綜采支護(hù)設(shè)計

3.綜采（放）工作面支護(hù)設(shè)計

3.1綜采（放）面支護(hù)要求3.2綜采面對支架設(shè)計要求3.3綜采（放）工作面支護(hù)設(shè)計內(nèi)容3.3.1確定支架類型3.3.2確定支架工作阻力及支護(hù)強(qiáng)度3.3.3支架選型3.3.4端頭支護(hù)與超前支護(hù)2023/2/4山東科技大學(xué)13.1綜采（放）面支護(hù)要求《煤礦安全規(guī)程》對綜采（放）面支護(hù)作出如下規(guī)定：第67條規(guī)定采用綜合機(jī)械化采煤時，必須遵守下列規(guī)定：（四）液壓支架必須接頂。頂板破碎時必須超前支護(hù)。在處理液壓支架上方冒頂時，必須制定措施。（六）嚴(yán)格控制采高，嚴(yán)禁采高大于支架的最大支護(hù)高度。當(dāng)煤層變薄時，采高不得小于支架的最小支護(hù)高度。（八）工作面兩端必須使用端頭支架或增設(shè)其他形式的支護(hù)。2023/2/4山東科技大學(xué)2第68條規(guī)定采用放頂煤采煤法開采時，必須遵守下列規(guī)定：（五）工作面嚴(yán)禁采用木支柱、金屬摩擦支柱支護(hù)方式。

有下列情形之一的，嚴(yán)禁采用單體液壓支柱放頂煤開采：（一）傾角大于30°的煤層（急傾斜特厚煤層水平分層放頂煤除外）。（二）沖擊地壓煤層。2023/2/4山東科技大學(xué)33.2綜采面對支架設(shè)計要求

3.2.1頂板分類3.2.1.1直接頂分類1）1類頂板指標(biāo)：LZ

≤8（

Lz；直接頂垮落步距）巖性：泥巖、泥頁巖，節(jié)理裂隙發(fā)育或松軟泥巖，炭質(zhì)泥巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育。穩(wěn)定程度：不穩(wěn)定2023/2/4山東科技大學(xué)42）2類頂板指標(biāo)：8＜LZ≤18巖性：致密泥巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖節(jié)理裂隙不發(fā)育穩(wěn)定程度：中等穩(wěn)定3）3類頂板指標(biāo)：

18＜LZ≤28巖性：砂巖、灰?guī)r，節(jié)理裂隙很少穩(wěn)定程度：穩(wěn)定2023/2/4山東科技大學(xué)54）4類頂板指標(biāo)：

28＜LZ≤50巖性：致密砂巖、灰?guī)r，節(jié)理裂隙極少穩(wěn)定程度：非常穩(wěn)定3.2.1.2基本頂分級

基本頂?shù)姆旨壷笜?biāo)是基本頂初次來壓當(dāng)量(pe)，pe

=241.3ln(C0)-15.5N+52.6hm式中，C0—基本頂初次來壓步距，m；N—直接頂充填系數(shù)；hm—煤層采高，m。2023/2/4山東科技大學(xué)61）Ⅰ級頂板指標(biāo)：

來壓程度：不明顯

巖性：一般砂頁巖

c0范圍：15-202）Ⅱ級頂板指標(biāo)：來壓程度：明顯巖性：層理不發(fā)育的砂頁及小厚度砂巖c0范圍：20-302023/2/4山東科技大學(xué)73）Ⅲ級頂板指標(biāo)：來壓程度：強(qiáng)烈?guī)r性：4-5m的細(xì)粒及中粒砂巖

c0范圍：35-504）Ⅳa級頂板指標(biāo)：來壓程度：非常強(qiáng)烈?guī)r性：厚度>10m的砂巖

c0范圍：50-60Ⅳb級頂板指標(biāo)：

來壓程度：非常強(qiáng)烈?guī)r性：高強(qiáng)砂巖

c0范圍：60-702023/2/4山東科技大學(xué)83.2.2各類（級）頂板對支架設(shè)計的要求3.2.2.1Ⅰ1~2

、Ⅱ1~2頂板1、2類直接頂即破碎和中等穩(wěn)定頂板，Ⅰ、Ⅱ級老頂即來壓不明顯和明顯的頂板。1、2類直接頂和Ⅰ

、Ⅱ

級老頂綜采面礦壓特點(diǎn)：老頂來壓步距小而穩(wěn)定，強(qiáng)度緩和；支護(hù)阻力小而分布均勻；直接頂特別是端面不穩(wěn)定，受移架影響嚴(yán)重等。2023/2/4山東科技大學(xué)91）利用四連桿機(jī)構(gòu)，控制端面頂板，選取雙扭線最佳段為支架工作范圍，確保工作面端面附近支架有較強(qiáng)的控制能力。2）利用伸縮梁或可旋轉(zhuǎn)180°的挑梁，在移架前、采煤后及時支護(hù)剛剛暴露的梁前頂板，減少頂板早期破壞。3）利用防片幫裝置，減少片幫深度和面積，從而提高煤壁的穩(wěn)定性。2023/2/4山東科技大學(xué)104）利用頂梁側(cè)護(hù)板等護(hù)頂裝置，提高支架對頂板的封閉程度，以此提高支架的護(hù)頂能力，防止破碎巖塊竄入回采空間影響生產(chǎn)，威脅人和設(shè)備的安全。5）利用完善的擋矸裝置，防止采空區(qū)破碎巖塊竄入回采空間，確保順利移架。6）利用鄰架操作，保證移架工人的安全；利用靈活、快速的操作閥，保證快速移架，以免因移架引起頂?shù)装逡平窟^大，使頂板難以控制。2023/2/4山東科技大學(xué)117）利用較高初撐力，提高支架支撐效率，確保工作面頂板移架后早期移近量小，移近速度低，以提高梁端距空頂處頂板穩(wěn)定性。對支架的要求：支架初撐力高，控制端面頂板能力強(qiáng)，及時支護(hù)，護(hù)頂能力強(qiáng)，擋矸、護(hù)幫裝置齊全，能快速鄰架操作移架。2023/2/4山東科技大學(xué)123.2.2.2Ⅰ3~4

