支架支護與破壞

1、第四組劉浩 郭擎 劉磊 程亮 霍亮 巖土工程課程作業(yè)目錄一、概述二、工作面支架-圍巖相互作用原理三、工作面支架支護阻力的確定四、巷道支架-圍巖相互作用原理五、巷道支架參數(shù)的確定六、巷道支架的破壞特征七、結(jié)語一、一、概述 礦山壓力和圍巖控制是伴隨井工開采全過程的問題，也是涉及井下作業(yè)安全和煤礦企業(yè)經(jīng)濟效益的重大問題。 我國回采工作面的支架阻力利用率僅為50%左右，同時回采巷道支護落后于回采工作面支護，巷道頂板事故頻發(fā)，造成了資源的浪費。二、工作面支架二、工作面支架- -圍巖相互作用原理圍巖相互作用原理1. 工作面支承壓力的形成2.工作面前后方支承壓力分布3.工作面支撐系統(tǒng)4.工作面支架與圍巖的相

2、互作用關(guān)系 當煤體未采動前，煤體內(nèi)的應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，煤體上所受的力為上覆巖層的重力H。v 開掘切割眼后，切割眼兩幫煤體產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，上部頂板形成自然平衡“壓力拱”，切割眼處于減壓狀態(tài) 。其中的集中應(yīng)力稱為支承壓力。它的大小為原始應(yīng)力H的1.252.5倍，最大值可為原始應(yīng)力的25倍或更大。1. 工作面支承壓力的形成a切眼寬度；Q切眼上部巖體重量；H煤層距地面深度；上覆巖層的容重工作面圍巖應(yīng)力分布a增壓區(qū)b減壓區(qū)c穩(wěn)壓區(qū)2. 工作面前后方支承壓力分布 工作面推進，切割眼擴大,壓力拱消失；工作面前方的煤體產(chǎn)生支承壓力帶，工作面后方采空區(qū)被充填物壓實到一定程度后，也產(chǎn)生支承壓力帶； 兩個承壓帶隨

3、工作面推進而移動，即移動支承壓力。. 煤體、垮落矸石為平衡結(jié)構(gòu)支點（拱腳），承受更多載荷；支架受到保護，剛度較小，承載較小。 此支撐系統(tǒng)為靜不定系統(tǒng)，剛度大的承受載荷也大剛度大的承受載荷也大； 3.工作面支撐系統(tǒng)橫向：煤體支架垮落矸石 3.工作面支撐系統(tǒng) 縱向：基本頂直接頂支架底板 支架載荷來源：a.直接頂松散體載荷，在基本頂滑落失穩(wěn)時,包括部分基本頂及其負載的壓力;b.基本頂斷裂回轉(zhuǎn)迫使直接頂變形而形成的變形壓力，決定于基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)角及直接頂本身的剛度。 在此支承系統(tǒng)中，可以認為底板剛度影響有限，系統(tǒng)的剛度主要由直接頂和支架的剛度組成。4.支架與圍巖的相互作用關(guān)系K-剛度 ,kN/mm; S

4、-變形量,mm;r-頂板；s-支架 此時 Sr 與Ks 呈雙曲線關(guān)系。即隨著支架剛度的增大，支架承載能力增強，頂板的下沉量減少。支架工作阻力P與頂板下沉量 關(guān)系圖 平平 時時周期來壓時周期來壓時L 結(jié)論： 支架工作阻力與頂板下沉量的關(guān)系實質(zhì)上是由支架與直接頂相互作用支架與直接頂相互作用的結(jié)果。當直接頂剛度大于臨界值時，直接頂剛度越大，頂板下沉量越大，與基本頂位態(tài)無關(guān)；當直接頂剛度減少至似零剛度時，兩者關(guān)系則不再具有典型的類似雙曲線關(guān)系，結(jié)果同樣與基本頂?shù)奈粦B(tài)無關(guān)。 直接頂介質(zhì)剛度的變化，會導(dǎo)致兩者關(guān)系的根本性變化。采場支架工作阻力并不能改變上覆采場支架工作阻力并不能改變上覆巖層總體活動規(guī)律巖層

