單體支柱工作面支護(hù)設(shè)計(jì)

2.單體支柱工作面支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1選擇頂板處理方法2.2確定合理支護(hù)方式2.3確定工作面控頂距2.4計(jì)算合理支柱密度2023/2/4山東科技大學(xué)12.1選擇頂板處理方法

通常的頂板處理方法有：留煤柱、煤垛支撐頂板（如房柱、刀柱等）；緩慢下沉法；自然垮落法；層狀堅(jiān)硬頂板（厚度不超過5m）運(yùn)動形式轉(zhuǎn)化法；厚層堅(jiān)硬頂板特殊處理法。厚層堅(jiān)硬頂板特殊處理法主要有注水軟化法和爆破法等。

2023/2/4山東科技大學(xué)22.1.1自然垮落法

對頂板不采取專門的處理措施，隨工作面推進(jìn)頂板在采空區(qū)內(nèi)自行垮落稱為自然垮落法處理頂板。它借助于頂板巖層自身的垮落性控制頂板，屬既安全又經(jīng)濟(jì)的方法，在條件允許時，應(yīng)優(yōu)先選擇。2023/2/4山東科技大學(xué)32.1.2緩慢下沉法

煤層上方覆蓋層由塑彎性能強(qiáng)的石灰?guī)r或泥質(zhì)頁巖組成時，頂板可能隨工作面推進(jìn)而彎曲下沉，并在采空區(qū)內(nèi)一定距離處與底板接觸閉合。在采高不大，最大控頂排處頂板下沉量不超過支柱所允許的縮量時，采用緩慢下沉法控制頂板，回采工作面一般可以不采用特殊支護(hù)。2023/2/4山東科技大學(xué)4

若因頂板下沉量太大，工作空間過小，或超過支柱縮量的限度時，就需要在采空區(qū)進(jìn)行部分充填，以減小最大控頂排處的頂板下沉量，如下圖2.1（b）所示。（a）緩慢下沉（b）采空區(qū)充填（c）采空區(qū)內(nèi)強(qiáng)放圖2.1緩慢下沉頂板采空區(qū)充填與強(qiáng)制放頂2023/2/4山東科技大學(xué)5

2023/2/4山東科技大學(xué)6

2023/2/4山東科技大學(xué)72.1.3層狀堅(jiān)硬頂板運(yùn)動形式轉(zhuǎn)化2.1.3.1巖層運(yùn)動的兩種形式

層狀堅(jiān)硬頂板是指厚度不超過5m的堅(jiān)硬頂板（包括在厚層堅(jiān)硬頂板的下部，由于層理和弱面的存在，可分離出獨(dú)立運(yùn)動的巖層組），這類頂板強(qiáng)度較高，初次垮落步距一般達(dá)25m以上，初次來壓強(qiáng)烈。

層狀堅(jiān)硬頂板的初次垮落一般存在兩種運(yùn)動形式：一是彎沉運(yùn)動形式；二是剪切運(yùn)動形式。2023/2/4山東科技大學(xué)82.1.3.2剪切運(yùn)動形式向彎沉運(yùn)動形式轉(zhuǎn)化的處理措施（Ⅰ）擴(kuò)大巖梁端部斷裂線位置至煤壁的距離，使巖梁以煤壁為支撐具備穩(wěn)固的支承端，避免從煤壁處切下。同時巖梁在端部斷裂后，延長彎矩向巖梁中部轉(zhuǎn)移的過程，促成中部斷裂，形成彎沉運(yùn)動結(jié)構(gòu)。（Ⅱ）減小巖梁的厚度，特別是懸垮度中部的厚度以促成中部斷裂。2023/2/4山東科技大學(xué)92.1.3.3頂板處理

對頂板進(jìn)行處理的主要措施是采用人工放頂?shù)霓k法來減小巖梁的厚度，通常采用循環(huán)放頂和中部拉槽放頂。2.1.3.4煤體處理

通常采用對煤體進(jìn)行松動放炮或注水軟化的方法。對于松動放炮可以按推進(jìn)循環(huán)進(jìn)行，也可以按推進(jìn)步距進(jìn)行。對于注水軟化可以采取預(yù)注水的方法，即在采煤工作面順槽準(zhǔn)備出來以后，在順槽中對煤體進(jìn)行預(yù)注水；也可以像松動放炮一樣，在工作面推進(jìn)過程中，按推進(jìn)步距進(jìn)行注水。2023/2/4山東科技大學(xué)10

