第五章-回采工作面顶板控制与支护.ppt

第五章回采工作面顶板控制与支护本章介绍顶板分类支架类型与特性采场支架与围岩相互作用原理综合机械化工作面顶板控制设计单体液压支柱工作面顶板控制设计,第一节顶板分类与底板特征一、对直接顶的分析1、定性分析破碎顶板页岩、再生顶、煤顶中等稳定顶板砂页岩、粉砂岩完整顶板砂岩、坚硬砂页岩,,按稳定状态,,原生裂隙构造裂隙压裂裂隙,裂隙类型,,张裂隙剪裂隙,,2、定量分析按直接顶初次垮落步距分,不稳定顶板中等稳定顶板稳定顶板,,3、雅格比分类法端面破碎度端面破碎面积与梁端无支护面积之比。,冒落敏感度E端面距为1米时的端面破碎度。,一类二类三类,,二、对老顶分析老顶的影响主要体现为来压影响，原分类与来压有关。,无来压来压明显来压严重坚硬顶板塑性顶板,厚高比（5，52，2）,三、顶板分类方案（P132）1、分类目的规范化、科学化、系列化2、分类方案依据直接顶的稳定性（强度、初垮步距）分为四类；依据直接顶厚高比、老顶来压步距将老顶分为4级。直接顶分为四类，其中1、2类各分为两个亚类；（不稳定、中稳、稳定、非常稳定）老顶依据老顶初次来压当量将老顶分为4级。（来压不明显、明显、强烈、非常强烈）,顶板分类名称含义直接顶一类二类三类四类不稳定中等稳定稳定坚硬老顶1级2级3级4级来压不明显来压明显来压强烈来压极强烈,举例二类2级顶板直接顶中等稳定，老顶来压明显。,四、底板特征1、底板的力学特征2、底板比压底板单位面积所受支架的压力支柱插入底板的破坏形式,受支承压力影响，产生变形。受支柱压力作用，被压入。,,整体剪切局部剪切其它剪切,,整体剪切局部剪切其它剪切穿鞋破坏,整体剪切当载荷达到某一值后（极限抗压入强度），突然下降。局部剪切没有明显的突破点，随载荷增加，压入深度的变形率增长较快。其它剪切界于二者之间，有突破点但不明显，载荷超过突破点后，压入深度明显增大。,木柱鞋抗压强度较低，不宜使用,第二节采场支架类型与特性一、支架类型木支架木柱木梁摩擦金属支架摩擦柱铰接金属梁单体液压支架液压柱铰接金属梁支撑式掩护式支撑掩护式,单体支架,液压支架,,,,普通支架端头支架大采高支架放顶煤支架,液压支架的应用范围正在逐步扩大,二、支架的工作特性单体支架特性应为支架与顶梁的共同特性，当顶梁为刚性材料时，支架特性主要由支柱特性决定。液压支架特性不仅与支柱特性有关，而且与支架结构有关。1、支柱特性支柱力学特性受顶板压力作用，支柱变形（下缩）性质。,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顶板压力作用而产生的反抗力。（撑力主动力；阻力被动力）初撑力支柱刚架设时对顶板支撑力；始动阻力顶板压力下，支柱开始下缩时的阻力；初工作阻力阻力由急剧增长到缓慢增长的转折点处阻力；额定工作阻力支柱所能承受的最大载荷。,3、支撑系统工作特性支撑系统围岩与支撑物所构成的力学系统。支撑系统顶板插背物顶梁支柱（浮煤矸）柱鞋底板支撑系统特性支撑系统受力作用而呈现的变形性质。在对顶板的支撑中，实际是支撑系统工作特性在起作用。支撑物的可缩性使支撑系统早期发生较大变形，阻力上不去，顶板离层。支柱插入底板可导致顶板管理恶化。,正常情况,插入底板,安全规程规定禁止将支柱架设在浮煤、浮矸上。技术要求柱顶要插严背实；煤底或软岩底时，支柱要穿鞋（液柱铁鞋）,三、液压支柱1、类型内注液式NDZ外注液式DZ2、结构3、DZ系列4、型号DZ2230/100,DZ普通单体液压支柱PDZ炮采单体液柱SDZ三柱套（薄煤层）,,DZ系列系列高度22分米额定阻力30吨/油缸内经100毫米,5、初撑力式中泵站工作压力；活柱直径；管路压力损失系数。