6第五章采场顶板支护方法

5采场顶板支护方法5.1顶板分类与底板特征5.2采场支架类型与支架力学特征5.3采场支架与围岩相互作用原理5.4采场支护设计5.5采场来压预报与支护质量监测25.1顶板分类与底板特征回采工作面（采场）是地下移动着的工作空间。为了保证生产工作的正常进行与矿工的安全，必须对采场顶板进行支护。直接顶板是回采工作面支护直接作用的对象，直接顶的好坏将对生产与安全有直接影响，而直接顶的完整性又受到老顶平衡特征的影响，例如工作面的初次来压与周期来压都是老顶的活动而形成的。从一定意义上讲，控制采场矿山压力显现主要是控制老顶的活动规律，使其不危及到工作面的安全。所以，采场支护的直接对象是直接顶岩层，通过直接顶间接地对老顶的活动起一定的控制作用。采空区处理方法对老顶的活动有着明显的影响。35.1顶板分类与底板特征回采工作面支架是采场矿山压力控制的基本手段。回采工作面支架是平衡回采工作面顶板压力的一种构筑物。由于回采工作面支架必须与开采后形成的上覆岩层大结构相适应，回采工作面支架必须具备以下两个特征：（1）有适当的可缩性。（2）有良好的支撑性能。所谓支架的支撑性能，一般是指支架的支撑力与支架可缩量之间的关系特征，常用“工作阻力——可缩量”关系曲线（简写为P—s曲线）表示。回采工作面支架是座在直接底板上的，直接底板特性对支架性能的发挥有重要影响。研究采场支护也要研究底板岩层。要搞好采场顶板支护，必须研究直接顶板、老顶和直接底板，必须研究支架。45.1顶板分类与底板特征5.1.1对直接顶的分析（1）直接顶，采场支护直接对象，其完整程度不仅直接影响工作面的安全及工作面生产能力的发挥，而且直接影响到所选择的支护形式。（2）直接顶的完整程度取决于两方面因素：直接顶岩层本身力学性质；直接顶岩层内层理和裂隙发育程度。（3）直接顶岩层内层理和裂隙一般分为三类：原生裂隙、构造裂隙和压裂裂隙。其中，压裂裂隙指在煤层开采时引起的破坏面。一般仅发生在比较软的直接顶，主要是由于支承压力的作用而形成。常与煤层面夹角60~90。55.1顶板分类与底板特征5.1.1对直接顶的分析（4）直接顶冒空将使支架顶梁与顶板的接顶情况恶化，导致无法利用支架的工作阻力通过直接顶防止老顶岩块的失稳与滑落，也可能使支架受严重偏载而损坏，还可能由此造成的一系列影响生产的事故。（5）构造裂隙可以造成有规则的倾斜于煤壁或采空区方向的裂隙。由于工作面的推进方向与裂隙方向不同，工作面顶板可能出现两种完全不同的结果。当工作面推进方向与节理倾斜方向一致时，常常容易造成工作面较大压力。65.1顶板分类与底板特征5.1.1对直接顶的分析%100FFEA图5-3初次垮落步距L0：直接顶首次出现垮落高度超过1~1.5m，垮落范围超过全工作面长度一半时工作面的推进长度。端面破碎度：指支架前梁端部到煤壁间顶板出现冒落高度超过50~100mm所占的面积比例。端面距为1m时的端面破碎度称“顶板冒落敏感度”或“顶板破碎指数”，以E表示。75.1顶板分类与底板特征5.1.1对直接顶的分析图5-4端面距与顶板破碎度的关系E10%，稳定顶板E=10%~30%，中等稳定顶板E30%，不稳定顶板85.1顶板分类与底板特征5.1.2对老顶的分析（1）老顶的失稳及其来压强度不仅对直接顶的稳定性有直接影响，而且对确定支护强度、支架具备的可缩量以及选择采空区处理方法等，都起着决定性作用。（2）根据老顶取得平衡的条件，在全部垮落法工作面，一般情况下老顶岩层对工作面的顶板压力的影响主要取决于直接顶的厚度。显然，老顶离煤层越远，即直接顶厚度越大，破断后形成“结构”和呈现缓慢下沉式平衡的可能性也越大。因此，长期以来，生产单位常常以老顶距离被开采煤层得远近作为预计影响工作面矿山压力显现的重要指标之一。