回采工作面頂板控制與支護.ppt

1、第五章 回采工作面頂板控制與支護 本章介紹： 第一節(jié) 頂板分類與底板特征 第二節(jié) 采場支架類型與特性 第三節(jié) 采場支架與圍巖相互作用原理 第四節(jié) 綜合機械化工作面頂板控制設(shè)計 第五節(jié) 單體液壓支柱工作面頂板控制設(shè)計,第一節(jié) 頂板分類與底板特征 一、對直接頂?shù)姆治觯?1、定性分析：,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 梁端無支護面積之比。,冒落敏感度 E端面距為1米時 的端面破碎度。,二、對老頂分析：,無來壓 來壓明顯 來壓嚴重 堅硬頂板 塑性頂板,直接頂厚度與采高的比值：,5，無周期來壓或周期來壓不明顯頂板

2、； 52，有周期來壓頂板； 2，周期來壓嚴重頂板。,三、頂板分類方案： 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。 直接頂： 分為四類，其中1、2類各分為兩個亞類； （不穩(wěn)定、中穩(wěn)、穩(wěn)定、非常穩(wěn)定） 老 頂：依據(jù)老頂初次來壓當量將老頂分為4級。 （來壓不明顯、明顯、強烈、非常強烈）,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 堅硬 老 頂： 1級 2級 3級 4級 來壓不明顯 來壓明顯 來壓強烈 來壓極強烈,舉例： 二類2級頂板直接頂中等穩(wěn)定，老頂來壓明

3、顯。,四、底板特征：,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 穿鞋破壞,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,整體剪切當載荷達到某一值后（極限抗壓入強度）， 突然下降。 局部剪切沒有明顯的突破點，隨載荷增加，壓入深 度的變形率增長較快。 其它剪切界于二者之間，有突破點但不明顯，載 荷超過突破點后，壓入深度明顯增大。,木柱鞋抗壓強度較低，不宜使用,第二節(jié) 采場支架類型與特性 一、支架類型：,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)用范圍正在逐步擴大,支撐式 掩護式 支撐掩

4、護式,木支架木柱+木梁 摩擦金屬支架摩擦柱+鉸接金屬梁 單體液壓支架液壓柱+鉸接金屬梁,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，當頂梁為剛性材料時，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。 （撐力主動力； 阻力被動力） 初撐力支柱剛架設(shè)時對頂板支撐力； 始動阻力頂板壓力下，支柱開始下 縮時的阻力； 初工作阻力阻力由急劇增長到緩慢 增長的轉(zhuǎn)折點處阻力； 額定工作阻力支柱所能

5、承受的最大載荷。,3、支撐系統(tǒng)工作特性： 支撐系統(tǒng)圍巖與支撐物所構(gòu)成的力學(xué)系統(tǒng)。 支撐系統(tǒng) = 頂板 + 插背物 + 頂梁 + 支柱+（浮煤矸）+ 柱鞋 + 底板 支撐系統(tǒng)特性支撐系統(tǒng)受力作用而呈現(xiàn)的變形性質(zhì)。 在對頂板的支撐中，實際是 支撐系統(tǒng)工作特性在起作用。 支撐物的可縮性使支撐系統(tǒng)早期 發(fā)生較大變形，阻力上不去，頂板離 層。支柱插入底板可導(dǎo)致頂板管理惡 化。,正常情況,插入底板,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： 柱頂要插嚴背實； 煤底或軟巖底時，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：DZ 2、結(jié)構(gòu)： 3、DZ系列： 4

6、、型號： DZ 2230/100,DZ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)徑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：,升柱； 工作；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主進油路；8操縱閥,帶帽點柱的布置方式,a矩形排列； b三角形排列,四、單體支架布置方式： 1、帶帽點柱矩形、三角形布置,連鎖式及對接式走向棚 a連鎖上行式；b連鎖下行式；c連鎖混合式；d對接式,2、棚子支護順板（兩柱、三柱） （傾斜棚） 橫板（兩柱）

7、 連鎖（上行式、下行式、混合式）,傾斜棚,機組工作面的懸臂支護 a正懸臂； b倒懸臂,3、懸臂梁支護正懸臂、 倒懸臂,齊梁直線柱布置,錯梁直線柱布置,4、懸臂梁支架的布置方式：,常用錯梁直線柱,5、特種支架：,叢柱 排柱（密集） 直線木垛,三角木垛 斜撐（戧柱） 抬棚,特種支架的主要作用： 增加支撐力叢柱、排柱、抬棚 增強穩(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)及時運至地面檢修； 2)在支設(shè)金屬支柱時，應(yīng)采用升柱器，使之具有一定的初撐力； 3)嚴禁在一個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

