煤矿顶板管理与支护新技术.ppt

,,主讲人付玉平博士副教授单位太原科技大学Tel13466872858,,煤矿顶板管理与支护新技术,中国机长2019年9月30日上映,,电影中国机长根据2018年5月14日川航3U8633航班成功备降的真实事件改编机组执行航班任务时，在万米高空突遇驾驶舱挡风玻璃爆裂脱落、座舱释压的极端罕见险情，乘务组在危险刚发生之际，坚守岗位，团结合作，以高超的技术水平和职业素养保护机上119名乘客的安全，展现中国民航人忠于职责，守护安全的形象。,中国机长2019年9月30日上映,,电影中飞机起飞前，乘务组每天集合后必说的那句请相信我们，我们有信心、有能力，保证大家的安全。,中国机长电影末尾，机长说了敬畏生命敬畏责任敬畏规章,目录,,一、煤矿安全生产形势概述,二、采场顶板活动规律,三、采场支护参数计算方法,四、采场顶板控制新技术,,一、煤矿安全生产形势概述,新中国成立以来的70年间，在10多个行业领域中发生一次死亡30人以上的特别重大事故，煤矿占了40，其中百人以上的事故煤矿占了30。党中央、国务院高度重视煤矿安全生产工作，建立了国家垂直管理的煤矿安全监察体制，全国拥有将近3000人的专业监管队伍，制修订了一大批法律法规和标准规范，不断加强财政投入，同时依靠科技进步强化基础，结合产业结构调整，持续整顿关闭一些不符合安全条件的小煤矿。同时，狠抓瓦斯、冲击地压、水患等煤矿主要致灾因素治理，应该说取得了比较好的成效。,,一、煤矿安全生产形势概述,,煤矿事故类型瓦斯事故瓦斯、煤尘爆炸或燃烧，煤（岩）与瓦斯突出，瓦斯窒息（中毒）等。顶板事故指冒顶、片帮、顶板掉矸、顶板支护垮倒、冲击地压、露天煤矿边坡滑移垮塌等。底板事故视为顶板事故。机电事故指机电设备（设施）导致的事故。包括运输设备在安装、检修、调试过程中发生的事故。放炮事故指放炮崩人、触响瞎炮造成的事故。水灾事故指地表水、老空水、地质构造水、工业用水造成的事故及溃水、溃沙导致的事故。火灾事故是指煤与矸石自然发火和外因火灾造成的事故（煤层自燃未见明火逸出有害气体中毒算为瓦斯事故）。运输事故指运输设备（设施）在运行过程发生的事故。其它事故以上七类以外的事故。,一、煤矿安全生产形势概述,,2018年，与建立煤矿监察体制初期的1999年相比，全国煤矿数量从3万多处降到了5700多处（山西省600座左右），煤矿数量大量减少，而煤炭产量不降反升，由1999年的12.2亿吨增加到了去年的36.8亿吨，说明规模化上来了，产量增加了3倍多。同时，煤矿安全形势发生了一些变化，煤矿事故死亡人数大幅下降，由最多时一年死亡近8000人，降到去年的333人，下降了95.2。重特大事故最多的年份是2005年，发生了58起重特大事故，而2018年重特大事故发生2起，下降了96.6。从这些数字来看，这几年通过采取有效措施，煤矿安全生产形势得到了很大改善，处于一个稳定好转的态势。但是，应该说煤矿现在致灾因素还很多，安全形势还是脆弱的，没有走出事故多发易发阶段，安全生产事故还有反复性、长期性的问题，这是煤矿安全目前的情况。,一、煤矿安全生产形势概述,,二、采场顶板活动规律,1、基本概念,回采工作面/采场直接进行采煤或采其它矿物的工作空间称为回采工作面或简称为采场。（coalface,workingface顶板赋存在煤层之上的岩层称为顶板或称为上覆岩层。（roof）底板位于煤层下方的岩层称为底板。（floor直接顶直接位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层称为直接顶。（immediateroof由于它们在推进方向上不能够始终保持传递力的联系，因此一旦运动，其重量将由支架全部承担。直接顶指采空区已经冒落岩层的总合。,,二、采场顶板活动规律,1、基本概念,伪顶在煤层与直接顶之间有时存在厚度小于0.3～0.5m、极易垮落（随采随冒）的软弱岩层，称为伪顶。