6、液压支柱工作原理,Ⅰ升柱；Ⅱ工作；Ⅲ降柱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,带帽点柱的布置方式,a矩形排列；b三角形排列,四、单体支架布置方式1、带帽点柱矩形、三角形布置,连锁式及对接式走向棚a连锁上行式；b连锁下行式；c连锁混合式；d对接式,2、棚子支护顺板（两柱、三柱）（倾斜棚）横板（两柱）连锁（上行式、下行式、混合式）,倾斜棚,机组工作面的悬臂支护a正悬臂；b倒悬臂,3、悬臂梁支护正悬臂、倒悬臂,齐梁直线柱布置,错梁直线柱布置,4、悬臂梁支架的布置方式,常用错梁直线柱,5、特种支架,丛柱排柱（密集）直线木垛,三角木垛斜撑（戗柱）抬棚,特种支架的主要作用增加支撑力丛柱、排柱、抬棚增强稳定性木垛、斜撑（戗柱）、抬棚,6、架设金属单体支架的技术要求1确保金属支柱的工作性能，失效支柱应及时运至地面检修；2在支设金属支柱时，应采用升柱器，使之具有一定的初撑力；3严禁在一个工作面使用两种或两种以上不同性能的基本支柱；4金属支柱必须与金属铰接顶梁配套使用；5不宜让支柱受偏心载荷；6必须保证支柱的支设质量。不能将支柱打在浮矸上。,五、液压支架1、分类按支撑面积与掩护面积比值分类,支撑式支撑掩护式掩护支撑式掩护式,,支撑式,掩护支撑式,支撑掩护式,掩护式,支撑式按支架结构分类掩护式支撑掩护式2、支撑式支架支护分析工作特点支撑力大，适宜坚硬有来压顶板；反复支撑次数多，不适宜破碎顶板；框式结构，不能承受水平推力。优点通风断面大、行人方便、结构简单、重量轻；适用于顶板稳定，有来压，瓦斯大的工作面。,,3、支掩式掩护支架分析工作特点（支柱支撑在掩护梁上）控顶距小，减少了对顶板的反复支撑次数结构可承受一定水平推力；适应破碎顶板（挡矸，冒顶时可不勾顶）缺点支架空间小、通风断面小、行人不便、重量大,单铰式,双铰式,第三节回采工作面支架与围岩相互作用原理一、支架与围岩的相互作用1、支架与围岩相互作用体系1）横向“煤体支架垮落矸石”支撑系统,煤体,支架,垮落矸石,“煤体支架垮落矸石”支撑系统煤体、垮落矸石为平衡结构支点（拱脚），需承受更多载荷；“煤体支架垮落矸石”支撑系统为静不定系统，刚度大的承受载荷也大；煤体刚度大于垮落矸石及支架，为主要承载体；支架受到保护，刚度较小，承载较小。,2）纵向“老顶直接顶支架底板”支撑系统,老顶,直接顶,支架,底板,老顶以上岩层为载荷；直接顶、底板的刚度直接影响支架特性的发挥；支架特性为插背物、顶梁、支柱、柱鞋的综合性质；当其它结构物刚度很大时，支撑系统的特性即为支柱的刚度；在整个支架群中，该支撑系统的特性影响到支架所受载荷的大小。,2、支架与围岩相互作用的特点1）支架与围岩间的作用是作用力与反作用力关系；（支撑力宜均匀分布，且与顶板压力共线）2）支架受力的大小与支架本身特性有关；（在同一工作面，不允许同时使用特性不同的支架）3）支架支撑力在工作面的分布状态与支架性能有关；,刚性急增阻微增阻恒阻,4）支架结构及尺寸对顶板压力具有影响支架受力顶板压力；支架结构影响其特性，继而影响其受力大小；（支撑式大，掩护式小）；支架受力大小与分布即为顶板压力的大小与分布。（支撑式大，作用力靠后；掩护式小，作用力靠前）,3、支架工作阻力与顶板下沉量的关系（支架与围岩相互作用关系）由调压实验得到,平时,来压时,2）由曲线结论关系为双曲线关系；在某一工作阻力以上，而减少甚微；在某一工作阻力以下，则急剧增加；（该工作阻力称为与顶板下沉量相适应的合理工作阻力）以提高工作阻力控制顶板下沉量是有一定限度的；不同工作面，曲线不同。合理工作阻力为拐点对应的工作阻力,二、采场支架的工作状态1、支架与围岩体系的刚度1）组合刚度并联串联,并联串联,2）支架的刚度式中支架的刚度（并联）；支架立柱数；支架立柱的刚度；支架立柱与竖直方向的夹角。3）直接顶的刚度式中直接顶弹性摸量；直接顶高度与支架承载宽度比值。,似刚性中间型刚度似零刚度,,4）底板的刚度（通过分析底板比压获得）5）支架与围岩体系的刚度当底板影响小时（穿鞋或坚硬）当直接顶刚度时当直接顶为中间型刚度时，与支架组成系统刚度。,2、支架的工作状态给定载荷直接顶刚度小，老顶的“回转变形压力”由直接顶变形所吸收，支架承受的载荷为直接顶载荷。（直接顶离层）给定变形直接顶刚度大，老顶的“给定变形”全部通过直接顶传到支架上。给定载荷增大稳定性；支架给定变形增大支撑力、可缩性。,,第四节综采面顶板控制设计一、概述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。