采场支护设计

第二章采场“支架—围岩”关系（支护强度）的确定•支护强度研究现状•支架—围岩关系•支护强度计算支架对顶板的工作状态（回顾）（1）支架对直接顶的工作状态—“给定载荷”方案在顶板岩层沉降过程中，支架对直接顶的工作状态按“给定载荷”考虑是接近实际的。无论顶板沉降到什么位置，直接顶给支架的作用力可以近似地看成是恒定的。fz—直接顶悬顶系数，Ls—悬顶距，m；Lk—控顶距，m；S0—支护合力作用点到煤壁距离，m；nz—采场支护合力作用点系数，nz=S0/LkzKSznLLf2)/1(2Ls=0时，A；Ls很大时，A；S0=（Ls+Lk）/2时，AzzzfMAzKSznLLf2)/1(220KSKSZZKLLLLMSLR022SLLLMRKKSZZ力矩平衡支架对顶板的工作状态（回顾）（2）支架对基本顶的工作状态—“给定变形”和“限定变形”①“给定变形”工作方案在岩梁由端部断裂到沉降至最终位态的整个运动过程中，支架只能在一定范围内降低岩梁运动速度，但不能对岩梁的运动起到阻止作用。岩梁运动全过程中支架作用力与顶板压力之间的关系iiQRiikQPL或KAZALcKmhh)1(岩梁运动至最终状态时的顶板下沉量：支架对顶板的工作状态KAALhCS为防止支架在岩梁运动过程中被压死，最大允许缩量须满足：maxAh支架对顶板的工作状态ATThER岩梁运动结束后，支架实际受力ET—支架的综合刚度②“限定变形”工作方案采场支架对岩梁运动采取“限定变形”，是指采场支架对岩梁运动进行必要的限制。在支架阻力的作用下，岩梁不能沉降至最低位态。岩梁进入稳定时的位态（岩梁运动稳定时采场顶板下沉量）由采场支架的阻抗力所限定。支架在“限定变形”状态下工作时，支架阻力与取得平衡的岩梁位态之间存在着一定的力学关系，可以建立两者间的力学方程。在支架刚度一定的条件下，要求控制的位态愈高，所需支架的阻抗力越大。支架对顶板的工作状态支护强度概念•支护强度是指单位面积上支架给予顶板的支撑力。从安全角度出发，除易碎直接顶采场外，支护强度使越大越好，但从经济角度出发，应该在保证安全的前提下，尽可能减少支护强度，因为支架强度的提高是以增加材料的投入为代价的。•既安全又经济的支护强度称为合理的支护强度。–合理的支护强度应该能杜绝下列顶板事故：剪切冒落、滑动冒落、冲击冒落；–应该尽可能抑制下列顶板压力显现：台阶下沉、破碎、离层、悬顶、冲击载荷。•针对不同的控制要求，支护强度是不同的，通常我们说的某一面的支护强度是多少，是指针对一定的顶板控制而言的，因而不能笼统的认为该面的顶板压力就等于测得的支护强度。•岩重法•“支架—围岩”关系理论。人们通过实验室和现场的调压试验，很早就提出了顶板下沉量和支护强度之间存在的双曲线关系。该关系指出：要减少顶板下沉量，就必须以提高支护强度为代价。PThΔ第一节支护强度的研究现状•“传递岩梁”理论注意到上述双曲线只能定性的描述支架围岩关系，因而基于梁式结构的力学模型，提出了位态方程的概念和表达式iAThhKAp式中：A—直接顶作用力—控顶末排最大顶板下沉量；—要控制的顶板下沉量；K—位态常数，由岩梁参数和控顶距决定。Ahih•该公式除阐明了支架围岩之间的双曲线关系外，还进一步指明了直接顶在位态方程中的作用。在具体采场，可计算出，K则不能定量计算，因为：Ah式中，，—分别是老顶厚度、密度和运动步距；—控顶距；—岩重分配系数。与岩梁断裂位置、结构形式、物理性质、支架性能等有关系，只有搞清这些关系后，才能定量计算，然而，要搞清这些关系几乎是不可能的。EMECTKKLTKKTEELKCMK一、“煤壁、支架——老顶”支撑系统的力学性质对老顶来讲，其支撑点只有前支点煤壁端（包括支架）和后支点采空区矸石两个，如果把岩梁断口处视为铰接，不考虑接触点的弯矩，则该支撑体系属超静定结构，其力学模型简图如图所示显然，该体系用数学力学方法是难以解算的，因为老顶的变形协调方程很难建立。