（falseroof基本顶位于直接顶之上有时直接位于煤层之上对采场矿山压力直接造成影响的厚而坚硬的岩层称为基本顶/老顶。（mainroof基本顶破断以后，破裂岩块始终能保持向煤壁前方和采空区矸石上传递力的联系，它的运动对回采工作面矿山压力显现有明显影响，但是其作用力无须由支架全部承担。,,二、采场顶板活动规律,2、有关采场上覆岩层活动规律的假说,“假说”就是用已有的事实材料和科学原理为依据，关于未知事实（如现象之间的规律性联系、事物的存在或原因、未来事件的出现等）的假设性解释。形成假说是科学研究活动中的基本程序之一，也是研究工作十分重要的手段。假说指导我们理解新的情况、启发我们做新的实验从而发现新的现象和规律。经过实践检验和验证，证明是正确的，就上升为理论和规律。由于采矿工程涉及到岩层内的原岩应力场以及岩体性质的复杂性，针对采场的矿山压力现象提出了各种不同的解释，这种解释（即揭示矿山压力现象内在联系的推测或科学的概括）称为矿山压力假说，它们丰富和促进了矿山压力理论的发展。,面对在地下数百米,甚至上千米的深部矿产开采作业时,反映到采场支架上的压力远小于上覆岩层的重量，因此人们逐渐认识到采场上覆岩层中必定存在着某种形式的“大结构“保护着采场，使其免受整个上覆岩层的影响。这样的结构即采动岩体的灰色结构。,,二、采场顶板活动规律,2、有关采场上覆岩层活动规律的假说,面对在地下数百米,甚至上千米的深部矿产开采作业时,反映到采场支架上的压力远小于上覆岩层的重量，因此人们逐渐认识到采场上覆岩层中必定存在着某种形式的“大结构“保护着采场，使其免受整个上覆岩层的影响。,,二、采场顶板活动规律,假说观点由于岩层自然平衡的结果而形成一个前拱脚（支撑点）在工作面前方煤体，后拱脚（支撑点）在采空区内已垮落的矸石上或采空区充填体上。在前后拱脚间形成了一个减压区，回采工作面的支架只承受压力拱内岩石的重量。,（1）压力拱假说（德国哈克等，1928）,讨论压力拱假说对回采工作面前后的支承压力及回采工作空间处于减压范围作出了粗略的但却是经典的解释，而对于此拱的特性、岩层变形、移动和破坏的发展过程以及支架与围岩的相互作用，并没有做任何分析。,,二、采场顶板活动规律,假说观点工作面和采空区顶板可视为一端固定于煤壁前方岩体内、另一端处于悬伸状态的梁，悬臂梁弯曲下沉后，受到已垮落岩石的支撑，当悬伸长度很大时，发生有规律的周期性折断，从而引起周期来压。,（2）悬臂梁假说（德国施托克，1916）,讨论悬臂梁假说解释了（1）采场煤壁处顶板下沉量小，支架载荷也小，而距煤壁越远则两者均大的现象。（2）采场出现前支承压力、周期来压现象。该假说提出了各种计算方法，但由于并未查明开采后上覆岩层活动规律，因此仅凭悬臂梁本身计算所得的顶板下沉量和支架载荷与实际所测得的数据相差甚远。引论2019年10月10日，无锡高架桥侧翻事故，超载货车,,二、采场顶板活动规律,（3）铰接岩块假说（前苏联库兹涅佐夫，1950,假说观点（1）采场上覆岩层分为垮落带和裂隙带，二者差别在于，裂隙带岩块间存在有规律的水平挤压力的联系，从而相互铰合形成一条多环节的铰链。三铰拱式的平衡。（2）工作面支架存在两种工作状态给定载荷状态；给定变形状态。,讨论（1）正确解释了顶板分带情况。（2）提出了老顶铰接岩块结构形式。（3）没有解决结构平衡条件。,,二、采场顶板活动规律,（4）预成裂隙假说比利时拉巴斯，1950）,假说观点（1）在采场周围存在应力降低区Ⅰ，应力增高区Ⅱ和采动影响区Ⅲ，并随工作面推进而向前移动。采动岩体形成各种裂隙，从而形成假塑性梁。（2）老顶采动破坏产生裂隙，形成非连续的假塑性体，其在彼此被挤紧的状态时，可以形成类似梁的平衡。在自重及上覆岩层的作用下，将发生明显的假塑性弯曲；当下部岩层的下沉量大于上部岩层时，就产生离层。