、Ⅱ3~4頂板

3、4類直接頂即穩(wěn)定和堅硬頂板，Ⅲ、Ⅳ級老頂即來壓強(qiáng)烈的頂板。Ⅰ3~4、Ⅱ3~4頂板綜采工作面礦壓特點(diǎn)：

老頂來壓步距大、強(qiáng)度高

支護(hù)阻力大而分布不均

直接頂穩(wěn)定

支架易損壞2023/2/4山東科技大學(xué)131）利用較大支撐能力，并使后柱阻力高于前柱，確保支架具有足夠的切頂能力，能有效地對付強(qiáng)烈的老頂來壓。2）利用四連桿機(jī)構(gòu)，增強(qiáng)抵抗水平推理的能力，防止支護(hù)毀壞。3)利用連桿機(jī)構(gòu)，使支架盡量減少梁端距。4)利用大流量安全閥，確保支架受沖擊載荷時少受損壞。2023/2/4山東科技大學(xué)145)利用掩護(hù)梁擋好采空區(qū)矸石，防止矸石竄入支護(hù)工作空間；利用側(cè)護(hù)板，防止架間竄矸漏矸。對支架的要求：支撐能力大、抗水平推力強(qiáng)；切頂性能好、支架安全閥流量大等性能。2023/2/4山東科技大學(xué)153.3綜采（放）工作面支護(hù)設(shè)計內(nèi)容

3.3.1確定支架類型3.3.1.1綜采面液壓支架類型支撐式掩護(hù)式支撐掩護(hù)式2023/2/4山東科技大學(xué)161）支撐式

優(yōu)點(diǎn)：支撐效率高，立柱阻力完全用于支撐控頂區(qū)內(nèi)頂板；每米工作面的支撐力高，放頂線的支撐能力大，結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜。

缺點(diǎn)：支架端部支撐能力弱；對頂板的覆蓋率及對架間和采空區(qū)的擋矸能力低；對頂板水平力的承受能力差。2023/2/4山東科技大學(xué)17

適用條件：支撐式支架隨下位巖層為中等穩(wěn)定以下的煤層難于適應(yīng)，在破碎頂板下工作十分困難，較適用于直接頂穩(wěn)定和老頂來壓較強(qiáng)烈的煤層，尤其是薄煤層。

按支架結(jié)構(gòu)與動作方式的不同，支撐式又可分為垛式和節(jié)式兩種。2023/2/4山東科技大學(xué)18（1）節(jié)式支架2023/2/4山東科技大學(xué)19（2）垛式支架2023/2/4山東科技大學(xué)202）掩護(hù)式

支架頂梁較短，支撐能力較弱，主要靠掩護(hù)作用維護(hù)工作空間，適用于松軟頂板。優(yōu)點(diǎn)：頂梁對頂板的作用力均勻，移架時控頂距離較小，對頂板的重復(fù)支撐次數(shù)少；支柱傾斜布置，采高范圍大，由于支柱不受橫向載荷，受力狀態(tài)好，不易損壞；擋矸裝置完善，可使工作空間與頂板和老塘完全隔開；抗水平推移性能好，可以實(shí)現(xiàn)擦頂帶壓移架；機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)均較簡單，便于操作維護(hù)。2023/2/4山東科技大學(xué)21缺點(diǎn)：整架工作阻力小，切頂性能差，工作空間小，通風(fēng)阻力大，不適用有強(qiáng)烈周期來壓和瓦斯涌出量大的煤層。2023/2/4山東科技大學(xué)223）支撐掩護(hù)式

支撐掩護(hù)式支架一般適用于老頂Ⅲ級，動壓系數(shù)約為1.5以上，直接頂為中等穩(wěn)定以上的工作面。對底板的強(qiáng)度不限。總之，支撐掩護(hù)式支架適用范圍較寬，可適用于Ⅰ~Ⅳ2-4級頂板。優(yōu)點(diǎn)：支撐力大，切頂性能好，工作空間寬敞，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，適應(yīng)性廣，無論在穩(wěn)定或不穩(wěn)定的頂板下都可使用。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，價格貴，初期投資高，支架回縮時間長、不便運(yùn)輸。2023/2/4山東科技大學(xué)23支撐掩護(hù)式液壓支架2023/2/4山東科技大學(xué)243.3.1.2綜放工作面液壓支架類型單輸送機(jī)高位放頂煤支架雙輸送機(jī)中位放頂煤支架雙輸送機(jī)低位放頂煤支架2023/2/4山東科技大學(xué)251）單輸送機(jī)高位放頂煤支架2023/2/4山東科技大學(xué)262）雙輸送機(jī)中位放頂煤支架2023/2/4山東科技大學(xué)273）雙輸送機(jī)低位放頂煤支架2023/2/4山東科技大學(xué)28二柱掩護(hù)式低位放頂煤支架2023/2/4山東科技大學(xué)29四柱支撐掩護(hù)式低位放頂煤支架2023/2/4山東科技大學(xué)303.3.2確定支架工作阻力及支護(hù)強(qiáng)度目前我國主要采用的方法有：根據(jù)支架與圍巖相互作用關(guān)系式——位態(tài)方程的計算法載荷估算法實(shí)測統(tǒng)計法臨界阻力法理論分析法2023/2/4山東科技大學(xué)313.3.2.1支架圍巖關(guān)系——位態(tài)方程法

