1第页第五章第五章 回采工作面顶板控制与支护回采工作面顶板控制与支护 本章介绍：本章介绍： 第一节第一节 顶板分类与底板特征顶板分类与底板特征 第二节第二节 采场支架类型与特性采场支架类型与特性 第三节第三节 采场支架与围岩相互作用原理采场支架与围岩相互作用原理 第四节第四节 综合机械化工作面顶板控制设计综合机械化工作面顶板控制设计 第五节第五节 单体液压支柱工作面顶板控制设计单体液压支柱工作面顶板控制设计2第页第一节第一节 顶板分类与底板特征顶板分类与底板特征一、对直接顶的分析：一、对直接顶的分析：1、定性分析：、定性分析：原生裂隙原生裂隙构造裂隙构造裂隙压裂裂隙压裂裂隙裂隙类型裂隙类型张张裂隙裂隙剪裂隙剪裂隙按按稳定状态稳定状态破碎顶板破碎顶板页岩、再生顶、煤顶中等稳定顶板中等稳定顶板砂页岩、粉砂岩完整顶板完整顶板砂岩、坚硬砂页岩3第页4第页2、定量分析：、定量分析： 按直接顶初次垮落步距分按直接顶初次垮落步距分不稳定顶板不稳定顶板中等稳定顶板中等稳定顶板稳定顶板稳定顶板3、 雅格比分类法：雅格比分类法： 端面破碎度端面破碎度端面破碎面积与 梁端无支护面积之比。冒落敏感度冒落敏感度 E端面距为1米时 的端面破碎度。一类一类二类二类三类三类5第页二、对老顶分析：二、对老顶分析： 无来压无来压 来压明显来压明显 来压严重来压严重 坚硬顶板坚硬顶板 塑性顶板塑性顶板直接顶厚度与采高的比值：直接顶厚度与采高的比值：5，无周期来压或周期来压不明显顶板；，无周期来压或周期来压不明显顶板；52，有周期来压顶板；，有周期来压顶板；2，周期来压严重顶板。，周期来压严重顶板。6第页三、顶板分类方案：三、顶板分类方案： 1、分类目的：分类目的： 规范化、科学化、系列化规范化、科学化、系列化 2、分类方案：、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依据直接顶厚高比、老顶来压步距将老顶分为4级。级。 直接顶：直接顶： 分为四类，其中分为四类，其中1、2类各分为两个亚类；类各分为两个亚类； （不稳定、中稳、稳定、非常稳定） 老老 顶：依据老顶初次来压当量将老顶分为顶：依据老顶初次来压当量将老顶分为4级。级。 （来压不明显、明显、强烈、非常强烈）7第页顶板分类名称含义：顶板分类名称含义：直接顶：直接顶： 一类一类 二类二类 三类三类 四类四类 不稳定不稳定 中等稳定中等稳定 稳定稳定 坚硬坚硬老老 顶：顶： 1级级 2级级 3级级 4级级 来压不明显来压不明显 来压明显来压明显 来压强烈来压强烈 来压极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。8第页9第页四、底板特征：四、底板特征： 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 整体剪切整体剪切 局部剪切局部剪切 其它剪切其它剪切 穿鞋破坏穿鞋破坏1、底板的力学特征、底板的力学特征 2、底板比压、底板比压底板单位面积所受支架的压力底板单位面积所受支架的压力支柱插入底板的破坏形式支柱插入底板的破坏形式10第页 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，不宜使用木柱鞋抗压强度较低，不宜使用11第页12第页第二节第二节 采场支架类型与特性采场支架类型与特性一、支架类型：一、支架类型：单体支架单体支架液压支架液压支架普通支架普通支架端头支架端头支架大采高支架大采高支架放顶煤支架放顶煤支架液压支架的应用范围正在逐步扩大支撑式支撑式 掩护式掩护式 支撑掩护式支撑掩护式木支架木支架木柱+木梁摩擦金属支架摩擦金属支架摩擦柱+铰接金属梁单体液压支架单体液压支架液压柱+铰接金属梁13第页二、支架的工作特性：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：、支柱特性： 支柱力学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14第页2、支柱的工作阻力：、支柱的工作阻力： 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） 初撑力初撑力支柱刚架设时对顶板支撑力； 始动阻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； 额定工作阻力额定工作阻力支柱所能承受的最大载荷。15第页3、支撑系统工作特性：、支撑系统工作特性： 支撑系统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16第页 安全规程规定：安全规程规定： 禁止将支柱架设在浮煤、浮矸上。 