（3）工作面支架应具有足够初撑力和工作阻力，并应及时支撑住顶板岩层，使各岩层及岩块间保持挤压状态，借助于彼此之间的摩擦阻力，阻止岩层破断岩块之间的相对滑移、张裂与离层。,讨论（1）提出了采场顶板水平分区情况。（2）提出了破裂老顶呈塑性体，类似梁结构形式。（3）无具体力学模型，只是定性描述。,,二、采场顶板活动规律,（5）砌体梁假说（钱鸣高，1978）,垮落带,裂缝带,弯曲下沉带,理论观点（1）采场围岩分区性特征,砌体梁理论提出以后，很快得到煤炭系统广泛认同，对采场支架选型设计与顶板管理发挥了重要的理论指导作用。,,二、采场顶板活动规律,（5）砌体梁假说（钱鸣高，1978）,理论观点（2）力学简化模型上覆岩层结构的骨架是覆岩中的坚硬岩层。可将上覆岩层划分为若干组，每组以坚硬岩层为底层，其上部的软弱岩层可视为直接作用于骨架上的载荷，同时也是更上层坚硬岩层与下部骨架联结的垫层。随着工作面的推进，采空区上方坚硬岩层在裂缝带内将断裂成排列整齐的岩块，岩块间将受水平推力作用而形成铰接关系。岩层移动曲线的形态经实测呈开始为下凹、而后随工作面的推进逐渐恢复水平状态，由此决定了断裂岩块间铰接点的位置。,,二、采场顶板活动规律,（5）砌体梁假说（钱鸣高，1978）,理论观点（2）力学简化模型由于垫层传递剪切力的能力较弱，因而两层骨架间的联结能用可缩性支杆代替。当骨架层的断裂岩块回转恢复到近水平位置时，岩块间的剪切力趋近于零，此时的铰接关系可转化为水平连杆联结关系。最上层为表土冲积层，可将其视为均布载荷作用于岩体结构上，而骨架层各岩块上的载荷将随垫层的压实程度而变化。,讨论（1）砌体梁理论关于采场顶板分区、分带特征吸收了预成裂隙假说、铰接岩块假说的合理内容，得到了孔庄煤矿现场实测证实，已经成为煤炭系统关于采场顶板分区、分带特征的标准表述。（2）砌体梁理论建立了比较完善的力学模型，并提出了砌体梁平衡“准定量”计算，对一系列采场矿山压力现象做出了合理解释。（3）关于煤体影响、老顶岩层在煤壁上方破断位置等缺乏深入研究。,,二、采场顶板活动规律,（6）传递岩梁理论（宋振琪，1978）,理论观点（1）煤层支承压力分内外应力场。老顶破断位置一般位于煤壁前方，破断位置到煤壁这部分支承压力位内应力场，其大小由下位老顶岩梁重量决定，与采深没有直接联系；破断位置往深部为外应力场，其大小由开采深度直接相关。,,二、采场顶板活动规律,（6）传递岩梁理论（宋振琪，1978）,理论观点（2）老顶破断后，在破断裂隙附近一定范围支承压力明显减小，在采场煤壁前方的回采巷道顶底变形出现反弹，可以利用这一特点预报老顶来压和破断位置。（3）老顶传递岩梁可以传递水平力。（4）采场支架支护其上方全部直接顶岩石重量；对老顶根据采场需要选择“给定变形”还是“限定变形”。支架与顶板作用的位态方程,式中，A直接顶作用力；hA控顶末排最大顶板下沉量；hi要控制的顶板下沉量；K位态常数，由岩梁和控顶距决定。,,二、采场顶板活动规律,（7）关键层理论（钱鸣高，1996）,理论观点（1）在直接顶上方存在厚度不等、强度不同的多层岩层，其中一层至数层在采场上覆岩层活动中起主要的控制作用。将对采场上覆岩层局部或直至地表的全部岩层活动起控制作用的岩层称为关键层。前者称为亚关键层，后者称为主关键层。（2）为了弄清岩层移动由下往上传递的动态过程，岩层移动过程中形成的采场矿压显现、煤岩体中水与瓦斯的流动和地表沉陷等状态的变化，关键在于弄清关键层的变形破断及其运动规律。