在即定采高下，圍巖組成及各部分運(yùn)動規(guī)律不隨所用支護(hù)手段的改變而發(fā)生明顯的、質(zhì)的變化。

在同一頂板條件下，不管是采用單體支柱支護(hù)，還是使用液壓支架，頂板控制設(shè)計的基本要求和所需支護(hù)強(qiáng)度計算方法是相同的。2023/2/4山東科技大學(xué)32

綜采工作面液壓支架一旦布置好，支護(hù)密度（支架間距）是不能隨意變動的，這就要求液壓支架的額定工作阻力PB直接與控頂要求的支護(hù)強(qiáng)度PT相適應(yīng)，即：PB=PT/KY

KY=KYB·KYZ

式中，KY——液壓支架支護(hù)效果影響系數(shù)；KT—一般取2～3。2023/2/4山東科技大學(xué)33

2023/2/4山東科技大學(xué)34支架受力圖2023/2/4山東科技大學(xué)35

2023/2/4山東科技大學(xué)36

2023/2/4山東科技大學(xué)37

2023/2/4山東科技大學(xué)383.3.2.4臨界阻力法

臨界工作阻力就是使支架圍巖處于相對平衡狀態(tài)必需的最低支架阻力。

大量實(shí)測資料及調(diào)壓試驗(yàn)確定，支架初撐力P0與時間加權(quán)平均阻力Pt或末阻力Pm之間存在如下回歸方程：Pt=At＋BtlnP0

Pm=Am＋BmlnP0

此曲線為對數(shù)曲線，式中At、Bt、Am、Bm為經(jīng)驗(yàn)公式常數(shù)。2023/2/4山東科技大學(xué)39

支架的臨界初撐力2023/2/4山東科技大學(xué)40支護(hù)阻力確定：(1)為保證穩(wěn)產(chǎn)高效，避免機(jī)道頂板破碎及移架中頂板下沉速度急劇增加，求取支架的初撐支護(hù)阻力P0應(yīng)將Pok乘以安全系數(shù)K1，對于穩(wěn)定、中等穩(wěn)定及不穩(wěn)定頂板，K1分別為1.1，1.2及1.35。

P0=K1·Pok

2023/2/4山東科技大學(xué)41(2)將Pok帶入式Pt=At＋BtlnP0得時間加權(quán)臨界阻力Ptk，自移支架的額定工作阻力PH

應(yīng)以Ptk為基礎(chǔ)，并考慮安全系數(shù)K2取1.52PH=K2·Ptk

(3)對于穩(wěn)定和堅硬頂板，尚需考慮每延米阻力：PH=58M+14C+36(Lk-1)RH=410M+49C+460Lk-1660

2023/2/4山東科技大學(xué)423.3.2.5理論分析法砌體梁學(xué)說：工作面支架的作用應(yīng)及時支撐控頂區(qū)直接頂巖層，避免直接頂和老頂離層而破碎；同時要對上覆可能形成砌體梁結(jié)構(gòu)的老頂巖層以作用力，用以平衡其部分載荷，不讓其沿工作面形成切頂以及大量的臺階下沉。2023/2/4山東科技大學(xué)43上覆巖層斷裂時受力情況2023/2/4山東科技大學(xué)44

當(dāng)A巖塊前端斷裂瞬間，為協(xié)助B塊實(shí)現(xiàn)平衡結(jié)構(gòu)，其關(guān)系式為：式中，PH—合理支護(hù)強(qiáng)度，kN/m2；φ—巖塊間摩擦角；θ—巖塊破斷角（破斷面和垂直面的夾角）；

