第五章--采场顶板支护方法.

第五章采场顶板支护方法矿山压力与岩层控制第一节顶板分类与底板特征一、采场矿山压力控制的概念为了保证回采工作面的正常生产和人员安全，必须对工作面矿山压力加以控制。采场矿山压力控制采空区处理工作面支护对于全部冒落法处理采空区：“煤壁－支架－采空区已冒落的矸石”构成对采场上覆岩层的支撑体系。一定的条件下，上述支撑体系的支撑性能将主要取决于支架的支撑特性，即主要取决于支架的支撑力与支架可缩量的关系特征。而采场支架并不是孤立存在的，而是处在一个由围岩组成的系统中：“老顶－直接顶－支架－底板”。由于采场支撑体系（小结构）必须与开采后形成的上覆岩层大结构相适应，采场支架必须具备下列两个特性：①必须具备一定的可缩量；②必须具备一定的支撑性能,即一定的支撑阻力。采场围岩：直接顶、老顶、直接底岩层。这三者对矿压显现及支护方式的选择有着显著的影响。因而需对三者加以分类。直接顶是支架直接维护的对象，支架通过它对老顶进行控制。直接顶的完整程度直接影响工作面安全和支护方式的选择。影响直接顶完整性的两个因素：①岩层的力学性质：抗拉、抗压强度，弹模等②岩层内节理裂隙的发育情况：原生裂隙、构造裂隙、压裂裂隙。二、对直接顶的分类一旦直接顶冒空将导致支架顶梁接顶情况恶化，导致支架不能防止老顶岩块的失稳，从而造成工作面顶板事故和一系列问题。支架为了对直接顶进行支护,应保证支架能支撑住全部直接顶重量,同时能护住破碎的直接顶。即所谓的“支护”直接顶的分类①以直接顶的初次垮落步距L0作为分类指标，分为4类。1类L0≤8m不稳定顶板2类8m＜L0≤18m中等稳定顶板3类18m＜L0≤28m稳定顶板4类28m＜L0≤50m非常稳定顶板②以直接顶端面破碎度E作为分类指标，分为3类。当端面距为1m时的端面破碎度称为顶板冒落灵敏度。1类E30%不稳定顶板2类11%E30%中等稳定顶板3类E10%稳定顶板图5－3顶板端面破碎度的计算示意图%100FFEAFA－端面破碎面积F－支架梁端到煤壁面积三、老顶的分类直接顶厚度对老顶来压显现剧烈程度影响较大；采空区冒落充填越满，老顶破断后形成结构越易稳定，对工作面矿压显现影响越小，在“煤壁－支架－采空区已冒落的矸石”支撑中，支架承载越小。按直接顶厚度与采高比值N=∑h/m，并参照老顶初次来压步距L，将老顶分为4级。I.级N3～5,来压不明显II.级0.3N≤3～5,L=25～50m来压明显III.级0.3N≤3～5,L50m来压强烈N≤0.3,L=25～50mIV.级N≤0.3,L50m来压极强烈Pe=241.3ln(L0)-15.5N+52.6m式中，Pe,老顶初次来压当量；L0，老顶初次来压步距；N=∑h/m，直接顶厚度与采高之比。按老顶初次来压当量将老顶分为如表5-2的4级。四、底板特征与分类采场支护系统的刚度是由“底板－支架－顶板”所组成，因此底板岩层的刚度将直接影响到支架性能的发挥。图5－44支架与围岩体系刚度模型若底板太软（刚度太小），支架会钻底，从而影响对顶板的控制。底板比压：支架底座对单位面积底板上所造成的压力。极限底板比压：支架钻底时所允许的最大底板比压。支柱钻底的破坏形式有以下三种：整体剪切局部剪切其它剪切按极限底板比压将底板分为5类：第二节采场支架类型与支架力学特性根据支柱与顶梁的配合关系，将采场支架分为两大类。一、几个概念单体支柱：支柱与顶梁是分开的。液压支架：顶梁、支柱、底座联合为一个整体。木支柱金属摩擦支柱液压支柱图5－7支柱的几种典型特性曲线P0'－初撑力P0－始动阻力P1－初工作阻力P2－额定工作阻力或最大工作阻力工作阻力急增阻式微增阻式恒阻式增阻特性二、单体液压支柱的结构与特性内注式外注式按注液方式分为单体支架的优点：轻便、价格便宜，适用性强缺点：支设、回柱劳动强度大，稳定性差；支回柱跟不上采煤三、液压支架的分类从支架结构及其支撑特点出发，我国将液压支架分为三类：1.