-回采工作面頂板控制與支護(hù)課件

第五章回采工作面頂板控制與支護(hù)

本章介紹：

頂板分類支架類型與特性采場(chǎng)支架與圍巖相互作用原理綜合機(jī)械化工作面頂板控制設(shè)計(jì)單體液壓支柱工作面頂板控制設(shè)計(jì)

第一節(jié)頂板分類與底板特征一、對(duì)直接頂?shù)姆治觯?、定性分析：破碎頂板————頁(yè)巖、再生頂、煤頂中等穩(wěn)定頂板——砂頁(yè)巖、粉砂巖完整頂板————砂巖、堅(jiān)硬砂頁(yè)巖

按穩(wěn)定狀態(tài)原生裂隙構(gòu)造裂隙壓裂裂隙裂隙類型張裂隙剪裂隙2、定量分析：按直接頂初次垮落步距分不穩(wěn)定頂板——中等穩(wěn)定頂板—穩(wěn)定頂板———3、

雅格比分類法：端面破碎度——端面破碎面積與梁端無支護(hù)面積之比。冒落敏感度E——端面距為1米時(shí)的端面破碎度。一類二類三類三、頂板分類方案：（P132）1、分類目的：規(guī)范化、科學(xué)化、系列化

2、分類方案：

依據(jù)直接頂?shù)姆€(wěn)定性（強(qiáng)度、初垮步距）分為四類；依據(jù)直接頂厚高比、老頂來壓步距將老頂分為4級(jí)。直接頂：分為四類，其中1、2類各分為兩個(gè)亞類；

（不穩(wěn)定、中穩(wěn)、穩(wěn)定、非常穩(wěn)定）老頂：依據(jù)老頂初次來壓當(dāng)量將老頂分為4級(jí)。

（來壓不明顯、明顯、強(qiáng)烈、非常強(qiáng)烈）頂板分類名稱含義：直接頂：一類二類三類四類

不穩(wěn)定中等穩(wěn)定穩(wěn)定堅(jiān)硬老頂：1級(jí)2級(jí)3級(jí)4級(jí)

來壓不明顯來壓明顯來壓強(qiáng)烈來壓極強(qiáng)烈舉例：二類2級(jí)頂板——直接頂中等穩(wěn)定，老頂來壓明顯。四、底板特征：1、底板的力學(xué)特征2、底板比壓——底板單位面積所受支架的壓力支柱插入底板的破壞形式受支承壓力影響，產(chǎn)生變形。受支柱壓力作用，被壓入。整體剪切局部剪切其它剪切

整體剪切局部剪切其它剪切穿鞋破壞第二節(jié)采場(chǎng)支架類型與特性一、支架類型：

木支架——————木柱+木梁摩擦金屬支架———摩擦柱+鉸接金屬梁?jiǎn)误w液壓支架———液壓柱+鉸接金屬梁

支撐式掩護(hù)式支撐掩護(hù)式

單體支架液壓支架普通支架端頭支架大采高支架放頂煤支架液壓支架的應(yīng)用范圍正在逐步擴(kuò)大二、支架的工作特性：

單體支架特性應(yīng)為支架與頂梁的共同特性，當(dāng)頂梁為剛性材料時(shí)，支架特性主要由支柱特性決定。液壓支架特性不僅與支柱特性有關(guān)，而且與支架結(jié)構(gòu)有關(guān)。1、支柱特性：支柱力學(xué)特性——受頂板壓力作用，支柱變形（下縮）性質(zhì)。急增阻微增阻恒阻2、支柱的工作阻力：

支柱的工作阻力——支柱受頂板壓力作用而產(chǎn)生的反抗力。

（撐力——主動(dòng)力；阻力——被動(dòng)力）

初撐力——支柱剛架設(shè)時(shí)對(duì)頂板支撐力；

始動(dòng)阻力——頂板壓力下，支柱開始下縮時(shí)的阻力；

初工作阻力——阻力由急劇增長(zhǎng)到緩慢增長(zhǎng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處阻力；