ME—老頂巖層厚度；δ—B巖塊回轉(zhuǎn)下沉量；

Q—砌體梁下位巖層中懸露巖塊的全部重量。2023/2/4山東科技大學(xué)453.3.3支架選型（綜采工作面）3.3.3.1液壓支架選型的內(nèi)容和要求液壓支架架型選擇是指針對具體頂板類型和頂板巖層組成情況選擇不同的支架類型。不僅包括支架的架型及額定工作阻力，支護(hù)強(qiáng)度等參數(shù)，而且涉及頂梁、護(hù)幫、底座、側(cè)推及閥組等主要部件的選型及其參數(shù)的決定。2023/2/4山東科技大學(xué)463.3.3.2影響液壓支架選型的因素和順序①根據(jù)頂板巖石力學(xué)性質(zhì)、厚度及巖層結(jié)構(gòu)及弱面發(fā)育程度確定直接定類型；②根據(jù)老頂巖石力學(xué)特性及礦壓顯現(xiàn)特征確定老頂級別；③根據(jù)底板巖性及底板抗壓入強(qiáng)度及剛度測定結(jié)果，確定底板類型；2023/2/4山東科技大學(xué)47④根據(jù)礦壓實(shí)測數(shù)據(jù)計算額定工作阻力或根據(jù)采高、控頂寬度及周期來壓步距，估算支架必需的支護(hù)強(qiáng)度和每米阻力；⑤根據(jù)頂?shù)装孱愋?、級別及采高，初選必需的額定支護(hù)強(qiáng)度，初選支架類型；⑥考慮工作面風(fēng)量，行人斷面，煤層傾角，修正架型及參數(shù)；⑦考慮采高、煤壁片幫（煤層硬度和節(jié)理）的傾向性及頂板端面冒落度，確定頂梁及護(hù)幫結(jié)構(gòu)；2023/2/4山東科技大學(xué)48⑧考慮煤層傾角及工作面推進(jìn)方向，確定側(cè)護(hù)結(jié)構(gòu)及參數(shù)；⑨根據(jù)底板抗壓入強(qiáng)度，確定支架底座結(jié)構(gòu)參數(shù)及對架型參數(shù)的要求；⑩利用支架參數(shù)優(yōu)化程序（考慮結(jié)構(gòu)受力最小），使支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化。2023/2/4山東科技大學(xué)49支架選型順序2023/2/4山東科技大學(xué)503.3.3.3液壓支架選型方法液壓支架的選型方法：系統(tǒng)分析比較法。

分析比較法就是對要選擇的多種方案的各個屬性、部分、方面分別研究比較決定的方法。根據(jù)礦山地質(zhì)條件來分析、比較決定支架各部分的類型及參數(shù)。2023/2/4山東科技大學(xué)51其選型原則為：①主要根據(jù)直接頂、老頂?shù)暮穸?、物理性質(zhì)、層理和裂隙發(fā)育情況及類級，結(jié)合采高、開采方法等因素確定支架的額定工作阻力、初撐力、幾何形狀、立柱數(shù)量及位置、移架方式、頂板覆蓋率。下位頂板的穩(wěn)定性對液壓支架選型尤為重要。②對“三軟”煤層，目前采取的架型有兩種兩柱掩護(hù)支架。一種是短頂梁的支掩式托梁掩護(hù)支架，另一種途徑是采取對頂班全封閉方式的支頂式掩護(hù)支架，可采用長側(cè)護(hù)板的整體頂梁加伸縮量，加大立柱的傾斜以增大支架的指向煤壁的水平支撐能力。2023/2/4山東科技大學(xué)52③根據(jù)煤厚，變化范圍及其規(guī)則程度，確定支架最大和最小高度、活柱伸縮段數(shù)、加高裝置。結(jié)合煤層的強(qiáng)度和節(jié)理發(fā)育程度確定是否采用護(hù)幫裝置，以及裝置的形式和尺寸。煤層厚度小于2.7m時，一般不使用護(hù)幫裝置；④煤層傾角數(shù)據(jù)主要用于確定支架穩(wěn)定性，如防倒、防滑裝置、錨固站及調(diào)架裝置；2023/2/4山東科技大學(xué)53⑤底板抗壓入強(qiáng)度及平整程度用于確定底座類型是整體剛性底座或彈性連接的分底座；根據(jù)底板載荷集度分布確定底座面積。⑥根據(jù)煤層的瓦斯含量及釋放方式確定支架的最小過風(fēng)斷面是否能滿足通風(fēng)要求；⑦此外應(yīng)選對地質(zhì)構(gòu)造變化適應(yīng)能力強(qiáng)的架型。由上節(jié)內(nèi)容確定液壓支架合理工作阻力。2023/2/4山東科技大學(xué)54綜采放頂煤工作面支架選型

研究放頂煤工作面上覆巖層結(jié)構(gòu)及支架圍巖關(guān)系，計算工作面的合理支護(hù)強(qiáng)度。在支架設(shè)計工作阻力滿足工作面支護(hù)強(qiáng)度的前提下，還應(yīng)根據(jù)工作面具體地質(zhì)條件選擇合理支架類型，達(dá)到既經(jīng)濟(jì)又安全的目的。2023/2/4山東科技大學(xué)55①根據(jù)煤體強(qiáng)度選擇架型煤體強(qiáng)度的大小事影響放頂煤開采效果的最主要因素。實(shí)踐表明，放頂煤開采比較適應(yīng)的煤體強(qiáng)度為1＜f＜3。如果f＜1，煤壁易于片幫，頂煤超前垮落，支架受力出現(xiàn)“前重后輕”；如果f＞3，需要人為放煤。2023/2/4山東科技大學(xué)56對于較軟煤層，應(yīng)選用短頂梁支架，減少對頂煤的反復(fù)支撐次數(shù)，增加支架前方支護(hù)能力，以維護(hù)機(jī)道上方頂煤不垮落，宜選用掩護(hù)式放頂煤支架對于強(qiáng)度較大不易垮落的煤層，應(yīng)選用長頂梁支架，增加支架對頂煤的反復(fù)支撐次數(shù)，宜選用支撐掩護(hù)式支架。支架頂梁長度大于3m，頂煤從暴露到受支架5～6次反復(fù)支撐后，基本都能在支架頂梁與掩護(hù)梁鉸接點(diǎn)前后順利垮落。2023/2/4山東科技大學(xué)57②根據(jù)煤層傾角選擇支架架型