,,二、采场顶板活动规律,（7）关键层理论（钱鸣高，1996）,关键层相似材料模拟,,二、采场顶板活动规律,（7）关键层理论（钱鸣高，1996）,关键层相似材料模拟,,二、采场顶板活动规律,（7）关键层理论（钱鸣高，1996）,关键层相似材料模拟,,二、采场顶板活动规律,（7）关键层理论（钱鸣高，1996）,关键层相似材料模拟,,二、采场顶板活动规律,（7）关键层理论（钱鸣高，1996）,关键层相似材料模拟,,二、采场顶板活动规律,（7）关键层理论（钱鸣高，1996）,讨论（1）关键层理论的提出实现了矿山压力、岩层移动与地表沉陷、采动煤岩体中水与瓦斯流动研究的有机统一，为更全面、深入地解释采动岩体活动规律和采动损害显现奠定了基础，为煤矿绿色开采技术研究提供了新的理论平台。（2）关键层理论是矿山压力控制中的“抓主要矛盾”思想，给予大家一种研究问题的正确思路。,,二、采场顶板活动规律,3、直接顶垮落,煤层开采后，将首先引起直接顶的垮落。回采工作面从开切眼开始向前推进，直接顶悬露面积增大，当达到其极限跨距时开始垮落。直接顶初次垮落直接顶第一次垮落高度超过1～1.5m，范围超过全工作面长度的一半，叫做直接顶初次垮落，此时直接顶的跨距称为“直接顶初次垮落距”。,,二、采场顶板活动规律,3、直接顶垮落,直接顶初次垮落前，相对基本顶而言，其变形大，容易出现直接顶与老顶间的离层。对直接顶初次垮落前可以简化为“两端固支梁”式结构，其离层与变形分析如下图1所示。,图1直接顶初次垮落前的离层分析,直接顶,基本顶,,二、采场顶板活动规律,3、直接顶垮落,直接顶初次垮落前，相对基本顶而言，其变形大，容易出现直接顶与老顶间的离层。对直接顶初次垮落前可以简化为“两端固支梁”式结构，其离层与变形分析如下图1所示。,图1直接顶初次垮落前的离层分析,直接顶,基本顶,钻孔摄像机,32,33,直接顶和老顶间发生离层,,二、采场顶板活动规律,3、基本顶断裂模型,由于回采工作面长度（200m左右）远大于老顶悬露的跨距（40m左右）。因此可将老顶视为一端由工作面煤壁、另一端由边界煤柱支撑的固定梁，即所谓“梁”的假说。此时，若老顶之上的岩层强度较低，则上覆岩层的重量将通过老顶岩“梁”传递至两端的支承点上，即煤壁和煤柱上。,,二、采场顶板活动规律,3、基本顶断裂模型,图2岩层载荷计算图,多层顶板组合梁计算,计算假设条件岩层载荷为均匀分布。直接顶上方共有m层岩层。其中第一层岩层所控制的岩层达n层。1n层岩层同步变形，形成组合梁。各岩层厚度hi、体积力i、弹性模量Ei（i1,2,,m）。,,二、采场顶板活动规律,3、基本顶断裂模型,多层顶板组合梁计算,,二、采场顶板活动规律,3、基本顶断裂模型,例,知某煤层下位一组老顶参数如下表，其中第1层老顶岩体抗剪强度Rs33MPa。试求第1岩层所受载荷和极限跨距。,解,第1层本身的载荷q1为,,二、采场顶板活动规律,3、基本顶断裂模型,第1层本身的载荷q1为,考虑到第2层对第1层的作用，则,考虑到第3层对第1层的作用，则,考虑到第4层对第1层的作用，则,由此可知，应该考虑到第1、2、3层对第1层载荷的影响。第4层由于本身强度大、岩层厚，对第一层载荷不起作用。,,二、采场顶板活动规律,4、基本顶断裂初次来压,初采初次放顶基本顶悬露跨度增大基本顶断裂形成平衡结构失稳初次来压初次来压老顶平衡结构第一次失稳而施加给工作面以大型压力的过程。初次来压步距第一次来压时，工作面距开切眼的距离（推进距离）。,,,,,二、采场顶板活动规律,4、基本顶断裂初次来压,初次来压时矿压显现特点1、来压前，顶板压力无明显增大；2、煤壁内部支承压力增高，煤壁片帮严重；3、顶板有板炮声响；4、顶板下沉速度急剧增加，由1mm/h到520mm/h；5、支柱载荷急剧增加；6、顶板出现切断（直接顶沿煤壁切断）。,,二、采场顶板活动规律,5、基本顶断裂周期来压,初次来压老顶悬顶跨度增大老顶断裂平衡结构失稳周期来压。周期来压老顶平衡结构周期性失稳而施加给工作面以大型压力的过程。周期来压步距两次来压期间工作面推进距离。