在厚煤層分層開采或近距離煤層開采的條件下，當(dāng)先采上分層或上層時，頂板具有剪切運(yùn)動的危險(xiǎn)時，可以考慮改變程序，采用反程序開采，即先采下分層或下層煤。采用反程序開采時，原來具有剪切運(yùn)動特征的頂板，經(jīng)歷一次采動影響的破壞后，其強(qiáng)度有明顯的降低，在重新開采時，有可能將其剪切運(yùn)動轉(zhuǎn)化成彎沉運(yùn)動。采用反程序開采的方法，由于無需對頂板和煤層進(jìn)行人工處理，因此它是最經(jīng)濟(jì)的方法，在條件具備時，也應(yīng)優(yōu)先選擇。2023/2/4山東科技大學(xué)112.2確定合理支護(hù)方式

支護(hù)方式一般分為基本支護(hù)和特種支護(hù)兩類。基本支護(hù)要求支架在頂板不發(fā)生特殊情況時，能支和護(hù)住頂板。特種支護(hù)要求支架在頂板出現(xiàn)懸頂、滑動、沖擊等威脅時，能防止頂板事故的發(fā)生。兩種支護(hù)的作用是相輔相成的。2023/2/4山東科技大學(xué)122.2.1基本支護(hù)方式的確定

在單體支柱工作面，基本支護(hù)方式一般分為點(diǎn)柱和棚子支護(hù)兩類。影響支護(hù)方式的因素主要有下位直接頂?shù)耐暾浴⒊山M節(jié)理裂隙的方向、傾角、頂板壓力等。2023/2/4山東科技大學(xué)132.2.1.1點(diǎn)柱

點(diǎn)柱支護(hù)方式一般用于下位直接頂堅(jiān)硬完整的回采工作面，為了防止柱帽在頂板接觸點(diǎn)處滑動，一般在柱帽上墊厚小于5cm的木帽。先是根據(jù)進(jìn)尺確定點(diǎn)柱支護(hù)的排距，再根據(jù)所需的回采工作面支柱密度推算柱距。2023/2/4山東科技大學(xué)142.2.1.2掛梁支護(hù)

掛梁支護(hù)的基本內(nèi)容有：掛梁方向、掛梁方式、護(hù)頂方式。1）掛梁方向。掛梁方向一般有沿走向和傾向兩種。2）掛梁方式。掛梁方式是指齊梁、錯梁、正懸臂梁、倒懸壁梁、單梁、雙鉸等掛梁方式。3）護(hù)頂方式。護(hù)頂方式由下位直接頂?shù)耐暾詻Q定。

在金屬網(wǎng)假頂工作面，根據(jù)鋪網(wǎng)層數(shù)、網(wǎng)的質(zhì)量，可確定是否在頂梁上鋪板皮以及確定最大柱距。2023/2/4山東科技大學(xué)152.2.2特種支護(hù)的選擇

特種支護(hù)主要用來防止頂板事故，它是基本支護(hù)的“加強(qiáng)”和“補(bǔ)充”。特種支護(hù)一般用于事故多發(fā)地段，即放頂線、端頭、煤壁處及局部構(gòu)造地段。2023/2/4山東科技大學(xué)162.2.2.1放頂線的特種支護(hù)

放頂線的頂板事故一般有推垮、壓垮和沖矸三類，就目前的支護(hù)裝備水平，相應(yīng)的特種支護(hù)主要有戧棚（柱）、密集、墩柱、木垛、擋矸簾等。1）防止向傾斜推垮的特種支護(hù)；2）防止向采空區(qū)推垮的特種支護(hù)；3）防止向煤壁推垮的特種支護(hù)可選用向采空區(qū)方向的戧棚（或戧柱）。2023/2/4山東科技大學(xué)172.2.2.2端頭特種支護(hù)

端頭是事故多發(fā)地段，因此，也是支護(hù)的重點(diǎn)。端頭特種支護(hù)要求整體性強(qiáng)，抗壓性能好。目前，用的比較好的主要有四對八根長梁（雙楔鉸接頂梁）、十字頂梁支架。2023/2/4山東科技大學(xué)18（Ⅰ）四對八根長梁端頭支護(hù)2023/2/4山東科技大學(xué)19（Ⅱ）十字頂梁端頭支護(hù)2023/2/4山東科技大學(xué)20（Ⅲ）木垛(Ⅳ)機(jī)巷破頂掘進(jìn)采場下端頭的特種支護(hù)2023/2/4山東科技大學(xué)212.2.2.3煤壁處的特種支護(hù)1）防止破碎頂板在機(jī)道處垮落的貼幫柱；2）防止大采高松軟煤層煤壁片幫的背幫措施。2.2.2.4全承載支護(hù)