急傾斜煤層內(nèi)盡量選用掩護(hù)梁插板式放頂煤支架，這種類型支架的主要特點(diǎn)是，后部輸送機(jī)置于底板或底板托架上，放煤口低，產(chǎn)塵量少，丟煤少，掩護(hù)梁既可伸縮又可以擺動，放煤口大，放煤速度快；支架二次破碎頂煤能力大。

在傾斜煤層內(nèi)，選用底座與掩護(hù)梁連接式（單鉸接或四連桿式）支架。這類支架的主要優(yōu)點(diǎn)是整體穩(wěn)定性好，強(qiáng)度大。2023/2/4山東科技大學(xué)583.3.4端頭支護(hù)與超前支護(hù)3.3.4.1端頭支護(hù)1）端頭是指采煤工作面與工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷接合的部位。2）4個組成部分（見下圖）：I—工作面機(jī)頭(機(jī)尾)設(shè)備區(qū)，即工作面端部5-10m的排頭支架部位II—巷道端頭區(qū)，即工作面與巷道交叉部位；III—工作面前方支承壓力劇烈影響區(qū)，一般超前10-30m地段；IV—工作面后方礦壓顯現(xiàn)劇烈區(qū)，一般至工作面后方10-20m。2023/2/4山東科技大學(xué)592023/2/4山東科技大學(xué)603）端頭特點(diǎn)：由于頂板暴露面積大，處于采場沿走向和傾斜支承壓力疊加處，維護(hù)困難且作業(yè)交叉，支護(hù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，人員往來頻繁，因此該處是頂板控制的簿弱環(huán)節(jié)，是頂板事故多發(fā)地段，約占工作面頂板事故的15％~30％，應(yīng)作為頂板控制的重點(diǎn)內(nèi)容。2023/2/4山東科技大學(xué)614）對端頭支架的要求①要提供較大的無立柱空間，以放置和移設(shè)運(yùn)輸機(jī)頭、轉(zhuǎn)載機(jī)等大型設(shè)備。端頭支架與各種設(shè)備間的配置關(guān)系要合理，要求在空間三個自由度有足夠的擺角及移動量，增大靈活性和適應(yīng)性，既要有配套性，又有一定的通用性與不同架型、高度的工作面支架以及運(yùn)輸設(shè)備配套。②要有足夠的初撐力及支護(hù)強(qiáng)度，有側(cè)向抗力和護(hù)幫能力，有相應(yīng)的可縮量，支設(shè)可靠，能保證足夠的斷面及人行通道。2023/2/4山東科技大學(xué)62③支架結(jié)構(gòu)簡單，支卸靈活，移設(shè)方便。能為其它設(shè)備前移提供足夠的動力和可靠的支點(diǎn)。如拉架力不小于500kN，推輸送機(jī)頭和轉(zhuǎn)載機(jī)的總力不小于800kN，還要適應(yīng)采煤機(jī)自開缺口的需要。④能與原巷道支架及工作面排頭支架間具有良好的配合關(guān)系，盡可能減少丟失頂?shù)酌汉凸ぷ髅嫦露说娜堑酌?。能根?jù)條件控制端頭支架的前移方向，防止工作面設(shè)備的下滑及傾倒。2023/2/4山東科技大學(xué)63⑤端頭處在采面邊緣，由于頂板一側(cè)煤柱支撐，有時采空區(qū)呈三角懸頂，面積較大。在不采用沿空留巷時，端頭支架應(yīng)有較大的切頂能力。2023/2/4山東科技大學(xué)645）端頭支護(hù)方式①單體支柱端頭支護(hù)。根據(jù)頂梁和聯(lián)系結(jié)構(gòu)又分為金屬支柱鉸接頂梁支護(hù)、長鋼梁支護(hù)、十字頂梁和網(wǎng)狀頂梁支護(hù)；②液壓端頭支架支護(hù)，主要架型有SD型、BT型和DZY型等支撐掩護(hù)式端頭支架，以及將工作面液壓支架前梁加長并增加前柱的改裝式端頭支架，此外還有滑移頂梁式簡易端頭支架等，③錨桿端頭支護(hù)；④混合式。2023/2/4山東科技大學(xué)65

2023/2/4山東科技大學(xué)66②初撐力和穩(wěn)定性工作面端頭支架支設(shè)和移置頻繁，具有臨時支護(hù)的性質(zhì)，且端頭處頂板為穩(wěn)定的弧三角懇板與離層、側(cè)向暴露的碎裂直接頂?shù)呐浜?，具有?fù)合頂板的特點(diǎn)。因此要求支架有較高的初撐力和增阻特性，以保證及時支護(hù)。一般初撐力以不低于工作阻力的80％。同時要求有完備的錨固裝置以保證端頭支架的穩(wěn)定性。2023/2/4山東科技大學(xué)67

2023/2/4山東科技大學(xué)683.3.4.2超前支護(hù)（一）超前支護(hù)范圍

指上、下兩巷距工作面煤壁20m范圍內(nèi)支護(hù)方式需超前支護(hù)和加強(qiáng)支護(hù)的范圍。（二）超前支護(hù)方式1）梯形棚平巷的超前支護(hù)方式