（周期来压步距1/2-1/4初次来压步距）,,,,,,二、采场顶板活动规律,5、基本顶断裂周期来压,周期来压矿压显现特点1、顶板下沉量急剧增加；2、支柱载荷普遍增加；3、煤壁片帮严重；4、当支撑力不足时，工作面回出现台阶下沉；5、如果支护参数选择不合理，会发生冒顶、切顶。,,三、采场支护参数计算方法,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。,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”。,,三、采场支护参数计算方法,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必须具备一定的可缩量；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、基本顶、底板岩层。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。,,三、采场支护参数计算方法,1、直接顶分类,直接顶是支架直接维护的对象，支架通过它对基本顶进行控制。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岩层的力学性质抗拉、抗压强度，弹模等岩层内节理裂隙的发育情况原生裂隙、构造裂隙、压裂裂隙。,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”,,三、采场支护参数计算方法,1、直接顶分类,以直接顶的初次垮落步距L0作为分类指标，分为4类。,,三、采场支护参数计算方法,1、直接顶分类,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113～5,来压不明显Ⅱ级0.350m来压强烈N≤0.3,L25～50mⅣ级N≤0.3,L50m来压极强烈,,三、采场支护参数计算方法,2、基本顶分类,②按老顶初次来压当量将老顶分为如表5-2的4级。Pe241.3lnL0-15.5N52.6m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。,,三、采场支护参数计算方法,3、底板特征及分类,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4支架与围岩体系刚度模型,,三、采场支护参数计算方法,3、底板特征及分类,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,,三、采场支护参数计算方法,3、底板特征及分类,按极限底板比压将底板分为5类,,三、采场支护参数计算方法,4、采场支架类型,根据支柱与顶梁的配合关系，将采场支架分为两大类。,,,三、采场支护参数计算方法,4、采场支架类型,图5支柱的几种典型特性曲线,,三、采场支护参数计算方法,4、采场支架类型,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。,,三、采场支护参数计算方法,4、采场支架类型,（1）支撑式液压支架支护方式分析,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。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。优点通风断面大、行人方便、结构简单、重量轻；,,三、采场支护参数计算方法,4、采场支架类型,（2）掩护式液压支架支护方式分析,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、采场支护参数计算方法,4、采场支架类型,（3）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及时支护方式滞后支护方式,,,三、采场支护参数计算方法,5、采场支架选型方法,（1）选型步骤1）确定顶、底板类型（直接顶、老顶、直接底）；2）估算支架所需支护强度（实测、来压步距）；3）初定额定支护强度、初选架型；4）修正架型及参数（断面、风量、倾角）；5）确定顶梁、护帮及侧推结构；6）确定底座参数；7）进行支架参数优化。