第二节支架围岩的一般关系二、支架围岩的一般关系为了进一步研究支架围岩的一般关系，首先要建立一般采场的顶板结构模型。1、一般老顶的结构模型•沉积岩层中存在许多分层弱面，这些弱面把顶板分解成许多厚度不同的分层，假定从煤层到6~8倍采高范围内的顶板由分层厚度相等和力学性质完全相同的岩层组成，这种条件下的岩层运动状态如图所示。•老顶岩层由若干分层组成，且每一分层间存在离层，触矸点位置也不同。•在具体采场，分层厚度和岩层强度发生变化时，将引起岩层运动的组合形式、离层量和触矸点的差异，但其运动机理与如图中模型是一致的。2、支架——围岩关系（1）支架与直接顶的关系直接顶直接覆盖于煤层上，一般情况下，采场支架要控制住其全部作用力（大悬顶是则不需要控制全部作用力）。•设直接顶作用力为A，则支护强度PT的最低限度PT=A。•然而，在现场矿压观测中，大量存在顶板大变形、支架荷载小于直接顶的作用力A，随着顶板下沉量的增大，支架载荷越来越小（特别在钻底严重的采场）。•形成这种支架围岩关系有两种可能的岩层状态:–一是直接顶自身离层,上位直接顶在采空区触矸；–二是直接顶与老顶离层,直接顶在采空区整体触矸。•这两种状态下支架极易被直接顶推垮或老顶来压时冲垮,因此是不安全的支架围岩关系,一旦现场发现这种现象,要及时纠正。（2）支架与老顶的关系设老顶由m个分层组成，在采空区中，各分层间存在离层。•当支护强度仅等于直接顶作用力A时，老顶各层自由沉降，各分层间自由离层；•当支护强度大于A时，下位老顶若干分层在控顶区上方将压紧，明显离层出现在作用段以上的分层中。•作用段分层的悬露长度将增加，顶板下沉量随之减小。•这种现象在现场矿压观测中也经常测到，即支护强度提高后，顶板下沉量明显减小。•支护阻力对老顶的控制体现在以下两个方面：一是厚度方向控制的范围，二是顶板下沉量（即控制厚度范围内老顶的下沉量）。•随着支护强度的提高，控制范围从i个分层到i+1个分层时（im），此过渡阶段中顶板下沉量不出现明显变化。一般（层状）老顶模型下的支架围岩关系可用图表示。•图2-7中，一个曲线台阶代表了支架对一个分层的作用关系，老顶有几个分层，曲线上就有几个台阶。•当老顶只有一个分层时，支架围岩关系变为图2.8中的实线所示的形式，即只有一个曲线台阶。在曲线台阶中，•垂直线段表示支护强度增加时，控制住老顶的下沉量，减缓老顶的来压速度，增加直接顶与老顶间的接触应力。•曲线部分则表示支护强度已大到能控制住老顶下沉量，且支护强度随下沉量的减小而增加。•当老顶由很多分层组成时，支护围岩关系就变为图2-8中的虚线所示的形式，即无垂直线段。•该虚线是将图2-7中的小台阶抹平后的曲线，即为图2-7所示的近似形式。支架围岩一般关系的抽象•cd阴影部分为非法工作区，•b´c段为梁式结构给定变形（△hA）工作段，•bc段为拱梁或类拱结构分层压实时的工作段，△S为离层压实量，K为直接顶与老顶间的接触应力，•ab或ab´段为限定变形工作段。PThhAAPminPmaxabb'cKSd非法区iAThhKApKTEELKCMK2.3支护强度的定量计算•支护强度的计算是一个静不定问题，企图依靠精确的力学方法几乎是不可能的，只能采用半定量的支架围岩关系、量化控制准则和成功经验相结合的方法。•下面按工作面不同推进阶段，介绍支护强度的计算方法。–以“支”为准则的计算方法–以“防滑”为准则的计算方法。一、直接顶初次垮落期间(0—Lz)•支的准则：把直接项安全地切落在采空区。如基本支护达不到要求，则考虑其它措施。•力学保证条件：支架至少能承担起直接顶初次垮落步距一半的重力。•支护强度p：式中Lk——控顶距；γz—直接顶密度。KZZZLLMp2(b)(a)L0lklkL0LzLk直接顶初次垮落示意图KZZZLLMp2二、老顶初次来压期间(Lz-C0）•支的准则：–①防止直接顶向采空区推垮；–②让老顶缓慢沉降到要求的位态(防止冲击)；–③保证支柱不被压死；–④对可能发生剪切的采场，应采取特殊的处理方法，并进行采场来压预报。