額定工作阻力——支柱所能承受的最大載荷。

安全規(guī)程規(guī)定：

禁止將支柱架設(shè)在浮煤、浮矸上。

技術(shù)要求：

柱頂要插嚴(yán)背實(shí)；

煤底或軟巖底時(shí)，支柱要穿鞋（液柱鐵鞋）三、液壓支柱：1、類型：內(nèi)注液式：NDZ外注液式：DZ2、結(jié)構(gòu)：3、DZ系列：4、型號(hào)：DZ22—30/100DZ——普通單體液壓支柱PDZ——炮采單體液柱SDZ——三柱套（薄煤層）DZ系列系列高度22分米—額定阻力30噸/油缸內(nèi)經(jīng)100毫米

5、初撐力：式中：——泵站工作壓力；——活柱直徑；——管路壓力損失系數(shù)。

6、液壓支柱工作原理：Ⅰ—升柱；Ⅱ—工作；Ⅲ—降柱1—活柱；2—柱體；3、9、10—管路；4—安全閥；5—單向閥；6—主回油路；7—主進(jìn)油路；8—操縱閥連鎖式及對(duì)接式走向棚a—連鎖上行式；b—連鎖下行式；c—連鎖混合式；d—對(duì)接式2、棚子支護(hù)——順板（兩柱、三柱）（傾斜棚）橫板（兩柱）連鎖（上行式、下行式、混合式）傾斜棚

機(jī)組工作面的懸臂支護(hù)a—正懸臂；b—倒懸臂3、懸臂梁支護(hù)——正懸臂、倒懸臂齊梁直線柱布置

錯(cuò)梁直線柱布置4、懸臂梁支架的布置方式：

常用錯(cuò)梁直線柱特種支架的主要作用：

增加支撐力——叢柱、排柱、抬棚

增強(qiáng)穩(wěn)定性——木垛、斜撐（戧柱）、抬棚6、架設(shè)金屬單體支架的技術(shù)要求：1)確保金屬支柱的工作性能，失效支柱應(yīng)及時(shí)運(yùn)至地面檢修；2)在支設(shè)金屬支柱時(shí)，應(yīng)采用升柱器，使之具有一定的初撐力；3)嚴(yán)禁在一個(gè)工作面使用兩種或兩種以上不同性能的基本支柱；4)金屬支柱必須與金屬鉸接頂梁配套使用；5)不宜讓支柱受偏心載荷；6)必須保證支柱的支設(shè)質(zhì)量。不能將支柱打在浮矸上。

五、液壓支架：1、分類：按支撐面積與掩護(hù)面積比值分類支撐式支撐掩護(hù)式掩護(hù)支撐式掩護(hù)式支撐式掩護(hù)支撐式支撐掩護(hù)式掩護(hù)式3、支掩式掩護(hù)支架分析：工作特點(diǎn)：（支柱支撐在掩護(hù)梁上）

控頂距小，減少了對(duì)頂板的反復(fù)支撐次數(shù)結(jié)構(gòu)可承受一定水平推力；適應(yīng)破碎頂板（擋矸，冒頂時(shí)可不勾頂）

缺點(diǎn)：支架空間小、通風(fēng)斷面小、行人不便、重量大單鉸式雙鉸式第三節(jié)回采工作面支架與圍巖相互作用原理一、支架與圍巖的相互作用：1、支架與圍巖相互作用體系：

1）橫向：“煤體—支架—垮落矸石”支撐系統(tǒng)煤體支架垮落矸石2、支架與圍巖相互作用的特點(diǎn)：

1）支架與圍巖間的作用是作用力與反作用力關(guān)系；

（支撐力宜均勻分布，且與頂板壓力共線）2）支架受力的大小與支架本身特性有關(guān)；

（在同一工作面，不允許同時(shí)使用特性不同的支架）3）支架支撐力在工作面的分布狀態(tài)與支架性能有關(guān)；

剛性急增阻微增阻恒阻4）支架結(jié)構(gòu)及尺寸對(duì)頂板壓力具有影響：

支架受力=頂板壓力；

支架結(jié)構(gòu)影響其特性，繼而影響其受力大??；（支撐式大，掩護(hù)式?。?；

支架受力大小與分布即為頂板壓力的大小與分布。（支撐式大，作用力靠后；掩護(hù)式小，作用力靠前）3、支架工作阻力與頂板下沉量的關(guān)系：

（支架與圍巖相互作用關(guān)系）

由調(diào)壓實(shí)驗(yàn)得到：

平時(shí)來壓時(shí)2）由曲線：結(jié)論：

關(guān)系為雙曲線關(guān)系；在某一工作阻力以上，而減少甚微；在某一工作阻力以下，則急劇增加；

（該工作阻力稱為與頂板下沉量相適應(yīng)的合理工作阻力）以提高工作阻力控制頂板下沉量是有一定限度的；不同工作面，曲線不同。

合理工作阻力為拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的工作阻力二、采場(chǎng)支架的工作狀態(tài)：