支撑式：结构上没有掩护梁，对顶板的作用是支撑。2、掩护式：结构上有掩护梁，单排立柱连接掩护梁或直接支撑顶梁对顶板起支撑作用。3、支撑掩护式：结构上有掩护梁，双排或多排立柱大部或全部通过顶梁对顶板起支撑作用。四、液压支架支护方式分析（一）支撑式液压支架支护方式分析图5－13垛式支架支撑力分布状态图5－14在比较破碎的顶板条件下使用垛式支架支撑式支架顶梁后端支撑力大于前端，支撑力合力远离前梁端部。因此，支撑式支架适应直接顶较完整的条件，若周期来压又较强烈则更适应。由于支架结构不能抗水平推力，当顶板特别坚硬时破断形成的强大的水平推力又会损坏支撑式支架。不适用于破碎顶板条件。（二）掩护式液压支架支护方式分析单铰式双铰式（四连式）按掩护梁与底座间联结方式分为：适用于直接顶破碎，来压不明显的条件。不适用于直接顶坚硬而老顶周期来压强烈的条件。（三）支撑掩护式液压支架支护方式分析同时兼有支撑式与掩护式支架的优点，是支撑与掩护式两种架型的组合。我国目前综采面液压支架架型90％以上为支撑掩护式。综采面割煤、移架、推移、输送机三个主要工序按不同顺序有两种配合方式：①及时支护方式②滞后支护方式五、单体支架支护方式分析单体支架从支上到回柱，经历了回采面顶板下沉的全过程。支柱的布置方式有以下几种：1.带帽点柱支护无顶梁直接顶比较完整时使用。但目前已少用。图5－35带帽点柱的布置方式2.单体柱＋铰接顶梁布置图5－39机组工作面的悬臂支护图5－38HDJA型金属顶梁正悬式倒悬式铰接顶梁与支柱位置正悬臂：机道可以支护，安全好，采空区侧不易损折。倒悬臂：回柱时不易被矸石埋住，回柱较安全，但机道无支护。单体面特种支架：木垛、抬棚、丛柱第三节采场支架与围岩相互作用原理一、回采面支架与围岩的相互作用煤层开采后，上覆岩层形成的“大结构”是由“煤壁－支架－采空区已冒落矸石”支撑体系所支撑。在煤壁和采空区冒落矸石条件一定时，支架的支撑性能将对支架受力及对“大结构”的控制效果起重要作用。而采场支架并不是孤立存在的，而是处在一个由围岩组成的系统中：“老顶－直接顶－支架－底板”。图5－44支架与围岩体系刚度模型支架的性能和结构对支架受力和围岩运动是怎样影响的呢？以及在各种围岩条件下支架呈现什么反映呢？这就是支架与围岩关系研究的内容.不同种类的支架对围岩的支护效果不一样，相同的支架在不同的围岩条件下，其受力状态和对围岩的支护效果也不同。（一）支架－围岩相互作用的特点：1.支架－围岩是相互作用的一对力。2.支架受力大小及其在回采工作面分布的规律与支架性能有关。还与支架与围岩支撑系统的总体特性有关。3.支架结构及尺寸不同对顶板压力影响和维护效果不同。单体液压支柱工作面顶板压力测定81.24128.5182.6192.5050100150200250012345距煤壁/m平均载荷/kN支架的工作阻力P与顶板最大下沉量△L之间存在一定的规律,即P－△L近似呈双曲线关系。（二）支架P－△L关系曲线可以看出，支架－围岩关系具有一定的复杂性，但也具有一定的普遍规律。在长期实践中发现：从P－△L曲线可以得出一下结论：1.不同的顶板条件，P－△L曲线的斜率不同，但都呈双曲线关系。2.在一定工作阻力以上，支架工作阻力增加对顶板下沉量影响较小，但低于此值则提高支架工作阻力将减少顶板下沉量。3.支架的工作阻力并不能改变上覆岩层“大结构”的总体活动规律。4.回采工作面支架应具备以下两个基本特性：一是必须具备一定的可缩量；二是必须具备有良好的支撑性能，即一定的工作阻力。