全承載支護(hù)是指將末排回下的支柱，支到前排支柱的內(nèi)側(cè)，這樣既可加強(qiáng)后排的支護(hù)，又可保護(hù)支柱。因此，應(yīng)提倡采用全承載支護(hù)。全承載支護(hù)也可看成是一種最基本的特種支護(hù)。2023/2/4山東科技大學(xué)222.3確定工作面控頂距2.3.1控頂距的定義和基本控頂距1）控頂距：從煤壁到最后一排支柱的距離。2）基本控頂距：根據(jù)安全生產(chǎn)的基本要求，采場至少必須有3硐分別供運(yùn)煤、行人和堆料用，因此，在“見四回一”的采場，基本控頂距最大為4硐，最小為3硐，在“見五回二”的采場，最大控頂距為5硐，最小為3硐，任何小于3硐的控頂距在安全方面都是不允許的。2023/2/4山東科技大學(xué)23

2023/2/4山東科技大學(xué)242.3.2影響控頂距的因素

復(fù)合頂板下處于不同推進(jìn)階段、局部地質(zhì)構(gòu)造影響、支架性能、頂板的完整性、基本頂?shù)臎_擊程度、工藝特點(diǎn)（頂梁長度、進(jìn)尺、放頂距等）、瓦斯、采高、傾角等。2023/2/4山東科技大學(xué)252.3.3合理控頂距的確定2.3.3.1一般條件下的控頂距當(dāng)回采工作面各方面條件無特殊變化和特殊要求時，一般選3~4硐控頂，控頂距按LK的表達(dá)式計(jì)算。2.3.3.2復(fù)合頂初次垮落期間的控頂距

根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，此階段一般采用4～5硐控頂。尤其在下位直接頂厚度1.5m以下且比較堅(jiān)硬的回采工作面。2023/2/4山東科技大學(xué)262.3.3.3松軟頂板的控頂距

松軟頂板垮落容易冒入控頂區(qū)，即超前垮落（如下圖所示）。造成了后排支柱“支空”，稍受擾動，支柱將被推倒。2023/2/4山東科技大學(xué)27

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2023/2/4山東科技大學(xué)292.3.3.5堅(jiān)硬直接頂采場的控頂距

當(dāng)堅(jiān)硬直接頂斷縫位于放頂線附近時，若控頂距太小，垮落的大塊矸石極易沖至煤壁而發(fā)生傷亡事故。因此，這種采場控頂距確定的原則是：回柱前，煤壁到斷裂線之間必須有2～3硐的安全空間，否則不準(zhǔn)回柱?？仨斁嗟木唧w大小視頂板斷裂塊度決定（如下圖所示）。2023/2/4山東科技大學(xué)302.3.3.6特松軟底板的控頂距盡可能縮小控頂距2.3.3.7復(fù)合頂板（包括“夾心”頂板）采場調(diào)面時的控頂距回采工作面上部擴(kuò)大控頂距2.3.3.8團(tuán)塊狀頂板下的控頂距2.3.3.9大采高、大傾角采場的控頂距2023/2/4山東科技大學(xué)312.4計(jì)算合理支柱密度2.4.1頂板支和護(hù)的關(guān)系

1）頂板支護(hù)包括支和護(hù)兩個方面，“支”的對象，重點(diǎn)是基本頂和堅(jiān)硬直接頂；“護(hù)”的對象，主要是煤層上0.5m范圍內(nèi)的直接頂或偽頂。

2）在給定支護(hù)裝備的前提下，支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)既能保證“支”住頂板壓力，又能保證“護(hù)”住下位直接頂?shù)摹芭镩g”破碎巖體，即合理的支柱密度應(yīng)該取支密度和護(hù)密度中的最大值。2023/2/4山東科技大學(xué)32

2023/2/4山東科技大學(xué)332.4.2.2護(hù)密度的確定

護(hù)頂?shù)臏?zhǔn)則是：所選棚距應(yīng)保證不因護(hù)頂材料強(qiáng)度不足而發(fā)生冒頂事故及金屬網(wǎng)下不出現(xiàn)網(wǎng)兜。

其力學(xué)保證條件是：護(hù)頂材料能托住兩棚間破碎巖體的重量。

護(hù)密度主要由直接頂（包括偽頂）的完整性指數(shù)和護(hù)頂材料的強(qiáng)度決定，由于不同材料的強(qiáng)度差別很大，因此，同樣頂板條件的采場，護(hù)密度可能因護(hù)頂材料的不同而不同。2023/2/4山東科技大學(xué)34案例中平能化集團(tuán)大莊礦己18－25050工作面的支護(hù)設(shè)計(jì)2023/2/4山東科技大學(xué)35炮采工作面回采工藝技術(shù)裝備簡單，投資少，見效快，適應(yīng)性強(qiáng)，操作技術(shù)易掌握，生產(chǎn)技術(shù)管理比較簡單。在開采邊角煤、回采煤柱、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域及中小型煤礦仍在使用。2023/2/4山東科技大學(xué)36中小型煤礦仍在使用炮采，工作面支護(hù)設(shè)計(jì)是《作業(yè)規(guī)程》編制時必須計(jì)算的，本節(jié)闡述中平能化集團(tuán)大莊礦己18－25050工作面的支護(hù)設(shè)計(jì)。2023/2/4山東科技大學(xué)371工作面地質(zhì)情況

