁直线柱布置4、悬臂梁支架的布置方式：常用错梁直线柱5、特种支架：丛柱排柱（密集）直线木垛三角木垛斜撑（戗柱）抬棚特种支架的主要作用：增加支撑力——丛柱、排柱、抬棚增强稳定性——木垛、斜撑（戗柱）、抬棚•6、架设金属单体支柱的技术要求：•1)确保金属支柱的工作性能，失效支柱应及时运至地面检修；•2)在支设金属支柱时，应采用升柱器，使之具有一定的初撑力；•3)严禁在一个工作面使用两种或两种以上不同性能的基本支柱；•4)金属支柱必须与金属铰接顶梁配套使用；•5)不宜让支柱受偏心载荷；•6)必须保证支柱的支设质量。不能将支柱打在浮矸上。(五)工作面严禁采用木支柱、金属摩擦柱支护方式。有下列情形之一的，严禁采用单体液压支柱放顶煤开采：(一)倾角大于30°的煤层(急倾斜特厚煤层水平分层放顶煤除外)。(二)冲击地压煤层。第三节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：1、支架与围岩相互作用体系：1）横向：“煤体—支架—垮落矸石”支撑系统煤体支架垮落矸石“煤体—支架—垮落矸石”支撑系统：煤体、垮落矸石为平衡结构支点（拱脚），需承受更多载荷；“煤体—支架—垮落矸石”支撑系统为静不定系统，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；支架受到保护，刚度较小，承载较小。2）纵向：“老顶—直接顶—支架—底板”支撑系统老顶直接顶支架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、支架与围岩相互作用的特点：1）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）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）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4）支架结构及尺寸对顶板压力具有影响：支架受力=顶板压力；支架结构影响其特性，继而影响其受力大小；（支撑式大，掩护式小）；支架受力大小与分布即为顶板压力的大小与分布。（支撑式大，作用力靠后；掩护式小，作用力靠前）3、支架工作阻力与顶板下沉量的关系：（支架与围岩相互作用关系）由调压实验得到：平时来压时2）由曲线：结论：关系为双曲线关系；在某一工作阻力以上，而减少甚微；在某一工作阻力以下，则急剧增加；（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；不同工作面，曲线不同。合理工作阻力为拐点对应的工作阻力LP—LP—PLPLLP—二、采场支架的工作状态：1、支架与围岩体系的刚度：1）组合刚度：并联：串联：1K1K2K2K并联串联21KKK21111KKK2121KKKKK2）支架的刚度：式中：——支架的刚度（并联）；——支架立柱数；——支架立柱的刚度；——支架立柱与竖直方向的夹角。3）直接顶的刚度：式中：——直接顶弹性模量；——直接顶高度与支架承载宽度比值。coskNKSSKNkmEKrEm似刚性中间型刚度似零刚度4）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：当底板影响小时（穿鞋或坚硬）：当直接顶刚度时：当直接顶为中间型刚度时，与支架组成系统刚度。fKfrSKKKK1111rSKKK111SKK2、支架的工作状态：给定载荷——直接顶刚度小，老顶的“回转变形压力”由直接顶变形所吸收，支架承受的载荷为直接顶载荷。（直接顶离层）给定变形——直接顶刚度大，老顶的“给定变形”全部通过直接顶传到支架上。给定载荷——增大稳定性；支架给定变形——增大支撑力、可缩性。第四节综采面顶板控制设计一、概述1、选型步骤：1）确定顶、底板类型（直接顶、老顶、直接底）；2）估算支架所需支护强度（实测、来压步距）；3）初定额定支护强度、初选架型；4）修正架型及参数（断面、风量、倾角）；5）确定顶梁、护帮及侧推结构；6）确定底座参数；7）进行支架参数优化。重要内容：支架额定强度、架型2、架型选择：分析比较法：依据顶底板状况、采高、倾角、瓦斯、煤层稳定程度、开采方法等因素确定支架额定工作阻力、几何尺寸、立柱数量位置、移架方式、顶板覆盖率等参数。（目前多用）综合评分法：在特定的地质、开采技术条件下，对预选的各种支架对围岩的适应性及力学特性进行评价打分，综合分数时考虑各项内容的重要程度，选择分数最高者，确定支架结构，然后确定支架的初撑力、工作阻力，并对支架参数进行优化。二、液压支架参数：1、工作阻力：估算法：实测法：若允许3%支架时间加权平均阻力大于额定工作阻力，k=2；若以最大工作阻力为统计值，则k=1~1.3，此时mp）（8~408200LpakPkPPtmPmmPP)3.1~1(akPakPL0-初次来压步距Pt-时间加权平均工作阻力经验公式：（煤炭科学研究总院）Ⅰ~Ⅲ级老顶：Ⅳ级老顶：1.6224.109.785.43.72NBLhPcpmH（额定支护强度；采高；周压步距；控顶高度；直接顶厚度/采高）kcmfHCBNhLP4555.156.52ln241老顶初压步距；备用系数fLkCakPakP理论分析法：式中：——合理支护强度；——岩块间摩擦角；——岩块破断角；——老顶岩层厚度；——B岩块回转下沉量；——B岩块的重量及载荷；——控顶距。miiHlQHLhP/2tan22HPHQmlakP由公式4-9得到直接顶+老顶-摩擦力L2-B岩块的长度液压支架额定工作阻力：式中：——额定工作阻力；——液压支架中心距；——液压支架支撑效率；——控顶长度；——支护强度。支撑式0.9~0.95支掩掩护0.65~0.75支顶式0.8~0.9支撑掩护0.8~0.95SCCHSKSBPQ/SQCSSKCBHP架/kN2、初撑力：提高初撑力可初撑力确定减少顶板离层，增强顶板强度和稳定性提高对机道支撑，减少端面破碎度和煤壁片帮压实顶梁上及底座下浮矸，提高支撑系统刚度充分利用额定支撑能力，减少顶板下沉量。减小安全阀开启率实测初撑力为额定阻力的0.714合理初撑力为额定阻力的0.6~0.851、2类顶板初撑力为额定阻力的0.75~0.852、3类顶板初撑力为额定阻力的0.6~0.75第五节单体液压支柱工作面顶