1、支架與圍巖體系的剛度：1）組合剛度：并聯(lián)：串聯(lián)：并聯(lián)串聯(lián)

2）支架的剛度：式中：——支架的剛度（并聯(lián)）；——支架立柱數(shù)；——支架立柱的剛度；——支架立柱與豎直方向的夾角。

3）直接頂?shù)膭偠龋?/p>

式中：——直接頂彈性摸量；

——直接頂高度與支架承載寬度比值。似剛性中間型剛度似零剛度4）底板的剛度：

（通過分析底板比壓獲得）5）支架與圍巖體系的剛度：當(dāng)?shù)装逵绊懶r(shí)（穿鞋或堅(jiān)硬）：當(dāng)直接頂剛度時(shí)：當(dāng)直接頂為中間型剛度時(shí)，與支架組成系統(tǒng)剛度。2、支架的工作狀態(tài)：

給定載荷——直接頂剛度小，老頂?shù)摹盎剞D(zhuǎn)變形壓力”由直接頂變形所吸收，支架承受的載荷為直接頂載荷。（直接頂離層）

給定變形——直接頂剛度大，老頂?shù)摹敖o定變形”全部通過直接頂傳到支架上。

給定載荷——增大穩(wěn)定性；支架給定變形——增大支撐力、可縮性。第四節(jié)綜采面頂板控制設(shè)計(jì)一、概述

1、選型步驟：1）確定頂、底板類型（直接頂、老頂、直接底）；2）估算支架所需支護(hù)強(qiáng)度（實(shí)測(cè)、來壓步距）；3）初定額定支護(hù)強(qiáng)度、初選架型；4）修正架型及參數(shù)（斷面、風(fēng)量、傾角）；5）確定頂梁、護(hù)幫及側(cè)推結(jié)構(gòu)；6）確定底座參數(shù)；7）進(jìn)行支架參數(shù)優(yōu)化。重要內(nèi)容：支架額定強(qiáng)度、架型2、架型選擇：

分析比較法：

依據(jù)頂?shù)装鍫顩r、采高、傾角、瓦斯、煤層穩(wěn)定程度、開采方法等因素確定支架額定工作阻力、幾何尺寸、立柱數(shù)量位置、移架方式、頂板覆蓋率等參數(shù)。（目前多用）

綜合評(píng)分法：

在特定的地質(zhì)、開采技術(shù)條件下，對(duì)預(yù)選的各種支架對(duì)圍巖的適應(yīng)性及力學(xué)特性進(jìn)行評(píng)價(jià)打分，綜合分?jǐn)?shù)時(shí)考慮各項(xiàng)內(nèi)容的重要程度，選擇分?jǐn)?shù)最高者，確定支架結(jié)構(gòu)，然后確定支架的初撐力、工作阻力，并對(duì)支架參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。二、液壓支架參數(shù)：1、工作阻力：估算法：

實(shí)測(cè)法：

若允許3%支架時(shí)間加權(quán)平均阻力大于額定工作阻力，k=2；若以最大工作阻力為統(tǒng)計(jì)值，則k=1~1.3，此時(shí)經(jīng)驗(yàn)公式：

（煤炭科學(xué)研究總院）

Ⅰ~Ⅲ級(jí)老頂：

Ⅳ級(jí)老頂：（額定支護(hù)強(qiáng)度；采高；周壓步距；控頂高度；直接頂厚度/采高）老頂初壓步距；備用系數(shù)

理論分析法：式中：

——合理支護(hù)強(qiáng)度；——巖塊間摩擦角；——巖塊破斷角；——老頂巖層厚度；——B巖塊回轉(zhuǎn)下沉量；——B巖塊的重量及載荷；——控頂距。

