第五章采场顶板支护方法

能源科学与工程学院第五章采场顶板支护方法主讲人：王成E_mail:[e-mail]：158389059792第五章采场顶板支护方法第一节顶板分类与底板特征第二节采场支架类型与力学特性第三节采场支架与围岩相互作用原理第四节采场支护设计3第五章采场顶板支护方法学习要点了解直接顶、老顶和底板的分类掌握支架的工作特性、支架的类型及适用条件掌握采场支架与围岩相互作用原理掌握如何确定采场支架的规格及工作阻力学习难点顶底板分类、支架的工作特性支架与围岩相互作用关系确定支架规格和合理工作阻力4第五章采场顶板支护方法回采工作面矿压显现决定于•采场围岩•开采条件控制回采工作面矿山压力•总体角度（矿井设计的问题，如开采顺序、采煤工作面布置）•局部（支护和采空区处理）直接顶与老顶的关系•直接顶好坏对生产与安全有直接影响•直接顶的完整性受老顶平衡特征影响第一节顶板分类及底板特征一、分类的意义5第五章采场顶板支护方法由于采场支撑体系（小结构）必须与上覆岩层大结构相适应，采场支架必须具备两个特性（即支撑力与可缩量的关系特征）：①必须具备一定的可缩量；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。第一节顶板分类及底板特征一、分类的意义采空区处理采场矿山压力控制工作面支护6第五章采场顶板支护方法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第一节顶板分类及底板特征二、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7第五章采场顶板支护方法按裂隙面与工作面顶板岩层层面的位置关系R1——平行于层面R2——垂直于层面R3——向煤壁倾斜R4——向采空区倾斜R5——锲形裂隙雅可毕分类第一节顶板分类及地板特征二、直接顶的分类1）定性分类8第五章采场顶板支护方法直接顶初次垮落步距不稳定顶板——中等稳定顶板—稳定顶板———mL80mL15~90mL20~160端面破碎度——端面破碎面积与端面面积之比。%100FFA第一节顶板分类及地板特征二、直接顶的分类3）端面破碎度分类法2）定量分类9第五章采场顶板支护方法二、直接顶的分类第一节顶板分类及地板特征当端面距为1m时的端面破碎度称为顶板冒落灵敏度。一类二类三类%30~11E%10~0E%30E稳定顶板中等稳定顶板不稳定顶板10第五章采场顶板支护方法原煤炭工业部根据直接顶平均垮落步距将缓倾斜煤层采煤工作面直接顶板分类第一节顶板分类及地板特征二、直接顶的分类4）直接顶板分类方案及其指标类别1类不稳定顶板2类中等稳定顶板3类稳定顶板4类非常稳定顶板1a1b2a2b基本指标τr≤44τr≤88τr≤1212τr≤1818τr≤2828τr≤50岩性和结构特征泥岩、泥页岩，节理裂隙发育或松软泥岩、碳质泥岩，节理裂隙较发育致密泥岩、粉砂岩、砂质泥岩，节理裂隙不发育砂岩、石灰岩，节理裂隙较少致密砂岩、石灰岩，节理裂隙极少11第五章采场顶板支护方法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。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，采空区冒落充填越满，老顶破断后形成结构越易稳定(呈现缓慢下沉式平衡的可能性越大，岩层移动曲线也越缓和)，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。第一节顶板分类及地板特征三、老顶的分类12第五章采场顶板支护方法无来压来压明显来压严重坚硬顶板塑性顶板1）直接顶板与采高比N分类法第一节顶板分类及地板特征三、老顶的分类13第五章采场顶板支护方法老顶初次来压当量:2）老顶初次来压当量Pe分类法第一节顶板分类及地板特征三、老顶的分类举例：二类2级顶板?meHNLP65251532410..)ln(.类别1类不稳定顶板2类中等稳定顶板3类稳定顶板4类非常稳定顶板1a1b2a2b基本指标τr≤44τr≤88τr≤1212τr≤1818τr≤2828τr≤50岩性和结构特征泥岩、泥页岩，节理裂隙发育或松软泥岩、碳质泥岩，节理裂隙较发育致密泥岩、粉砂岩、砂质泥岩，节理裂隙不发育砂岩、石灰岩，节理裂隙较少致密砂岩、石灰岩，节理裂隙极少类别ⅠⅡⅢⅣ老顶来压显现不明显明显强烈非常强烈ⅣaⅣb分级指标Pe≤895895Pe≤975975Pe≤10751075Pe≤1145Pe1145——直接顶中等稳定，老顶来压明显。14第五章采场顶板支护方法•底板比压：支架底座对单位面积底板所造成的压力。•极限底板比压：防止支架钻底时所允许的最大底板比压。第一节顶板分类及地板特征四、底板的分类底板岩层对采煤的影响底板破坏采场支护系统刚度透水事故支架钻底板顶板控制效果差沟通奥灰水15第五章采场顶板支护方法其它剪切穿鞋破坏木柱鞋抗压强度较低，不宜使用第一节顶板分类及地板特征四、底板的分类极限抗压入强度整体剪切局部剪切1）底板的破坏特征16第五章采场顶板支护方法按极限底板比压将底板分为5类底板类别基本指标辅助指标参考指标一般岩性名称代号容许比压/MPa容许刚度/MPa容许穿透度容许单轴抗压强度/MPa极软Ⅰ3.00.0350.207.22充填砂、泥岩、软煤松软Ⅱ3.0-6.00.035-0.320.20-0.407.22-10.80泥页岩、煤较软Ⅲa6.0-9.70.32-0.670.40-0.6510.80-15.21中硬煤、薄层状页岩Ⅲb9.7-16.10.67-1.270.65-1.0815.21-22.84硬煤、致密页岩中硬Ⅳ16.1-321.27-2.761.08-2.1622.84-41.79致密页岩、砂质泥岩坚硬Ⅴ322.762.1641.29厚层砂质页岩、粉砂岩、砂岩第一节顶板分类及地板特征四、底板的分类2）底板的分类17第五章采场顶板支护方法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正在逐步扩大整体相互独立支架单体液压支架——液压柱+铰接金属梁木支架—————木柱+木梁摩擦金属支架——摩擦柱+铰接金属梁第二节采场支架类型与力学特性一、支架类型第五章采场顶板支护方法18第五章采场顶板支护方法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。