技术要求：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）17第页三、液压支柱：三、液压支柱： 1、类型：、类型： 内注液式：内注液式：NDZ 外注液式：外注液式：DZ 2、结构：结构： 3、DZ系列：系列： 4、型号：、型号： DZ 2230/100DZ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18第页 5、初撑力：、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：、液压支柱工作原理：升柱； 工作；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19第页带帽点柱的布置方式带帽点柱的布置方式 a矩形排列； b三角形排列 四、单体支架布置方式：四、单体支架布置方式：1、带帽点柱、带帽点柱矩形、三角形布置矩形、三角形布置20第页连锁式及对接式走向棚连锁式及对接式走向棚a连锁上行式；连锁上行式；b连锁下行式；连锁下行式；c连锁混合式；连锁混合式；d对接式对接式 2、棚子支护、棚子支护顺板（两柱、三柱）顺板（两柱、三柱） （倾斜棚）（倾斜棚） 横板（两柱）横板（两柱） 连锁（上行式、下行式、混合式）连锁（上行式、下行式、混合式）21第页倾斜棚倾斜棚 机组工作面的悬臂支护机组工作面的悬臂支护a正悬臂；正悬臂； b倒悬臂倒悬臂3、悬臂梁支护、悬臂梁支护正悬臂、正悬臂、 倒悬臂倒悬臂22第页齐梁直线柱布置齐梁直线柱布置 错梁直线柱布置错梁直线柱布置4、悬臂梁支架的布置方式：、悬臂梁支架的布置方式： 常用错梁直线柱23第页5、特种支架：、特种支架： 丛柱丛柱 排柱（密集）排柱（密集） 直线木垛直线木垛 三角木垛三角木垛 斜撑（戗柱）斜撑（戗柱） 抬棚抬棚24第页特种支架的主要作用：特种支架的主要作用： 增加支撑力增加支撑力丛柱、排柱、抬棚丛柱、排柱、抬棚 增强稳定性增强稳定性木垛、斜撑（戗柱）、抬木垛、斜撑（戗柱）、抬棚棚25第页6、架设金属单体支架的技术要求：、架设金属单体支架的技术要求：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。 26第页五、液压支架：五、液压支架： 1、分类：、分类： 按支撑面积与掩护面积比值分类按支撑面积与掩护面积比值分类支撑式支撑式支撑掩护式支撑掩护式掩护支撑式掩护支撑式掩护式掩护式支撑式掩护支撑式支撑掩护式掩护式27第页 支撑式支撑式 按支架结构分类：按支架结构分类： 掩护式掩护式 支撑掩护式支撑掩护式2、支撑式支架支护分析：、支撑式支架支护分析：工作特点：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：优点：通风断面大、行人方便、结构简单、重量轻； 适用于：适用于：顶板稳定，有来压，瓦斯大的工作面。 28第页3、支掩式掩护支架分析：、支掩式掩护支架分析： 工作特点：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：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29第页第三节第三节 回采工作面支架与围岩相互作用原理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：一、支架与围岩的相互作用：1、支架与围岩相互作用体系：、支架与围岩相互作用体系：1）横向：）横向： “煤体煤体支架支架垮落矸石垮落矸石”支撑系统支撑系统煤体煤体支架支架垮落矸石垮落矸石30第页“煤体煤体支架支架垮落矸石垮落矸石”支撑系统：支撑系统： 煤体、垮落矸石为平衡结构支点（拱脚），需煤体、垮落矸石为平衡结构支点（拱脚），需承受更多载荷；承受更多载荷； “煤体煤体支架支架垮落矸石垮落矸石”支撑系统为静不定系支撑系统为静不定系统，刚度大的承受载荷也大；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；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。支架受到保护，刚度较小，承载较小。31第页 2）纵向：）纵向： “老顶老顶直接顶直接顶支架支架底板底板”支撑系支撑系统统老顶老顶直接顶直接顶支架支架底板底板 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。32第页2、支架与围岩相互作用的特点：、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；）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；）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33第页4）支架结构及尺寸对顶板压力具有影响：）支架结构及尺寸对顶板压力具有影响： 支架受力支架受力 = 顶板压力；顶板压力； 支架结构影响其特性，支架结构影响其特性， 继而影响其受力大小；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支架受力大小与分布即 为顶板压力的大小与分布。