大莊礦己18－25050工作面位于己5采區(qū)，地面標(biāo)高190～196m，工作面底板標(biāo)高－78～－86m。走向長度495m，傾斜長度96m，煤層傾角2°～4°，煤層平均厚度1.5m，工作面頂?shù)装迩闆r見表1。工作面沿煤層傾向布置，走向長壁一次采全高，采用全部垮落法管理頂板。2023/2/4山東科技大學(xué)38表1工作面頂?shù)装迩闆r

2023/2/4山東科技大學(xué)392采煤工作面支護(hù)設(shè)計(jì)2.1工作面支柱規(guī)格選擇（1）支柱最大高度計(jì)算Hmax＝Mmax－b0＝1.6－0.1＝1.5（m）（2）支柱最小高度計(jì)算Hmin＝Mmin－b0－△Sx－a0＝1.4－0.1－0.17－0.05＝1.08（m）式中，Mmax：工作面開采范圍內(nèi)的煤層最大采高，m；Mmin：工作面開采范圍內(nèi)的煤層最小采高，m；b0：頂梁的厚度，b0＝0.1m；

△Sx：頂板下沉量；a0：工作面頂板備用下縮量，取a0＝0.05m。2023/2/4山東科技大學(xué)40△Sx＝ηMminL1＝0.025×1.6×4.2＝0.168（m）（取△Sx＝0.17m）式中，η：頂板下沉系數(shù)，取η＝0.025；L1：工作面頂板最大控頂距，L1＝4.2m。

工作面選擇支柱型號規(guī)格DZ16－300/100，支柱最大高度1.6m大于計(jì)算所需高度1.5m；支柱最小高度0.98m小于計(jì)算所需支柱高度1.08m。符合工作面使用的要求。2023/2/4山東科技大學(xué)41（3）工作面所需支柱、頂梁數(shù)量N＝LN（L/b＋1）＝4×（96/0.6+1）＝644（根）式中，LN：最大控頂距時支柱的排數(shù)，LN＝4；L：工作面的長度，L＝96m。

考慮工作面臨時支護(hù)、加強(qiáng)支護(hù)、端頭支護(hù)與備用量的要求，工作面支柱須增加15%～20%，頂梁須增加15%～20%。工作面須配備支柱750根，頂梁750根。2023/2/4山東科技大學(xué)42

2023/2/4山東科技大學(xué)432.3支柱有效工作阻力

采用油缸直徑為100mm的單體液壓支柱型號為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—支柱額定工作阻力，294kN/根；K1—支柱增阻系數(shù)，取0.9；K2—支柱不均系數(shù)，取0.9。2023/2/4山東科技大學(xué)442.4工作面支護(hù)密度n＝P/R＝277.83/238.14＝1.17根/m22.5工作面排距柱距的確定

根據(jù)工作面條件及礦上條件，選取金屬鉸接頂梁HDJA－1000型。根據(jù)頂梁長確定排距a＝1m。柱距b＝1/n＝1/1×1.17＝0.85m。

選取柱距b＝600mm，完全可以滿足支護(hù)強(qiáng)度及支護(hù)密度、的要求。2023/2/4山東科技大學(xué)452.6工作面底板比壓校核

工作面使用支柱油缸直徑全部為100mm，初撐力F＝90KN，計(jì)算出支柱對底板的比壓P1為：P1＝F/S1＝F/π（D/2）2＝90×103/（3.14×0.052）＝11.5MPa

本工作面煤層厚1.4m，一次采全高，底板灰?guī)r，根據(jù)地質(zhì)部門提供資料，其底板比壓P2為：P2＝16～32MPa。由于P2>P1，單體液壓支柱不會鉆底。2023/2/4山東科技大學(xué)462.7兩巷超前支護(hù)設(shè)計(jì)

兩巷超前支護(hù)使用單體液壓支柱配合金屬鉸接頂梁支護(hù)，單體液壓支柱采用DZ16－30/100、DZ22－30/300、DZ25－25/100，根據(jù)兩巷高度選擇。兩巷自煤壁向外10m