二、与支架的工作特性相关的几个概念支柱的撑力：支柱对顶板的主动作用力。支柱的工作阻力：支柱受顶板压力作用而反映出来的力。第二节采场支架类型与力学特性19第五章采场顶板支护方法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。第二节采场支架类型与特性二、与支架的工作特性相关的几个概念20第五章采场顶板支护方法急增阻微增阻恒阻二、与支架的工作特性相关的几个概念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。第二节采场支架类型与力学特性21第五章采场顶板支护方法外注式注液方式单体支架的优点：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。三、单体液压支柱的结构与特性内注式第二节采场支架类型与力学特性22第五章采场顶板支护方法内注式:工作介质是机油，手摇泵把油从低压腔压入高压腔；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。外注式：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。三、单体液压支柱的结构与特性第二节采场支架类型与力学特性23第五章采场顶板支护方法外注式和内注式液压支柱使用特点：外注式不如内注式灵活，但结构简单，重量轻，成本低；外注式液压支柱每使用一次需要消耗一定的乳化液；外注式液压支柱支设速度较快。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。三、单体液压支柱的结构与特性第二节采场支架类型与力学特性24第五章采场顶板支护方法液压自移支架内使用的液压支柱属于外注式，工作原理如下：四、液压支架的工作特性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—主进路；8—操纵阀420DPKPP载荷超过额定工作阻力时，安全阀开启，工作液由下腔回入上腔或泄出柱体外，支柱下缩，工作阻力随之略有下降，安全阀重新关闭，工作阻力再次增加，如此周而复始，保持了工作阻力恒定，而活柱随着顶板下沉而下缩。第二节采场支架类型与力学特性25第五章采场顶板支护方法支撑面积与掩护面积比值五、液压支架的分类两种观点支撑式支撑掩护式掩护支撑式掩护式支撑式掩护式有无掩护梁第二节采场支架类型与力学特性26第五章采场顶板支护方法体现支架的支撑和结构特点的命名如下：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。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。五、液压支架的分类第二节采场支架类型与力学特性27第五章采场顶板支护方法五、液压支架的分类1）支撑式结构上没有掩护梁第二节采场支架类型与力学特性28第五章采场顶板支护方法结构上有掩护梁，支柱在掩护梁上五、液压支架的分类2）掩护式第二节采场支架类型与力学特性29第五章采场顶板支护方法结构上有掩护梁，支柱在顶梁上，有时在顶梁和掩护梁上都有支柱。五、液压支架的分类3）支撑掩护式第二节采场支架类型与力学特性30第五章采场顶板支护方法六、液压支架支护方式分析第二节采场支架类型与力学特性顶梁后端支撑力大于前端，支撑力合力远离前梁端部。顶板比较破碎的工作面，反复支撑常导致直接顶更易破碎，导致支架受力前移，使支架前柱受力远大于后柱，甚至后梁上翘现象。1）支撑式31第五章采场顶板支护方法BZZB前后柱间距为1.1m，0.5-0.6m为前后柱的中间位置。当周期来压后柱先于前柱达到额定，后柱下沉，迫使顶板压力前移，合力位置前移至前后柱中间位置。六、液压支架支护方式分析第二节采场支架类型与力学特性1）支撑式支架的架型与顶板情况是相适应的。合力作用位置/m0-0.10.105-0.20.205-0.30.305-0.40.405-0.50.505-0.60.605-0.7频次/%2842417最大值/kN1517133822352400214832第五章采场顶板支护方法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。对特别坚硬的顶板由于支柱承受不了强大的水平推力而不相适应。破碎顶板条件下，必须采取护顶措施，才能得到良好的使用效果。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。六、液压支架支护方式分析第二节采场支架类型与力学特性1）支撑式33第五章采场顶板支护方法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