95.1顶板分类与底板特征5.1.2对老顶的分析图5-5顶板岩层典型柱状图实例105.1顶板分类与底板特征5.1.2对老顶的分析（3）老顶来压强度同直接顶厚度hi与煤层采高hm比值（N=hi/hm）的关系：I、N5，老顶的垮落与错动对工作面支架无多大影响，称为无周期来压或周期来压不明显顶板。如图5-5a。II、2N5，老顶的失稳对工作面支架有较为严重的影响，称为周期来压顶板。如图5-5b。III、N2，甚至没有直接顶，老顶的悬露与垮落都对工作面支架有严重影响，称为周期来压严重顶板。如图5-5c。IV、老顶特别坚硬，又无直接顶，常悬露上万平方米而不垮落，当其垮落时则形成暴风，造成事故，称为极坚硬顶板。如图5-5d。V、能塑性弯曲的顶板。如图5-5e。115.1顶板分类与底板特征5.1.3顶板分类方案及其指标为了指导回采工作面顶板管理，选择合适得液压支架形式，单体支柱的支护方法和采空区处理措施；以及为了确定液压支架支护强度和单体支柱的支护密度，以提高工作面的安全程度，减少顶板事故等，原煤炭工业部颁发了《缓倾斜煤层采煤工作面顶板分类》（MT554-1996）行业标准。12表5-1直接顶分类指标及参考要素类别I类不稳定顶板II类中等稳定顶板III类稳定顶板IV类非常稳定顶板1a1b2a2b基本指标r44r88r1212r1818r2828r50岩性和结构特征泥岩、泥页岩，节理裂隙发育或松软泥岩，炭质泥岩，节理裂隙较发育致密泥岩、粉砂岩、砂质泥岩，节理裂隙不发育砂岩、石灰岩、节理裂隙很少致密砂岩、石灰岩，节理裂隙极少主要力学参数参考区间Cz0.1630.0640.2730.090.300.120.430.1570.480.11Rc27.9410.7536.025.7546.32065.333.789.432.6hc0.260.1260.2850.130.510.3550.6750.340.720.3413表5-2老顶（基本顶）分级指标老顶分级IIIIIIIV老顶来压显现不明显明显强烈非常强烈IVaIVb分级指标pe895895pe975975pe10751075pe1145pe1145老顶的分级指标是“老顶初次来压当量pe”，其值由老顶初次来压步距Lf、直接顶充填系数N和煤层采高hm综合确定：mfehNLp6.525.15)ln(3.241mihhN注：当hi大于6倍采高时，取N=6。145.1顶板分类与底板特征5.1.4底板特征底板岩层在矿山压力控制中涉及两类问题：一方面是煤层开采引起的底板破坏，其范围将与开采范围及采空区周围的支承压力分布有关，由于底板的破坏可能导致地下水分布的变化，引起突水等事故。另一方面底板岩层的刚度将直接影响到支护性能的发挥，支护系统刚度是由“底板—支架—顶板”所组成。如单体支柱底面积只有100cm2左右，在底板松软情况下，易插入底板，从而影响对顶板的控制。155.1顶板分类与底板特征5.1.4底板特征底板比压：指支架底座对单位面积底板所造成的压力。（静压式底板比压仪，作用底板为压模，其直径180mm）底板穿透度：指平均单位冲击能所克服的冲击阻力值。（冲击式底板比压仪，作用底板为撞针）图5-6支柱对底板的破坏形式a—整体剪切b—局部剪切c—其它剪切d—穿鞋破坏16表5-3采煤工作面底板分类标准（MT553-1996）底板类别基本指标辅助指标参考指标一般岩性名称代号容许比压qc/MPa容许刚度Kc/MPa/mm容许穿透度c/mm-1容许单轴抗压强度Rc/MPa极软I3.00.0350.207.22充填砂，泥岩，软煤松软II3.0~6.00.035~0.320.20~0.407.22~10.8泥页岩，煤较软IIIa6.0~9.70.32~0.670.40~0.6510.8~15.21中硬煤，薄层页岩IIIb9.7~16.10.67~1.270.65~1.0815.21~22.84硬煤，致密页岩中硬IV16.1~321.27~2.761.08~2.1622.84~41.79致密页岩，砂质泥岩坚硬V322.762.1641.79厚砂质页岩，粉砂岩，砂岩175.2采场支架类型与支架力学特性5.2.1概述采场支架分类：回采工作面支架主要是由梁和柱组合而成。