,,三、采场支护参数计算方法,5、采场支架选型方法,,三、采场支护参数计算方法,5、采场支架选型方法,（1）围岩可控性分组根据直接顶类别、基本顶压力显现级别和底板抗压入特性类别的不同组合，回采工作面围岩的控制难易程度分3组难控围岩、较难控围岩和易控围岩液压支架结构选型和制定相应的岩层控制措施。,围岩可控性分组,G11为基本顶来压非常强烈，直接顶中等稳定以上，底板中硬以上的围岩组合；G12为直接顶不稳定和直接底为松软及较松软，基本顶来压等级为不明显至强烈的组合；G2为底板松软，直接顶和基本顶处于中间状态的组合；G3为顶、底板均处于中间状态，易于控制的围岩组合。上述组合类别是支架架型选择的重要依据。,,三、采场支护参数计算方法,5、采场支架选型方法,,三、采场支护参数计算方法,5、采场支架选型方法,（2）支架高度首先确定支架适用煤层的平均采高，然后确定支架高度。支架最大结构高度,支架最小结构高度,Mmax、Mmin为煤层最大、最小截高，mm；S1考虑伪顶冒落的最大厚度。大采高支架取200～400mm，中厚煤层支架取200～300mm，薄煤层支架取100～200mm；S2考虑周期来压时的下沉量、移架时支架的下降量和顶梁上、底板下的浮矸之和。大采高支架取500～900mm，中厚煤层支架取300～400mm，薄煤层支架取150～250mm。a－支架卸载高度,一般取50mm,,三、采场支护参数计算方法,5、采场支架选型方法,（3）支护强度和工作阻力,载荷估算法实测统计法若允许3支架时间加权平均阻力大于额定工作阻力，k2；若以最大工作阻力为统计值，则k11.3，此时,,三、采场支护参数计算方法,5、采场支架选型方法,（3）支护强度和工作阻力,,三、采场支护参数计算方法,5、采场支架选型方法,（3）支护强度和工作阻力,经验公式（煤炭科学研究总院，煤炭部行业标准）ⅠⅢ级老顶支护强度Ⅳ级老顶,老顶初压步距；备用系数,（额定支护强度；采高；周压步距；控顶长度；直接顶厚度/采高）,,三、采场支护参数计算方法,5、采场支架选型方法,（3）支护强度和工作阻力,理论分析法式中合理支护强度；岩块间摩擦角；岩块破断角；老顶岩层厚度；B岩块回转下沉量；B岩块的重量及载荷；控顶距。,,三、采场支护参数计算方法,5、采场支架选型方法,（3）支护强度和工作阻力,液压支架额定工作阻力式中额定工作阻力；液压支架中心距；液压支架支撑效率；控顶长度；支护强度。,支撑式0.90.95支掩式0.650.75支顶式0.80.9支撑掩护0.80.95,,,三、采场支护参数计算方法,5、采场支架选型方法,（4）初撑力的确定,提高初撑力可初撑力确定,减少顶板离层，增强顶板强度和稳定性提高对机道支撑，减少端面破碎度和煤壁片帮压实顶梁上及底座下浮矸，提高支撑系统刚度充分利用额定支撑能力，减少顶板下沉量。,,实测初撑力为额定阻力的0.714合理初撑力为额定阻力的0.60.851、2类顶板初撑力为额定阻力的0.750.852、3类顶板初撑力为额定阻力的0.60.75,,,三、采场支护参数计算方法,5、采场支架选型方法,（4）支架中心距和宽度的确定,支架中心距一般等于工作面一节中部槽长度。目前液压支架中心距大部分采用1.5m，高端液压支架采用1.75m，7m采高液压支架中心距为2.05m，轻型支架为适应中小煤矿工作面快速搬家的要求，中心距可采用1.25m。,支架宽度顶梁的最小和最大宽度。