重要内容支架额定强度、架型,2、架型选择分析比较法依据顶底板状况、采高、倾角、瓦斯、煤层稳定程度、开采方法等因素确定支架额定工作阻力、几何尺寸、立柱数量位置、移架方式、顶板覆盖率等参数。（目前多用）综合评分法在特定的地质、开采技术条件下，对预选的各种支架对围岩的适应性及力学特性进行评价打分，综合分数时考虑各项内容的重要程度，选择分数最高者，确定支架结构，然后确定支架的初撑力、工作阻力，并对支架参数进行优化。,二、液压支架参数1、工作阻力估算法实测法若允许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,经验公式（煤炭科学研究总院）ⅠⅢ级老顶Ⅳ级老顶,（额定支护强度；采高；周压步距；控顶高度；直接顶厚度/采高）,老顶初压步距；备用系数,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。,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,,2、初撑力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,,第五节单体液压支柱工作面顶板控制一、顶板控制的原则1、目标2、原则,消除冒顶隐患，防止冒顶事故；将顶板下沉量控制在一定限度内；费用最少。,,初撑力可平衡垮落带岩层重量；可缩量能适应裂隙带岩层的下沉；可切断近距薄层老顶；能防止顶板岩层的失稳性破坏；保证顶板处于良好状态。,,二、单体支架工作面顶板控制设计（设计内容包含支柱类型、规格选择，支柱的额定阻力、初撑力确定，支架顶梁选择，支架布置形式，支护强度及支柱密度，排柱距及特殊支架布置等）1、工作面合理支护强度的确定一般按老顶初次来压最不利状态进行计算,合理支护强度（支架承受直接顶重量及老顶重量的一半）其中,考虑支撑合力作用位置及附加载荷后的悬顶系数。,2、支柱有效支撑能力的确定支柱有效支撑能力在允许的顶板下沉量范围内，所有支柱所能达到的工作阻力的平均值。（有效支撑能力＜额定工作阻力）1）支柱不钻底，支护质量正常时式中支柱承载不均匀系数（0.80.9）；增阻系数0.90.95；支柱回撤前所能达到的理论工作阻力，kN/柱。,2）支柱发生钻底时式中与底板抗压入强度相对应的支柱工作阻力；考虑支柱钻底式的不均匀系数，增阻系数。3、支柱密度及柱距确定,排距a与截深匹配；柱距b,用单体支柱铰接顶梁时，柱距不小于0.5米；破碎顶板、网下开采时，任何梁，柱距不小于0.7米。4、支柱初撑力增加初撑力，可预防直接顶离层，使支柱更快达到工作阻力以平衡垮落带岩重。应使初撑力尽量等于额定工作阻力；一般条件下，初撑力应不低于额定阻力的7080。,5、支护系统刚度支护系统刚度单位顶底板相对移近量所对应的支柱工作阻力增量。（支护系统刚度受系统内组成部分影响）从有效控制顶板角度看，支护系统刚度越大越好。（支柱钻底超过100mm，则需要穿铁鞋）,插背物目前的背顶材料，压缩率可达50，一般在50kN前即可完成，压缩量大，刚度小；顶梁金属顶梁不可压缩，可认为是刚性；底板砂页岩、砂岩等中硬、坚硬岩层刚性较大，煤、泥岩、页岩等较软岩层刚度小，影响系统刚度；支柱单体液柱刚度比较理想；（初撑力高，可压缩背顶物等材料，使系统刚度增加）,增大工作面支护强度顶底板相对移近量；端面冒高；顶板台阶下沉量。,,则可减少,提高支柱初撑力提高支柱密度提高支护系统刚度,均可提高支护强度,,三、单体支柱工作面支护强度的实测统计（可选用）（依据统计公式定量确定支护强度、支柱密度）1、单体支柱的支护强度式中备用系数，一般取1.21.4；,单体工作面支护强度下限,2、单体支柱密度选择1）按直接顶稳定性确定支柱密度,各类直接顶的支柱密度,2）按必需的支护强度验算支柱密度式中单体支柱工作阻力；支护强度；支柱密度。,单体支柱工作阻力,实测阻力与初撑力相近，可用初撑力代替。,必需的初撑支护强度由替代支柱密度验算单体支架工作面可通过调整支架密度来增大支护强度,