5、總體活動規(guī)律。三、三、確定確定工作面支架工作面支架支護阻力支護阻力1.選定支架規(guī)格 (1)單體支架規(guī)格選定的方法及步驟 (2)液壓支架規(guī)格的選定方法2.確定支架支護阻力 確定初撐力 確定最大工作阻力確定工作面支架類型:單體支架，液壓支架 液壓支架：支撐式，掩護式，支撐掩護式確定架型后主要是選定支架高度和可縮量1.選定支架規(guī)格 頂板最大下沉量S SL L估算式： SLML下沉系數(shù)(0.0250.05);M煤層采高;L控頂距求支柱最大高度Hmax=Mmaxb b頂梁厚度；求支柱的最小高度HminMminSLba a支柱回柱放頂時必要的卸載高度,一般取50mm根據(jù)SL,確定支架的型號,根據(jù)Hmax及

6、Hmin確定規(guī)格。首先確定煤層的最大采高Mmax及最小采高Mmin確定頂板在最大控頂距處的平均最大下沉量SL,支架最大可縮量必須大于此值。(1)單體支架規(guī)格選定的步驟:1.選定支架規(guī)格確定最大采高Mmax，最小采高Mmin；確定支架在最大采高時前柱的頂板下沉量S1；確定在最小采高時，后柱頂板最大下沉量S2；確定支架最大、最小高度Hmax=MmaxS1 HminMminS2aa支架卸載高度,一般取50mm(2)液壓支架規(guī)格的選定方法1.選定支架規(guī)格2.確定支架支護阻力對支架圍巖支架系統(tǒng)而言：PP0KS P支架工作阻力 P0初撐力 可見，提高P0有利預(yù)先壓實頂?shù)装?，提高系統(tǒng)剛度，提高工作阻力P，降

7、低頂板下沉量S. 因此，要保證支架對頂板的有效支護，要有一合適的初撐力。工作面合理工作阻力的確定應(yīng)包括P0，與最大工作阻力的確定。下面分別加以介紹。 確定初撐力支架設(shè)計的初撐力一般為支架額定工作阻力的80左右。采場支架的初撐力應(yīng)能平衡冒落帶直接頂巖層重量。對單體支架工作面：即： h直接頂厚度，n支護密度，n1/aba排距;為采煤進度或采煤機截深的整數(shù)倍.如截深為0.5或1m,a1m;截深為0.8m,a=0.8m;截深為0.6m，a1.2m。b柱距，一般0.5mb1mnhP0 當煤層為傾斜煤層時（傾角為），則支架初撐力不僅應(yīng)能平衡冒落帶直接頂重量，還應(yīng)能防止頂板沿傾向滑動失穩(wěn)，此時初撐力P0滿足

8、： P0hr（cos+sin/f）/n f頂板巖層間摩擦系數(shù)，一般取0.3 較大初撐力能使支架較快達到工作阻力，減慢頂板的早期下沉速度，增加頂板的穩(wěn)定性。但對乳化液泵站和液壓元件的耐壓要求提高。 一般取初撐力為(0.60.8)倍的工作阻力。 確定最大工作阻力以采高的倍數(shù)進行估算 M煤層采高；r巖層容重；n支護密度現(xiàn)場測定 PH=Pt+2t 實測支架工作阻力平均值 t 實測支架工作阻力均方差 Pt 受支架架型和初撐力大小影響nMPH84HP支撐效率；有效工作阻力與支架工作阻力之比值。支撐式支架支撐效率為100%；掩護式和支撐掩護式支架頂梁與掩護梁鉸接，立柱斜撐，支撐效率小于1，初選支架時可取80

9、%左右四、巷道支架四、巷道支架- -圍巖相互作用原理圍巖相互作用原理1. 巷道變形規(guī)律2. 巷道變形原因分析3.巷道支架與圍巖的關(guān)系4.工作面支架與圍巖的相互作用關(guān)系1.巷道變形規(guī)律u1、u2、u3、u4、u5下沉曲線圍巖不均勻整體下沉和局部上升（1）深部地壓造成變形； 深部開采時，以自重應(yīng)力為主的地應(yīng)力增加，當其超過圍巖自身強度時，巷道破壞，這是礦井深部巷道破壞的主要原因。（2）地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力的作用造成變形； 開挖巷道后，巖層在長期地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力作用下儲存的變形能得到釋放，使得巷道產(chǎn)生變形，構(gòu)造應(yīng)力的作用，使巷道變形具有明顯的方向性。（3）采動影響造成巷道變形； 采場的上下兩端形成固定支撐壓力影