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）34第页3、支架工作阻力与顶板下沉量的关系：、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：由调压实验得到： 平平 时时来压时来压时35第页36第页2）由）由 曲线：曲线： 结论：结论： 关系为双曲线关系；关系为双曲线关系； 在某一工作阻力以上，在某一工作阻力以上， 而而 减少甚微；减少甚微； 在某一工作阻力以下，在某一工作阻力以下， 则则 急剧增加；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；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，不同工作面， 曲线不同。曲线不同。 合理工作阻力为拐点对应的工作阻力合理工作阻力为拐点对应的工作阻力37第页二、采场支架的工作状态：二、采场支架的工作状态： 1、支架与围岩体系的刚度：、支架与围岩体系的刚度： 1）组合刚度：）组合刚度： 并联：并联： 串联：串联：并联并联 串联串联 38第页2）支架的刚度：）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：直接顶的刚度： 式中： 直接顶弹性摸量； 直接顶高度与支架承载宽度比值。似刚性中间型刚度似零刚度39第页4）底板的刚度：）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：）支架与围岩体系的刚度： 当底板影响小时当底板影响小时（穿鞋或坚硬）： 当直接顶刚度当直接顶刚度 时：时： 当直接顶为中间型刚度时，与支架组成系统刚度。当直接顶为中间型刚度时，与支架组成系统刚度。40第页2、支架的工作状态：、支架的工作状态： 给定载荷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。 给定载荷给定载荷增大稳定性；增大稳定性； 支架支架 给定变形给定变形增大支撑力、可缩性。增大支撑力、可缩性。41第页第四节第四节 综采面顶板控制设计综采面顶板控制设计一、概述一、概述 1、选型步骤：、选型步骤： 1）确定顶、底板类型（直接顶、老顶、直接底）；）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）；）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；）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）；）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；）确定顶梁、护帮及侧推结构； 6）确定底座参数；）确定底座参数； 7）进行支架参数优化。）进行支架参数优化。 重要内容：重要内容：支架额定强度、架型支架额定强度、架型42第页43第页2、架型选择：、架型选择： 分析比较法：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：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。44第页二、液压支架参数：二、液压支架参数： 1、工作阻力：、工作阻力： 估算法：估算法： 实测法：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=11.3，此时：45第页经验公式：经验公式： （煤炭科学研究总院） 级老顶：级老顶： 级老顶：级老顶：（额定支护强度；采高；周压步距；控顶高度；直接顶厚度/采高）老顶初压步距； 备用系数46第页 理论分析法：理论分析法： 式中：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。 47第页 液压支架额定工作阻力：液压支架额定工作阻力： 式中：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0.90.95支掩式 0.650.75支顶式0.80.9支撑掩护0.80.9548第页2、初撑力：、初撑力： 提高初撑力可提高初撑力可 初撑力确定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。