靠近煤壁線10m范圍內(nèi)，在原棚梁下采用雙排金屬鉸接頂梁和單體液壓支柱支護(hù)。

10~20m范圍內(nèi)，采用單排金屬鉸接頂粱和單體液壓支柱支護(hù)。2023/2/4山東科技大學(xué)692）金屬拱形支架平巷的超前支護(hù)方式若平巷為金屬拱形支架(可錨桿支護(hù))超前3~5m替棚時，采用十字鉸接頂梁與金屬支柱配套支護(hù)。其高度不小于1.6m，行人側(cè)寬度不小于0.7m。距煤壁20m范圍內(nèi)，在拱形梁下加打單排金屬鉸接頂梁和單體液壓支柱；或只在拱形梁下加打中柱，在柱頂和拱形梁間墊好短木板。超前替棚可采取全十字梁或半十字梁布置方式。2023/2/4山東科技大學(xué)703）雙向鉸接頂梁支護(hù)方式雙向鉸接頂梁是將側(cè)向連接的耳子和接頭直接焊在普通金屬鉸接頂梁的中間兩側(cè)，供橫向鉸接使用。雙向鉸接頂梁的連接方式，分沿走向和傾斜兩種。梁下單體液壓支柱根據(jù)輸送機(jī)、行人、運(yùn)料所需要的空間布置，原則上每根雙向鉸接頂梁下支設(shè)一根單體液壓支柱。沿傾斜布置時，每趟雙向鉸接頂梁的兩側(cè)應(yīng)增補(bǔ)一根支柱。機(jī)頭和機(jī)尾所在位置不能布置單體支柱時，要加水平銷，使用成對長鋼梁支護(hù)。2023/2/4山東科技大學(xué)71案列神東礦區(qū)新開水平和盤區(qū)的

支架選型設(shè)計研究項(xiàng)目2023/2/4山東科技大學(xué)72項(xiàng)目背景主要研究內(nèi)容研究目標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)技術(shù)路線和技術(shù)方案項(xiàng)目實(shí)施方式、方法和步驟進(jìn)度計劃及質(zhì)量保證措施主要內(nèi)容2023/2/4山東科技大學(xué)73神東礦區(qū)部分礦井綜放綜采工作面支架工作阻力偏小、頂板控制效果差，加之隨著神東礦區(qū)開采水平和盤區(qū)的延深，決定回采工作面采煤方法和支架選型主要因素——煤層開采地質(zhì)條件，發(fā)生了幾點(diǎn)顯著的變化。因此，對新開水平和盤區(qū)采煤方法及支架選型工作成為神東礦區(qū)高產(chǎn)和安全生產(chǎn)急需解決和研究的主要課題。1.項(xiàng)目背景2023/2/4山東科技大學(xué)74

神東礦區(qū)（部分礦井）新老盤區(qū)工作面地質(zhì)和生產(chǎn)條件差異見表1.1（已經(jīng)初步調(diào)研9礦新開13個盤區(qū)和水平的工作面基本情況）（１）開采煤層厚度

寸二礦32煤二盤區(qū)煤層較已采盤區(qū)增加2m左右；上灣增加近1m；補(bǔ)連塔礦22煤、塔礦及大井的煤層厚度較之以前有所降低。2023/2/4山東科技大學(xué)75（２）埋藏深度

除了柳塔礦、烏蘭木倫礦和活井之外，其余礦井的新采盤區(qū)煤層比已采煤層埋深都是加大的（最大430-710m）；（3）煤層傾角變化不大（4）部分煤層單軸抗壓強(qiáng)度有所增加（5）大井的工作面長度較之以前增加，變化較大（6）各個礦井的頂板條件隨著煤層或盤區(qū)的變化有所改變。2023/2/4山東科技大學(xué)76

根據(jù)項(xiàng)目招標(biāo)書技術(shù)規(guī)范書要求所述項(xiàng)目主要研究內(nèi)容，并基于課題組對項(xiàng)目科學(xué)問題的理解，我們將項(xiàng)目主要研究內(nèi)容概括為5個專題，本章只介紹其中兩個專題。專題1-新開盤區(qū)采煤工藝形式劃分和支架選型。專題2-礦區(qū)現(xiàn)有支架架型和主要技術(shù)參數(shù)對新開盤區(qū)煤層條件適應(yīng)性研究和評價。2.主要研究內(nèi)容2023/2/4山東科技大學(xué)77目標(biāo)

通過工作面開采方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，在確定采煤方法及工藝的基礎(chǔ)上，根據(jù)新盤區(qū)開采煤層礦壓規(guī)律的定量計算和預(yù)計，研究并確定盤區(qū)首采工作面合理的液壓支架型式和主要參數(shù)，確保工作面安全高效開采。3.研究目標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)2023/2/4山東科技大學(xué)78關(guān)鍵技術(shù)1）已采盤區(qū)工作面礦壓規(guī)律和礦壓模型的系統(tǒng)總結(jié)2）新開盤區(qū)合理的采煤方法和工藝形式確定3）新開盤區(qū)頂板運(yùn)動特征和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律預(yù)計4）新開盤區(qū)支架-圍巖關(guān)系確定、支架型式和主要參數(shù)確定2023/2/4山東科技大學(xué)79技術(shù)路線神東礦區(qū)9礦已采工作面采煤方法（工藝）生產(chǎn)效果和支架控頂效果的系統(tǒng)調(diào)查→研究并總結(jié)礦壓特征對采煤方法和支架選型的制約程度→新開盤區(qū)煤層頂?shù)装辶W(xué)性能測試→新開盤區(qū)工作面頂板運(yùn)動特征和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律定量預(yù)計（理論模型和數(shù)值分析）→資源回收率、設(shè)備投資和礦壓特征對采煤方法確定和支架選型的總體制約和要求→新開盤區(qū)采煤方法、支架選型和工作面支架三機(jī)配套確定。2023/2/4山東科技大學(xué)80可行性和先進(jìn)性分析以煤層條件為基礎(chǔ)，以礦壓研究為中心，輔之以類比法和數(shù)值計算等基本手段，決定各煤層合理的采煤方法（工藝形式）和支架選型，是一種理論先進(jìn)、方法實(shí)用、效果可靠的研究方法和路線，完全可以解決神東9礦新開盤區(qū)液壓支架選型設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)。2023/2/4山東科技大學(xué)81專題1