10、響區(qū)，采場下部形成移動壓力影響區(qū)。由于開采后圍巖應(yīng)力重新分布，對周圍巷道造成影響，這種影響成為巷道破壞的主要原因。2.巷道變形原因分析塑性圈與松動圈 巷道周圍巖體發(fā)生破裂和松動的區(qū)域，通常稱為松動圈。其范圍一般為0.51.5m，它與巖體性質(zhì)及抗壓強度等有關(guān)。 在集中應(yīng)力作用下，當巷道圍巖所受應(yīng)力超過其屈服強度時，產(chǎn)生塑性變形，在巷道周圍形成塑性變形區(qū)，其邊界稱為塑性圈。圈內(nèi)巖體裂隙增多。喪失部分承載能力，使巷道周邊附近巖石承受的一部分應(yīng)力轉(zhuǎn)移給鄰近的一定深度的巖體，因而塑性圈也隨之逐步擴展到巖體內(nèi)的一定深度。支架作用支架作用 ：緩和及減少圍巖移動，抑制頂板離層，減少頂板下沉量，防止松動圍巖冒落

11、，阻止煤壁片幫等。圍巖作用：圍巖作用：圍巖既是支架壓力的來源，又是部分壓力的承載體。在開掘巷道以后形成的“支架圍巖”力學(xué)平衡系統(tǒng)中，圍巖通常承受著大部分的巖層壓力。支護方式應(yīng)合理利用圍巖自承力支護方式應(yīng)合理利用圍巖自承力 ：在巷道支護過程為了充分利用圍巖的自承力，要允許圍巖產(chǎn)生某些變形，這種變形會使圍巖中的能量得到一定釋放，從而起到適當?shù)摹靶遁d作用”，這將有利于減輕支架受載。然而從安全觀點來看，這種變形又是應(yīng)當有限制的，不能允許它發(fā)展到有害或危險的程度。3.巷道支架與圍巖的關(guān)系 支架與圍巖相互作用和共同承載原理支架與圍巖相互作用和共同承載原理 3.巷道支架與圍巖的關(guān)系 綜合以上幾點可以認為：在

12、圍巖發(fā)生松動和破壞在圍巖發(fā)生松動和破壞以前安設(shè)支架以前安設(shè)支架可以起到凋節(jié)與控制圍巖變形的作用，以便使支架在圍巖尚保持有自承力的情況下與其共同起承載作用，而不是等圍巖已發(fā)生松散、破壞，幾乎完全喪失支承力的情況下再用支架去承擔已冒落巖塊的重量。 為了充分利用圍巖的自承力，在開掘巷道后應(yīng)使開掘巷道后應(yīng)使安設(shè)支架的時間推遲一些安設(shè)支架的時間推遲一些，以使得圍巖通過變形釋放能量減輕支架受載，然而由于安全方面的原因，支護時間又不宜過晚。為了解決這個矛盾，希望找到一個既允許圍巖產(chǎn)生一定變形又不致造成圍巖破壞的兩全其美的解決辦法，例如“二次支護”“柔性支護”和“帶有變形空間支護”。 五、巷道支架基本參數(shù)的確

13、定五、巷道支架基本參數(shù)的確定1.巷道支架類型及其選擇2.巷道基本支架參數(shù)的確定1)木材支架木材支架 ：巷道掘進盡量不用木材支擴，對新建礦井，從設(shè)計上禁止采用木材支護。 2)金屬支架金屬支架 (1)拱形可縮性金屬支架拱形可縮性金屬支架 能夠適應(yīng)采區(qū)巷道受動壓影響較大的情況 。拱形可縮性金屬支架的缺點是：在煤層開采厚度較小的情況下掘進巷道時，往往需要進行挑頂，不利于保持巷道頂板的完整性和穩(wěn)定性；在工作面與巷道連接處比較難以安裝；在非機械化掘進的條件下，拱形巷道斷面施工也比較困難。1.巷道支架類型及其選擇根據(jù)圍巖性質(zhì)、圍巖變形量、主要來壓方向以及巷道尺寸根據(jù)圍巖性質(zhì)、圍巖變形量、主要來壓方向以及巷道