因而在支架选型与支护设计中，最主要是确定支架的最大可缩量与最大工作阻力。二、支架－围岩支护系统的力学分析系统中各部分可近似看成变刚度的弹簧，各弹簧成串联结构，各自受力相等，总变形按各自刚度进行分配。该系统受力与变形的协调方程为：图5－44支架与围岩体系刚度模型SKPPPPSKSKSKPSSSSffssrrfsr00K－系统的组合刚度△S－系统总变形量△P－系统阻力增量P0－系统初撑力fsrKKKK1111可见：（1）在顶板下沉量△S一定时，K越大，支架的载荷越大。（2）K小于Kr,Ks,Kf，为了提高系统刚度，必须同时提高Kr,Ks,Kf。相同支柱，由于Kr,Kf不同，且受力大小也不同。（3）支架变形量在系统总体变形中所占比重，取决于顶底板刚度与支架刚度的相对大小，支架刚度相对越小，则支架的变形量越大。第四节采场支护设计确定支架类型:一、支架规格的选定单体支架液压支架支撑式掩护式支撑掩护式确定架型后主要是选定支架高度和可缩量。1.单体支架规格选定的方法及步骤:①首先确定煤层的最大采高Mmax及最小采高Mmin②确定顶板在最大控顶距处的平均最大下沉量SL,支架最大可缩量必须大于此值。SL＝η·M·LSL－工作面顶板下沉量；η－下沉系数，一般为0.025～0.05；M－煤层采高；L－控顶距。顶板最大下沉量可用下式估算：③求支柱最大高度HmaxHmax=Mmax－bb－顶梁厚度；④求支柱的最小高度HminHmin＝Mmin－SL－b－aa－支柱回柱放顶时必要的卸载高度,一般取50mm⑤根据顶板最大下沉量SL,确定支架的型号,根据Hmax及Hmin确定支柱规格。2.液压支架规格的选定方法①确定最大采高Mmax，最小采高Mmin；②确定支架在最大采高时前柱的顶板下沉量S1；③确定在最小采高时，后柱顶板最大下沉量S2；④确定支架最大、最小高度Hmax=Mmax－S1Hmin＝Mmin－S2－aa－支架卸载高度,一般取50mm对支架－围岩系统而言：P＝P0＋K△SP－支架工作阻力P0－初撑力可见，提高P0有利预先压实顶底板，提高系统刚度，提高工作阻力P，降低顶板下沉量△S.因此，要保证支架对顶板的有效支护，要有一合适的初撑力。工作面合理工作阻力的确定应包括P0与最大工作阻力的确定。下面分别加以介绍。二、支架合理工作阻力1.初撑力合理值确定支架设计的初撑力一般为支架额定工作阻力的80％左右。采场支架的初撑力应能平衡冒落带直接顶岩层重量。对单体支架工作面：即：P0≥rh/nh－直接顶厚度n－支护密度n＝1/a·ba－排距;为采煤进度或采煤机截深的整数倍.如截深为0.5或1m,a＝1m;截深为0.8m,a=0.8m;截深为0.6m，a＝1.2m。b－柱距，一般0.5m≤b≤1m当煤层为倾斜煤层时（倾角为α），则支架初撑力不仅应能平衡冒落带直接顶重量，还应能防止顶板沿倾向滑动失稳，此时初撑力P0满足：P0≥rh（cosα-sinα/f）/nf－顶板岩层间摩擦系数，一般取0.3为保证工作面支架初撑力达到设计值，必须保证：①使用的乳化液泵出口压力满足要求;②支护系统的刚度要满足要求,底软钻底需穿鞋;③操作质量必须保证。2.工作阻力的确定(1)以采高的倍数进行估算PH=(4~8)mr/nm－煤层采高；r－岩层容重；n－支护密度(2)现场测定PH=Pt+2σtPt－实测支架工作阻力（时间加权）平均值σt－实测支架时间加权工作阻力均方差Pt—受支架架型和初撑力大小影响。第五节采场来压预测与支护质量监测一、老顶来压的预测预报（1）根据老顶破断距的理论计算值来预测；（2）根据老顶破断引起的“反弹”与“压缩”,在工作面顺槽采用测压的方法来进行预测来压。图5－52老顶来压预报道测站布置