8、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： 按支撐面積與掩護面積比值分類,支撐式 支撐掩護式 掩護支撐式 掩護式,支撐式,掩護支撐式,支撐掩護式,掩護式,支撐式 按支架結(jié)構(gòu)分類： 掩護式 支撐掩護式 2、支撐式支架支護分析： 工作特點： 支撐力大，適宜堅硬有來壓頂板； 反復(fù)支撐次數(shù)多，不適宜破碎頂板； 框式結(jié)構(gòu)，不能承受水平推力。 優(yōu)點：通風(fēng)斷面大、行人方便、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕； 適用于：頂板穩(wěn)定，有來壓，瓦斯大的工作面。,3、支掩式掩護支架分析： 工作特點： （支柱支撐在掩護梁上） 控頂距小，減少了對頂板的反復(fù)支撐次

9、數(shù) 結(jié)構(gòu)可承受一定水平推力； 適應(yīng)破碎頂板（擋矸，冒頂時可不勾頂） 缺點：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”支撐系統(tǒng)： 煤體、垮落矸石為平衡結(jié)構(gòu)支點（拱腳），需 承受更多載荷； “煤體支架垮落矸石”支撐系統(tǒng)為靜不定系 統(tǒng)，剛度大的承受載荷也大； 煤體剛度大于垮落矸石及支架，為主要承載體； 支架受到保護，剛度較小，承載較小。,2）縱向： “老頂直接頂支架底板”支撐系統(tǒng),老頂,直接頂,支架,底板,老頂以上巖層為載荷

10、； 直接頂、底板的剛度直接影響支架特性的發(fā)揮； 支架特性為插背物、頂梁、支柱、柱鞋的綜合性質(zhì)； 當其它結(jié)構(gòu)物剛度很大時，支撐系統(tǒng)的特性即為支柱的剛度； 在整個支架群中，該支撐系統(tǒng)的特性影響到支架所受載荷的大小。,2、支架與圍巖相互作用的特點： 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

11、大小； （支撐式大，掩護式小）； 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)壓實驗得到：,平 時,來壓時,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對應(yīng)的工作阻力,二、采場支架的工作狀態(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)

12、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?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?shù)装逵绊懶r（穿鞋或堅硬）： 當直接頂剛度 時： 當直接頂為中間型剛度時，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

13、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 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）估算支架所需支護強度（實測、來壓步距）； 3）初定額定支護強度、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、護幫及側(cè)推結(jié)構(gòu)； 6）確定底座參數(shù)； 7）進行支架參數(shù)優(yōu)化。 重要內(nèi)容：支架額定強度、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） 綜合評分法： 在特定的地質(zhì)、開采技術(shù)

14、條件下，對預(yù)選的各種支架對圍巖的適應(yīng)性及力學(xué)特性進行評價打分，綜合分數(shù)時考慮各項內(nèi)容的重要程度，選擇分數(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，并對支架參數(shù)進行優(yōu)化。,二、液壓支架參數(shù)： 1、工作阻力： 估算法： 實測法： 若允許3%支架時間加權(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)計值，則 k=11.3，此時：,經(jīng)驗公式： （煤炭科學(xué)研究總院） 級老頂： 級老頂：,（額定支護強度；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： 合理支護強度； 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

15、 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； 控頂長度； 支護強度。,支撐式0.90.95 支掩式 0.650.75 支頂式0.80.9 支撐掩護0.80.95,2、初撐力： 提高初撐力可 初撐力確定,減少頂板離層，增強頂板強度和穩(wěn)定性 提高對機道支撐，減少端面破碎度和煤壁片幫 壓實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。,實測初撐力為額定阻力的0.714 合理初撐力為額定阻力的0.60.85 1、2類頂板初撐力為額定阻力的0.750.85 2、3類頂板初撐力為額定阻力的0.60.75,

16、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 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： （設(shè)計內(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，支護強度及支柱密度，排柱距及特殊支架布置等） 1、工作面合理支護強度的確定： 一般按老頂初次來壓最不利狀態(tài)進行計算：,合理支護強度： （支架承受直接頂重量及老頂重量的一半） 其中：,考

17、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，支護質(zhì)量正常時： 式中： 支柱承載不均勻系數(shù)（0.80.9）； 增阻系數(shù)(0.90.95)； 支柱回撤前所能達到的理論工作阻力，kN/柱。,2）支柱發(fā)生鉆底時： 式中： 與底板抗壓入強度相對應(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 ,用單體支柱 + 鉸接頂梁時，柱距不小于0.5米； 破碎頂板、網(wǎng)下開采時，任何梁，柱距不

18、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、支護系統(tǒng)剛度： 支護系統(tǒng)剛度單位頂?shù)装逑鄬σ平克鶎?yīng)的支柱 工作阻力增量。 （支護系統(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50%，一般在 50kN前即可完成，壓縮量大，剛度??； 頂 梁金屬頂梁不可壓縮，可認為是剛性； 底 板砂頁巖、砂巖等中硬、堅硬巖層剛性較大， 煤、泥巖、頁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）,增大工作面支護強度 頂?shù)装逑鄬σ平浚?端面冒高； 頂板臺階下沉量。,則可減少,提高