宽度的确定应考虑支架的运输、安装和调架要求。支架顶梁一般装有活动侧护板，侧护板行程170～200mm。支架中心距1.5m时，最小宽度取1400～1430mm，最大宽度取1570～1600mm。支架中心距1.75m时，最小宽度取1650～1680mm，最大宽度取1850～1880mm。支架中心距1.25m时，如果顶梁带有活动侧护板，最小宽度取1150～1180mm，最大宽度取1320～1350mm；如果顶梁不带活动侧护板，宽度一般取1150～1200mm。,,四、采场覆岩控制新技术,1、问题提出,对土地资源的破坏和占用平均每采万吨原煤造成塌陷土地0.2公顷，每年新增塌陷地约7.2万公顷。以山西省为例，煤炭地下采空面积达20000Km2（占全省面积的1/8）。,煤炭开采形成的环境问题之一,,四、采场覆岩控制新技术,1、问题提出,煤炭开采形成的环境问题之二,水资源的破坏和污染煤炭开采过程中，人为疏干排水和采动形成的导水裂隙对煤系含水层的自然疏干，破坏了地下水资源。同时开采还可能污染地下水资源。以山西为例，每采１吨煤损耗2.48吨的水资源,2018年8.93亿吨煤，采煤破坏地下水22亿m3/a，,,四、采场覆岩控制新技术,1、问题提出,煤炭开采形成的环境问题之三,对大气环境的污染主要来自矿井排出的瓦斯和矸石山的自燃。瓦斯即煤层气，它是比CO2还严重的温室气体，也是导致煤矿重大安全事故的根源。同时瓦斯又是最好的清洁能源。煤矿每年向大气排放瓦斯70-190亿m3。,,四、采场覆岩控制新技术,1、问题提出,煤炭开采形成的环境问题之四,对地面建筑物及人文环境的破坏以淮北矿业集团为例，2001年，13个村庄因采煤塌陷被迫搬迁，共计1412户、5535人迁徙。,,四、采场覆岩控制新技术,2、绿色开采的提出,提出并尽快形成煤矿的“绿色开采技术”已迫在眉睫。事实上，中国矿业大学教授钱鸣高院士及其领导的课题组，从20世纪九十年代初已开始了有关“绿色开采技术”的研究和实践。在长期研究和实践的基础上，钱鸣高院士正式提出了煤矿绿色开采的理念及其技术体系。,煤矿绿色开采的内涵在基本概念上是从广义资源的角度上来认识和对待煤、瓦斯、水、土地等一切可以利用的各种资源；基本出发点是从开采的角度防止或尽可能减轻开采煤炭对环境和其他资源的不良影响；目标是取得最佳的经济效益、环境效益和社会效益。,,四、采场覆岩控制新技术,2、绿色开采的提出,煤矿绿色开采的特点之一从广义资源的角度论，在矿区范围内的煤炭；地下水；煤层内所含的瓦斯；土地以至于煤矸石以及在煤层附近的其他矿床都应该是经营这个矿区的开发对象而加以利用。,煤矿绿色开采的特点之二从开采的角度采取措施，从源头消除或减少采矿对环境的破坏；而不是先破坏后治理。因而，矸石的井上处理与土地复垦是属于环境治理问题，而不属于绿色开采问题。,,四、采场覆岩控制新技术,2、绿色开采的提出,煤矿绿色开采的特点之三开采引起环境与主要安全问题的发生都与开采后造成的岩层运动有关（岩体不破坏上述问题都不会发生），因而，绿色开采的重大基础理论为1）采矿后岩层内的“节理裂隙场”分布以及离层规律；2）开采对岩层与地表移动的影响规律；3）水与瓦斯在裂隙岩体中的渗流规律；4）岩体应力场分布规律及岩层控制技术。岩层控制的关键层理论，为煤矿绿色开采技术的发展提供了理论基础。因而，一定程度上绿色开采技术可叫做“基于岩层控制的绿色开采技术”。,煤炭开采,岩层移动,排放矸石,地下水流失与突水事故,瓦斯卸压流动、瓦斯事故与排放瓦斯污染环境,地表塌陷、土地与建筑物损害,占用土地污染环境,保水开采,煤与煤层气共采,条带开采充填开采,矸石不出井与煤巷支护,煤炭地下气化,绿色开采技术体系,关键层理论,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,谢谢大家的聆听，请批评指正,