14、尺寸選擇巷內(nèi)基本支架選擇巷內(nèi)基本支架 3)石材整體式支架石材整體式支架(簡稱石材支架或砌碹)是指用料石、混凝土或鋼筋混凝土砌筑成的連續(xù)整體式支架。當側(cè)壓大時，直墻宜改為曲線形；如底鼓嚴重時，應(yīng)砌筑反拱。(2)梯形金屬支架。梯形金屬支架。梯形金屬支架掘進施工簡便，斷面利用率高，有利于保持頂板完整性，巷道與工作面連接處支護作業(yè)簡單，但支架承載能力較小。因此梯形支架通常適用于開采深度不大、斷面較小、壓力不太大的巷道。梯形支架有剛性與可縮性兩種。剛性梯形支架通常為工字鋼或槽鋼制成。適用于圍巖變形較小的巷道。梯形可縮性支架可用在圍巖變形較大的巷道中。 2.巷道基本支架參數(shù)的確定(一一)巷內(nèi)基本支架參數(shù)的

15、確定巷內(nèi)基本支架參數(shù)的確定 巷道支護參數(shù)主要包括支架可縮量、支護強度、支護密度等。應(yīng)根據(jù)巷道圍巖條件來確定。(二二)巷旁支護參數(shù)的確定巷旁支護參數(shù)的確定 可縮量大的巷旁支護應(yīng)當適應(yīng)基本頂巖層的沉降，并能控制懸頂范圍內(nèi)的直接頂。從提高對直接頂?shù)目刂菩Ч麃砜?，巷旁支護的可縮量可稍小于巷內(nèi)支架的可縮量，初期增阻速度越快越好，支護強度應(yīng)高于巷內(nèi)支架。 有限可縮量的強力切頂巷旁支護應(yīng)當有足夠的切頂能力 對于堅硬頂板采用沿空留巷時，必須采取強制放頂措施。 v 變形壓力：由圍巖產(chǎn)生指向巷道的位移時擠壓支護體而造成的壓力。在“圍巖支架”力學(xué)體系中，只要圍巖變形而支護體又限制其變形，圍巖就對支護體施加變形壓力。

16、變形壓力和支護體的剛度有關(guān)。在一定的條件下，支護體剛度越大，變形壓力也越大。圍巖變形不僅包括彈性變形，塑性變形，而且還包括與時間有關(guān)的流變變形。對于松軟巖體尤為明顯，其值遠比彈、塑性變形大，而且隨時間而不斷增加,因而支護體所受到的變形壓力也不斷增加。六、巷道支架的破壞特征六、巷道支架的破壞特征 松脫壓力；由于地質(zhì)弱面的切割、采動引起的離層或巖塊冒落等原因所造成的松散巖體作用于支護結(jié)構(gòu)物上的壓力，稱散體地壓或松脫壓力。膨脹壓力，沖擊壓力料石碹支護頂板塌方料石碹支護頂板塌方鋼架支護發(fā)生冒頂八、八、結(jié)語 支架的支護阻力的確定并沒有很好的利用礦壓的研究成果，使得一些地方支護密度過大，造成了資源的浪費，

17、一些地方得不到足夠的支護，發(fā)生冒頂事故。參考文獻1 錢鳴高，繆協(xié)興，許家林.巖層控制中的關(guān)鍵層理論研究J.煤炭學(xué)報，1996，21(3)：225- 230.2 魯巖，樊勝強，鄒喜正.工作面超前支承壓力分布規(guī)律J.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2008，27（2）：184- 187.3 趙海云，馬文頂.采場支承壓力模擬控制探討J.礦山壓力與頂板管理，1998，21（3）：79- 80.4 錢鳴高，石平五，鄒喜正,等.礦山壓力與巖層控制M.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2003.5LYNES JA, LITTLEFAIR P J. Lighting energy savings from daylight:

18、estimation at the sketch J. Lighting Research Technology, 1990, 22(3): 129-137.6CARLO RATTI. Urban analysis for environmental prediction, PhD dissertationD. Cambridge: University of Cambridge, 2002.7TREGENZA PR. Mean daylight illuminance in rooms facing sunlit streetsJ. Building and Environment, 1995, 30(1):83-89.8 Syd S.peng et al. Mine roof geology information system: A method for quantitative void/fracture detection and estimation of rock strength for underground mine roof.,