•力学保证条件：–①增加支柱初撑力和工作阻力，使直接顶和老顶紧贴(加大泵压，穿鞋或用大吨位升柱器等措施)；–②支架能在不被压死的情况下，承担起老顶的部分作用力和全部直接顶的作用力。()(a)老顶初次来压示意图C0LkKTEELKCMAP20二、老顶初次来压期间(Lz-C0）•支护强度式中，ME、γE、C0—分别为老顶厚度、密度和初次来压步距；KT—岩重分配系数，受直接顶顶厚度与采高之比N的控制KTEELKCMAP20二、老顶初次来压期间(Lz-C0）•大量研究表明，采空区充填得越实，支架承受的老顶作用力越小。根据现场控制的经验一般条件采场的KT可按表2-1选取。NN≤11＜N≤2.52.5＜N≤5N＞5KT22N38（N-2.5）+510000表2-1KT选取表二、老顶初次来压期间(Lz-C0）•N≤1时，表明直接顶很薄，坚硬基本顶来压猛烈，支架必须承担初次来压步距内1/4的岩重。如基本支护达不到要求，则采取特种支护或其它措施。•1＜N≤2.5时，表明采空区充填一般，顶板下沉量和来压强度随N的增加而线性减小，需承担的基本顶作用力也越来越小。•2.5＜N≤5时，表明采空区基本充填满，几乎可以不考虑基本顶的作用力。•N＞5时，表明垮落直接顶与基本顶接实，支架可完全不考虑基本顶的作用力。•直接顶作用力A的计算22)(KKSZZLLLMA)1(KSZZLLMAKKSKSZZLLLLLMA)2()(2•当悬顶距Ls＜2m时，表明，当悬顶距较小时，悬顶与采空区已垮矸石很难接触以传递直接顶的重力，所以，应按力矩平衡来求A。•当悬顶距Ls≥2m时，表明当悬顶距较大时，自身有一定支承能力，其作用力无须支架全部承担，悬顶断裂后，在沉降过程中，根据静力平衡，支架必须承受悬顶的全部重力（不考虑力矩的作用）。•长悬顶触矸后，直接顶给支架的作用力由下式给出。•对比上两式，可得出前者计算出的A大于后者，前者考虑了长悬顶没触矸时的静力平衡，计算的结果较安全，一般情况下我们用前者计算A。三、正常推进阶段•支的准则：–①在类拱结构采场，防止类拱在煤壁处切落(沿图2-10中AB、CD线)–②梁式结构采场防止老顶来压时出现大的台阶下沉和冲击；–③多岩梁结构采场防止上位岩梁对下位岩梁的冲击；–④防止支柱压死。•力学保证条件：–①类拱结构采场保证支架能支住直接顶和悬跨度一半的老顶重量；–②在给定变形状态工作时，必须能支住直接顶并能承担部分老顶的作用力、以减少老顶的来压速度；–③在限定变形状态下工作时，必须能支住与要求控制的顶板下沉量Δhi对应的老顶悬跨度Li的部分及直接顶的全部作用力。三、正常推进阶段•支护强度ΔhA-顶板最大下沉量;Δhi-要求控制约顶板下沉量;ME,γE,C-第一岩梁的厚度、密度和周期来压步距KEELCMAP2KTEELKCMAPiKTAEEhLKhCMAPKTEELKCMAP2①类拱结构下：②给定变形下：③限定变形下：•④多岩梁结构下：•说明：–①上述支护强度是对应所限定的力学条件的，当应用到具体矿区时，若有可靠的类似条件采场的实测支护强度，则可用该值修正计算的结果。–②若计算出的pT大于450KN/m2，则单体支柱一般难以达到这个值，此时系统取450KN/m2，剩余的压力由特种支护来承担。支护强度定量计算总结（支）•直接顶作用力A–初次垮落，L0=Lz，K0=2，n=1–正常垮落，K0=1，L0=（Ls+Lk），n=2，Ls＜2m；L0=（Ls+Lk），Ls≥2m•部分老顶作用力B–初次来压，C=C0/2，ΔhA=Δhi–周期来压，C类拱：KT=2，ΔhA=Δhi给定变形：ΔhA=Δhi限定变形：多岩梁：KT=1/2；ΔhA=ΔhinKnZZLKLMA00iKTAEEhLKhCMB四、防止直接顶滑动的支护强度计算•防