單體支柱工作面支護設計

2.單體支柱工作面支護設計

2.1選擇頂板處理方法2.2確定合理支護方式2.3確定工作面控頂距2.4計算合理支柱密度2023/2/4山東科技大學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；層狀堅硬頂板（厚度不超過5m）運動形式轉(zhuǎn)化法；厚層堅硬頂板特殊處理法。厚層堅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)濟的方法，在條件允許時，應優(yōu)先選擇。2023/2/4山東科技大學32.1.2緩慢下沉法

煤層上方覆蓋層由塑彎性能強的石灰?guī)r或泥質(zhì)頁巖組成時，頂板可能隨工作面推進而彎曲下沉，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。2023/2/4山東科技大學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)強放圖2.1緩慢下沉頂板采空區(qū)充填與強制放頂2023/2/4山東科技大學5

2023/2/4山東科技大學6

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

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

層狀堅硬頂板的初次垮落一般存在兩種運動形式：一是彎沉運動形式；二是剪切運動形式。2023/2/4山東科技大學82.1.3.2剪切運動形式向彎沉運動形式轉(zhuǎn)化的處理措施（Ⅰ）擴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92.1.3.3頂板處理

對頂板進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

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

在厚煤層分層開采或近距離煤層開采的條件下，當先采上分層或上層時，頂板具有剪切運動的危險時，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，原來具有剪切運動特征的頂板，經(jīng)歷一次采動影響的破壞后，其強度有明顯的降低，在重新開采時，有可能將其剪切運動轉(zhuǎn)化成彎沉運動。采用反程序開采的方法，由于無需對頂板和煤層進行人工處理，因此它是最經(jīng)濟的方法，在條件具備時，也應優(yōu)先選擇。2023/2/4山東科技大學112.2確定合理支護方式

支護方式一般分為基本支護和特種支護兩類。基本支護要求支架在頂板不發(fā)生特殊情況時，能支和護住頂板。特種支護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。兩種支護的作用是相輔相成的。2023/2/4山東科技大學122.2.1基本支護方式的確定

在單體支柱工作面，基本支護方式一般分為點柱和棚子支護兩類。影響支護方式的因素主要有下位直接頂?shù)耐暾?、成組節(jié)理裂隙的方向、傾角、頂板壓力等。2023/2/4山東科技大學132.2.1.1點柱

點柱支護方式一般用于下位直接頂堅硬完整的回采工作面，為了防止柱帽在頂板接觸點處滑動，一般在柱帽上墊厚小于5cm的木帽。先是根據(jù)進尺確定點柱支護的排距，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142.2.1.2掛梁支護

掛梁支護的基本內(nèi)容有：掛梁方向、掛梁方式、護頂方式。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）護頂方式。護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152.2.2特種支護的選擇

特種支護主要用來防止頂板事故，它是基本支護的“加強”和“補充”。特種支護一般用于事故多發(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162.2.2.1放頂線的特種支護

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

端頭是事故多發(fā)地段，因此，也是支護的重點。端頭特種支護要求整體性強，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18（Ⅰ）四對八根長梁端頭支護2023/2/4山東科技大學19（Ⅱ）十字頂梁端頭支護2023/2/4山東科技大學20（Ⅲ）木垛(Ⅳ)機巷破頂掘進采場下端頭的特種支護2023/2/4山東科技大學212.2.2.3煤壁處的特種支護1）防止破碎頂板在機道處垮落的貼幫柱；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

全承載支護是指將末排回下的支柱，支到前排支柱的內(nèi)側(cè)，這樣既可加強后排的支護，又可保護支柱。因此，應提倡采用全承載支護。全承載支護也可看成是一種最基本的特種支護。2023/2/4山東科技大學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23

2023/2/4山東科技大學242.3.2影響控頂距的因素

復合頂板下處于不同推進階段、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（頂梁長度、進尺、放頂距等）、瓦斯、采高、傾角等。2023/2/4山東科技大學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的表達式計算。2.3.3.2復合頂初次垮落期間的控頂距

根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，此階段一般采用4～5硐控頂。尤其在下位直接頂厚度1.5m以下且比較堅硬的回采工作面。2023/2/4山東科技大學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27

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2023/2/4山東科技大學292.3.3.5堅硬直接頂采場的控頂距

當堅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大控頂距2.3.3.8團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312.4計算合理支柱密度2.4.1頂板支和護的關(guān)系

1）頂板支護包括支和護兩個方面，“支”的對象，重點是基本頂和堅硬直接頂；“護”的對象，主要是煤層上0.5m范圍內(nèi)的直接頂或偽頂。

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

2023/2/4山東科技大學332.4.2.2護密度的確定

護頂?shù)臏蕜t是：所選棚距應保證不因護頂材料強度不足而發(fā)生冒頂事故及金屬網(wǎng)下不出現(xiàn)網(wǎng)兜。

其力學保證條件是：護頂材料能托住兩棚間破碎巖體的重量。

護密度主要由直接頂（包括偽頂）的完整性指數(shù)和護頂材料的強度決定，由于不同材料的強度差別很大，因此，同樣頂板條件的采場，護密度可能因護頂材料的不同而不同。2023/2/4山東科技大學34案例中平能化集團大莊礦己18－25050工作面的支護設計2023/2/4山東科技大學35炮采工作面回采工藝技術(shù)裝備簡單，投資少，見效快，適應性強，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)造復雜區(qū)域及中小型煤礦仍在使用。2023/2/4山東科技大學36中小型煤礦仍在使用炮采，工作面支護設計是《作業(yè)規(guī)程》編制時必須計算的，本節(jié)闡述中平能化集團大莊礦己18－25050工作面的支護設計。2023/2/4山東科技大學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)，地面標高190～196m，工作面底板標高－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38表1工作面頂?shù)装迩闆r

2023/2/4山東科技大學392采煤工作面支護設計2.1工作面支柱規(guī)格選擇（1）支柱最大高度計算Hmax＝Mmax－b0＝1.6－0.1＝1.5（m）（2）支柱最小高度計算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大于計算所需高度1.5m；支柱最小高度0.98m小于計算所需支柱高度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、加強支護、端頭支護與備用量的要求，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42

2023/2/4山東科技大學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442.4工作面支護密度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，完全可以滿足支護強度及支護密度、的要求。2023/2/4山東科技大學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462.7兩巷超前支護設計

兩巷超前支護使用單體液壓支柱配合金屬鉸接頂梁支護，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