液壓支架額定工作阻力：

式中：——額定工作阻力；——液壓支架中心距；——液壓支架支撐效率；——控頂長(zhǎng)度；——支護(hù)強(qiáng)度。

支撐式0.9~0.95支掩式0.65~0.75支頂式0.8~0.9支撐掩護(hù)0.8~0.952、初撐力：

提高初撐力可

初撐力確定減少頂板離層，增強(qiáng)頂板強(qiáng)度和穩(wěn)定性提高對(duì)機(jī)道支撐，減少端面破碎度和煤壁片幫壓實(shí)頂梁上及底座下浮矸，提高支撐系統(tǒng)剛度充分利用額定支撐能力，減少頂板下沉量。實(shí)測(cè)初撐力為額定阻力的0.714合理初撐力為額定阻力的0.6~0.851、2類頂板初撐力為額定阻力的0.75~0.852、3類頂板初撐力為額定阻力的0.6~0.75第五節(jié)單體液壓支柱工作面頂板控制

一、頂板控制的原則：

1、目標(biāo)

2、原則消除冒頂隱患，防止冒頂事故；將頂板下沉量控制在一定限度內(nèi)；費(fèi)用最少。初撐力可平衡垮落帶巖層重量；可縮量能適應(yīng)裂隙帶巖層的下沉；可切斷近距薄層老頂；能防止頂板巖層的失穩(wěn)性破壞；保證頂板處于良好狀態(tài)。二、單體支架工作面頂板控制設(shè)計(jì)：

（設(shè)計(jì)內(nèi)容包含：支柱類型、規(guī)格選擇，支柱的額定阻力、初撐力確定，支架頂梁選擇，支架布置形式，支護(hù)強(qiáng)度及支柱密度，排柱距及特殊支架布置等）

1、工作面合理支護(hù)強(qiáng)度的確定：

一般按老頂初次來壓最不利狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算：

合理支護(hù)強(qiáng)度：

（支架承受直接頂重量及老頂重量的一半）

其中：——考慮支撐合力作用位置及附加載荷后的懸頂系數(shù)。2、支柱有效支撐能力的確定：支柱有效支撐能力——在允許的頂板下沉量范圍內(nèi)，所有支柱所能達(dá)到的工作阻力的平均值。

（有效支撐能力＜額定工作阻力）

1）支柱不鉆底，支護(hù)質(zhì)量正常時(shí)：

式中：——支柱承載不均勻系數(shù)（0.8~0.9）；——增阻系數(shù)(0.9~0.95)；——支柱回撤前所能達(dá)到的理論工作阻力，kN/柱。

2）支柱發(fā)生鉆底時(shí)：

式中：——與底板抗壓入強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的支柱工作阻力；——考慮支柱鉆底式的不均勻系數(shù)，增阻系數(shù)。3、支柱密度及柱距確定：

排距a——與截深匹配；柱距b——排距為0.8時(shí)，k=1.2;排距為1m時(shí)，k=1.1排距為1.2時(shí)。K=1.0

用單體支柱+鉸接頂梁時(shí)，柱距不小于0.5米；破碎頂板、網(wǎng)下開采時(shí)，任何梁，柱距不小于0.7米。

4、支柱初撐力：

增加初撐力，可預(yù)防直接頂離層，使支柱更快達(dá)到工作阻力以平衡垮落帶巖重。

應(yīng)使初撐力盡量等于額定工作阻力；

一般條件下，初撐力應(yīng)不低于額定阻力的70%~80%。

5、支護(hù)系統(tǒng)剛度：支護(hù)系統(tǒng)剛度——單位頂?shù)装逑鄬?duì)移近量所對(duì)應(yīng)的支柱工作阻力增量。（支護(hù)系統(tǒng)剛度受系統(tǒng)內(nèi)組成部分影響）

從有效控制頂板角度看，支護(hù)系統(tǒng)剛度越大越好。

（支柱鉆底超過100mm，則需要穿鐵鞋）

插背物——目前的背頂材料，壓縮率可達(dá)50%，一般在50kN前即可完成，壓縮量大，剛度?。豁斄骸饘夙斄翰豢蓧嚎s，可認(rèn)為是剛性；底板——砂頁(yè)巖、砂巖等中硬、堅(jiān)硬巖層剛性較大，煤、泥巖、頁(yè)巖等較軟巖層剛度小，影響系統(tǒng)剛度；

支柱——單體液柱剛度比較理想；（初撐力高，可壓縮背頂物等材料，使系統(tǒng)剛度增加）增大工作面支護(hù)強(qiáng)度