根据支柱与顶梁的配合关系，可将工作面支架为两大类：单体支架和液压支架。由金属支柱与金属铰接顶梁组合而成的工作面支架称为单体支架。根据金属支柱的特性，又分为摩擦式金属支架和单体液压支架，前者使用的支柱为摩擦式金属支柱，后者为液压支柱。液压支架是由支柱、底座与顶梁联合为一个整体的结构，它以液压为动力，实现支架支设、回撤、拉架、移溜机械化。185.2采场支架类型与支架力学特性5.2.1概述支柱的撑力与工作阻力：支柱对顶板的主动作用力称为支柱的撑力。支柱受顶板压力作用而反映出来的力称为支柱的阻力，又称工作阻力。常用的支柱的工作阻力与撑力：（1）初撑力P0’：支架支设时最初形成的主动力。（2）始动阻力P0：在顶板压力作用下，活柱开始下缩时的工作阻力。（3）初工作阻力P1：指在支架性能曲线中，活柱下缩时，工作阻力增长率由急剧增加转为缓慢增长的转折点出的工作阻力。（4）最大工作阻力P2：支柱所能承受的最大负载能力，又称额定工作阻力。195.2采场支架类型与支架力学特性5.2.1概述支柱的典型工作特性：图5-7典型支柱特性曲线（P—s曲线）a—急增阻式；b—微增阻式；c—恒增阻式。典型急增阻式：HZJA型摩擦支柱典型微增阻式：HZWA型摩擦支柱典型恒阻式：液压支柱/架理想模式一般s=6~7mm205.2采场支架类型与支架力学特性5.2.2液压支柱的结构及特性内注式液压支柱：工作介质—机油；支撑：摇动手把，操作支柱内手摇泵，把油从低压腔压入高压腔；过压保护：安全阀保证恒定工作阻力；回收：打开卸压阀使高压腔的油回到低压腔，活柱自重作用下下缩。内注式单体液压支柱结构按注油方式分内注式与外注式215.2采场支架类型与支架力学特性5.2.2液压支柱的结构及特性内注式液压支柱：工作介质—含1%~2%乳化油的乳化液；支撑：靠外部泵站经管路通过注液枪向支柱供液；过压保护：安全阀保证恒定工作阻力；回收：打开卸压阀，把乳化液排到支柱外，活柱自重和弹簧力作用下回缩。安全阀、单向阀、卸压阀共同组成一个三用阀。225.2采场支架类型与支架力学特性5.2.2液压支柱的结构及特性内、外注式液压支柱优缺点比较：优缺点外注式内注式优点升柱快：一般为60~80mm/s，比内注式快4~5倍；初撑力大，且较稳定；结构简单，零件少，易维护；重量轻：同规格比内注式轻3~5kg；成本低。使用灵活方便，不需要外部动力；三阀装在支柱内腔，不易污染失效；液压系统自身形成闭路循环，节省油耗，劳动条件有所改善。缺点支柱阀露在外面，易受环境污染失效；需配乳化液泵站和管路；降柱外排液；升柱要冲洗注油阀体。初撑力人为影响较严重，不易均衡；升柱速度慢，每摇一次手把，只能升高20~30mm；支柱结构复杂；三阀产生故障井下不便更换；维护检修量大；重量较大。薄煤层或人行困难面宜用内注式；其它宜用外注式。235.2采场支架类型与支架力学特性5.2.2液压支柱的结构及特性液压自移支架支柱工作原理：Ⅰ-升柱状态；Ⅱ-工作状态；Ⅲ-卸载状态1-活柱；2-柱体；3、9、10-管路；4-安全阀；5-单向阀；6-主回油路；7-主进油路；8-操纵阀。420DPKPp245.2采场支架类型与支架力学特性5.2.3液压支架支护方法分析液压支架分类：图5-11各类液压支架的基本结构255.2采场支架类型与支架力学特性5.2.3液压支架支护方法分析液压支架分类：《液压支架型式与参数》MT/T169-1996（1）按架型结构及与围岩关系分类：支撑式支架；支撑掩护式支架；掩护支撑式支架；掩护式支架。图5-11各类液压支架的基本结构265.2采场支架类型与支架力学特性5.2.3液压支架支护方法分析液压支架分类：（2）按使用条件分类：)3.13.5mh.3m1.5m3m薄煤层支