实测初撑力为额定阻力的0.714合理初撑力为额定阻力的0.60.851、2类顶板初撑力为额定阻力的0.750.852、3类顶板初撑力为额定阻力的0.60.7549第页第五节第五节 单体液压支柱工作面顶板控制单体液压支柱工作面顶板控制 一、顶板控制的原则：一、顶板控制的原则： 1、目标、目标 2、原则、原则消除冒顶隐患，防止冒顶事故；将顶板下沉量控制在一定限度内；费用最少。初撑力可平衡垮落带岩层重量；可缩量能适应裂隙带岩层的下沉；可切断近距薄层老顶；能防止顶板岩层的失稳性破坏；保证顶板处于良好状态。50第页二、单体支架工作面顶板控制设计：二、单体支架工作面顶板控制设计： （设计内容包含：支柱类型、规格选择，支柱的额定阻力、初撑力确定，支架顶梁选择，支架布置形式，支护强度及支柱密支护强度及支柱密度度，排柱距及特殊支架布置等） 1、工作面合理支护强度的确定：、工作面合理支护强度的确定： 一般按老顶初次来压最不利状态进行计算：51第页 合理支护强度：合理支护强度： （支架承受直接顶重量及老顶重量的一半） 其中：其中：考虑支撑合力作用位置及附加载荷后的悬顶系数。52第页2、支柱有效支撑能力的确定：、支柱有效支撑能力的确定： 支柱有效支撑能力支柱有效支撑能力在允许的顶板下沉量范围内，所有支 柱所能达到的工作阻力的平均值。 （有效支撑能力额定工作阻力） 1）支柱不钻底，支护质量正常时：）支柱不钻底，支护质量正常时： 式中： 支柱承载不均匀系数（0.80.9）； 增阻系数(0.90.95)； 支柱回撤前所能达到的理论工作阻力，kN/柱。 53第页 2）支柱发生钻底时：）支柱发生钻底时： 式中： 与底板抗压入强度相对应的支柱工作阻力； 考虑支柱钻底式的不均匀系数，增阻系数。3、支柱密度及柱距确定：、支柱密度及柱距确定： 排距 a 与截深匹配；柱距 b 排距为0.8时，k=1.2;排距为1m时，k=1.1排距为1.2时。K=1.054第页 用单体支柱用单体支柱 + 铰接顶梁时，柱距不小于铰接顶梁时，柱距不小于0.5米；米； 破碎顶板、网下开采时，任何梁，柱距不小于破碎顶板、网下开采时，任何梁，柱距不小于0.7米。米。 4、支柱初撑力：、支柱初撑力： 增加初撑力，可预防直接顶离层，使支柱更快达到增加初撑力，可预防直接顶离层，使支柱更快达到工作阻力以平衡垮落带岩重。工作阻力以平衡垮落带岩重。 应使初撑力尽量等于额定工作阻力；应使初撑力尽量等于额定工作阻力； 一般条件下，初撑力应不低于额定一般条件下，初撑力应不低于额定阻力的阻力的70%80%70%80%。55第页 5、支护系统刚度：、支护系统刚度： 支护系统刚度支护系统刚度单位顶底板相对移近量所对应的支柱 工作阻力增量。 （支护系统刚度受系统内组成部分影响） 从有效控制顶板角度看， 支护系统刚度越大越好。 （支柱钻底超过100mm，则需要穿铁鞋）56第页 插背物目前的背顶材料，压缩率可达50%，一般在 50kN前即可完成，压缩量大，刚度小； 顶 梁金属顶梁不可压缩，可认为是刚性； 底 板砂页岩、砂岩等中硬、坚硬岩层刚性较大， 煤、泥岩、页岩等较软岩层刚度小，影响系 统刚度； 支 柱单体液柱刚度比较理想； （初撑力高，可压缩背顶物等材料，使系统刚度增加）57第页增大工作面支护强度增大工作面支护强度 顶底板相对移近量；顶底板相对移近量； 端面冒高；端面冒高； 顶板台阶下沉量。顶板台阶下沉量。 则可减少则可减少提高支柱初撑力提高支柱初撑力提高支柱密度提高支柱密度提高支护系统刚度提高支护系统刚度均可提高支护强度均可提高支护强度58第页三、单体支柱工作面支护强度的实测统计三、单体支柱工作面支护强度的实测统计： （可选用） （依据统计公式定量确定支护强度、支柱密度） 1、单体支柱的支护强度：、单体支柱的支护强度： 式中： 备用系数，一般取1.21.4； 老顶级别采高 m130033041023253504203350380430单体工作面支护强度 下限59第页2、单体支柱密度选择：、单体支柱密度选择： 1）按直接顶稳定性确定支柱密度：）按直接顶稳定性确定支柱密度：稳定性级别1类（不稳定）2类（中等稳定）3类（稳定）1a1b支柱密度上限2.251.7851.431.25支柱密度下限2.081.431.251.04各类直接顶的支柱密度60第页2）按必需的支护强度验算支柱密度：）按必需的支护强度验算支柱密度： 式中：式中： 单体支柱工作阻力；单体支柱工作阻力； 支护强度；支护强度； 支柱密度。支柱密度。 支柱系列DZ-300/100DZ-250/80DZ-150/63初阻力117.575.349额定阻力300250150单体支柱工作阻力实测阻力与初撑力相近，可用初撑力 代替 。61第页 必需的初撑支护强度必需的初撑支护强度 由由 替代：替代： 支柱密度验算：支柱密度验算： 单体支架工作面单体支架工作面 可通过调整支架密度来增大支护强度可通过调整支架密度来增大支护强度