新開盤區(qū)采煤工藝形式劃分

和支架選型2023/2/4山東科技大學(xué)82神東礦區(qū)采煤工藝類型劃分和支架選型的理論和實(shí)踐

神東礦區(qū)高產(chǎn)高效的長壁采煤方法主要為綜采和綜放采煤法，條件適宜時它們均取得了良好的開采效果。

就綜采而言，依據(jù)其采煤機(jī)割煤的工藝主要參數(shù)—采高劃分，可以將綜采工藝形式劃分為5種。2023/2/4山東科技大學(xué)83（1）采高2m左右的小采高綜采，（2）采高3m左右的綜采，（3）采高4~5m大采高綜采，（4）采高5~7m的大采高綜采。采高及由此決定的工作面單產(chǎn)標(biāo)志著和劃分了神東高產(chǎn)高效綜采的發(fā)展過程。2023/2/4山東科技大學(xué)84新開盤區(qū)采煤工藝形式確定主要以工作面采高作為工藝形式劃分的依據(jù)。首先可以按煤層厚度初步劃分為4種工藝形式。針對煤層厚度大于6m的厚煤層，經(jīng)過礦壓預(yù)測，如果新開盤區(qū)綜采工藝會出現(xiàn)顛覆性礦壓，則要對綜放開采可行性進(jìn)行論證，確定綜放開采適應(yīng)性。2023/2/4山東科技大學(xué)85不同采煤工藝形式的支架選型

對神東礦區(qū)新開盤區(qū)而言，液壓支架的選型重點(diǎn)可概括表達(dá)為以下幾個方面：支架形式的選擇支架主要結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇（綜采綜放支架的寬度）支架結(jié)構(gòu)高度支架支護(hù)強(qiáng)度支架底座形式支架頂梁結(jié)構(gòu)形式和護(hù)幫裝置2023/2/4山東科技大學(xué)86支架支護(hù)強(qiáng)度和支架工作阻力確定及驗(yàn)證1）類比法確定支護(hù)強(qiáng)度

根據(jù)煤層賦存條件（埋藏深度、煤層基巖厚度、頂板巖層力學(xué)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)），采取類比相鄰條件煤層已知礦壓顯現(xiàn)（主要為支架工作阻力和支護(hù)強(qiáng)度）來確定支架的選型和參數(shù)。2023/2/4山東科技大學(xué)87神東經(jīng)驗(yàn)和全國經(jīng)驗(yàn)的調(diào)查類比

這一方法根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的礦壓參數(shù)及其發(fā)展趨勢來確定新開盤區(qū)的支架支護(hù)強(qiáng)度，具有可比性強(qiáng)、方法簡單實(shí)用、結(jié)論可靠的優(yōu)點(diǎn)，是我國液壓支架支護(hù)強(qiáng)度選擇常用的一般方法。

該方法的限制或不足,當(dāng)新開盤區(qū)的煤層賦存條件和已知類比區(qū)不會全部一樣，對個別重要條件的改變引起的支護(hù)強(qiáng)度參數(shù)本質(zhì)變化沒有可靠的修正辦法。2023/2/4山東科技大學(xué)882）“支架—圍巖”關(guān)系

礦壓模型定量計算法

根據(jù)煤層頂板力學(xué)性質(zhì)及頂板構(gòu)成，可以計算工作面開采后頂板的組成和結(jié)構(gòu)，構(gòu)建工作面頂板結(jié)構(gòu)模型，并根據(jù)各頂板結(jié)構(gòu)模型特有的“支架—圍巖”式來定量計算支架的支護(hù)強(qiáng)度。2023/2/4山東科技大學(xué)893）支架支護(hù)合理性驗(yàn)證（1）頂板分類法驗(yàn)證支護(hù)強(qiáng)度

早期頂板分類中根據(jù)工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度和工作面采高等提出了工作面支架與支護(hù)強(qiáng)度的計算公式。由于考慮具體的采場條件較少，該方法一般可作為檢核支護(hù)強(qiáng)度的手段。2023/2/4山東科技大學(xué)90

根據(jù)《緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類》標(biāo)準(zhǔn)，附錄D中附表D2，各級基本頂必需的額定支護(hù)強(qiáng)度按下列公式計算。額定支護(hù)強(qiáng)度下限值計算公式：Ps=72.3hm+4.5Lp+78.9Bc-10.24N-62.1（kN/m2）2023/2/4山東科技大學(xué)91（2）采用數(shù)值計算方法檢驗(yàn)合理支護(hù)強(qiáng)度

采用FLAC3D等數(shù)值計算軟件，可以定量計算不同的支護(hù)強(qiáng)度時工作面礦壓顯現(xiàn)特征。因此，可以礦壓顯現(xiàn)控制要求來優(yōu)化驗(yàn)證支架合理支護(hù)強(qiáng)度。2023/2/4山東科技大學(xué)92綜采工作面應(yīng)力分布2023/2/4山東科技大學(xué)93綜放工作面頂板移近量計算2023/2/4山東科技大學(xué)94由山東科技大學(xué)等單位協(xié)助神東煤炭集團(tuán)黃玉川煤礦綜放支架選型工作，較好地體現(xiàn)了上述支架選型研究思路。選型結(jié)果于2012年7月30日經(jīng)過神華集團(tuán)驗(yàn)收。黃玉川煤礦綜放支架選型

2023/2/4山東科技大學(xué)951綜放支架選型的主要內(nèi)容和依據(jù)

黃玉川煤礦即將對6上煤層進(jìn)行綜放開采

此前，經(jīng)神華集團(tuán)神東億利公司和黃玉川礦多論證，已確定適合6上煤開采的綜放支架型號為ZF12000/25/42D支架形式為兩柱掩護(hù)式結(jié)構(gòu)高度2500mm~4200mm支架中心距1750mm，工作阻力12000kN（47.8MPa），初撐力7912kN（31.5MPa）支架強(qiáng)度1.25~1.28MPa2023/2/4山東科技大學(xué)96支架選型的依據(jù)

支架選型的主要依據(jù)是回采工作面的地質(zhì)和采礦條件，具體地說，決定支架選型的主要外在因素是回采工作面的礦山壓力。2023/2/4山東科技大學(xué)97ZF15000/26/42四柱支撐掩護(hù)式放頂煤支架2023/2/4山東科技大學(xué)98支架支護(hù)面積類型工作面（1）頂板壓力平均值/MPa工作面（2）頂板壓力平均值/MPa工作面（2）頂板壓力極大值/MPa最大支護(hù)面積S（m2）1.110.9831.43最小支護(hù)面積S（m2）1.271.121.63有效支護(hù)面積S（m2）1.481.311.90鄰近礦井綜放工作面來壓時頂板壓力實(shí)測值2023/2/4山東科技大學(xué)99支架支護(hù)面積類型鄰近礦（綜放工作面）來壓時頂板壓力/MPa黃玉川（綜放工作面）來壓時頂板壓力/MPa（臨近礦1.1倍）最大支護(hù)面積S（m2）1.11~0.98~1.431.22~1.08~1.57最小支護(hù)面積S（m2）1.27~1.12~1.631.40~1.23~1.79有效支護(hù)面積S（m2）1.48~1.31~1.901.63~1.44~2.09黃玉川煤礦216上01首采工作面頂板壓力預(yù)測（經(jīng)驗(yàn)類比法）2023/2/4山東科技大學(xué)1002煤壁片幫程度和頂煤冒落特性預(yù)測1）鄰近礦6上煤綜放工作面開采過程中，總體上工作面煤壁片幫深度不大，一般不超過300mm，預(yù)計黃玉川礦6上煤首采工作面片幫深度較小，同樣不超過300mm，局部片幫最大值可達(dá)1000mm。2023/2/4山東科技大學(xué)1012）頂煤冒落

由于黃玉川礦煤層強(qiáng)度比上述對比礦井煤層強(qiáng)度大，因此頂煤在支架前部基本沿支架切頂線冒落，或稍超前切頂線冒落，但超前切頂線距離較對比礦井明顯減小。

由于煤層強(qiáng)度較?。╢=0.3~1.5），鄰近礦井綜放開采時，四柱支護(hù)掩護(hù)式支架上方頂煤一般超前于支架切頂線冒落，實(shí)測超前支架后立柱約800mm。如下圖所示。2023/2/4山東科技大學(xué)102鄰近礦井頂煤冒落線位置2023/2/4山東科技大學(xué)1033根據(jù)工作面頂板結(jié)構(gòu)預(yù)測綜放工作面支護(hù)強(qiáng)度

根據(jù)工作面頂板結(jié)構(gòu)預(yù)測工作面頂板壓力是一種典型的理論計算方法。根據(jù)山東科技大學(xué)宋振騏院士的“傳遞巖梁”理論來定量計算（預(yù)計）黃玉川煤礦綜放工作面頂板壓力，并以此定量計算支架支護(hù)強(qiáng)度。2023/2/4山東科技大學(xué)104110#支架循環(huán)末阻力（第1個工作面）2023/2/4山東科技大學(xué)105序號巖性層厚/m抗拉強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa煤層以上累計厚度/m初次斷裂步距/m周期斷裂步距/m1砂質(zhì)泥巖3.260.9～2.914~47.53.2615~286~112粗粒砂巖6.150.62~2.413.8~53.89.4117~347~143粉砂巖17.162.63226.5760244粗粒砂巖24.610.62~2.413.8~53.851.1835~6914~28HY鉆孔處直接頂巖層初次垮落步距計算值2023/2/4山東科技大學(xué)1062）直接頂冒落特點(diǎn)

根據(jù)頂板懸頂距計算得知，直接頂懸頂小步距垮落，最大懸頂距為8m。3）直接頂厚度計算

由上可知，各分層直接頂具有在支架后方切頂線附