顶板分类与底板特征.doc

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1、5.1 顶板分类与底板特征5.5.1 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。控制回采工作面的矿山压力显现主要是控制老顶的活动规律，工作面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。采空区处理的具体措施则对老顶的活动有着明显的影响。 采空区处理采场矿山压力控制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

2、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：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、老顶、直接底岩层。这三者对采场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。5.1.2 对直接顶的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。 直接顶的完整程度取决于两个因素： 一个是岩层本身的力学性质， 另一个是直接顶岩层内由各种原因造成的层理和裂隙的发育情况。 岩层的力学性质：抗拉、抗压强

3、度，弹模等 结合我国的实际情况，曾将直接顶按稳定性分为三种状态。 一是破碎的顶板，如页岩、再生顶板及煤层顶板等。这种顶板，回采时若护顶不及时，很易造成局部冒顶。 其次是中等稳定顶板，如砂页岩或粉砂岩等，虽由于受到一系列裂隙所切割，但局部尚较完整，因而仍属于中等稳定型。 还有一种是完整顶板，这种顶板允许悬露面积大，稳定性好，不易发生局部冒顶。如砂岩或坚硬的砂页岩等。 岩层内节理裂隙的发育情况：原生裂隙：岩层在形成过程中由于温度、矿物结晶及沉积的作用而形成的弱面，从一定意义上讲，层与层之间的层面也应属于这一类。 构造裂隙：岩层形成后，经剧烈的地质变动，例如在挤压、扭曲等过程中形成的弱面。这种弱面有

4、些是贯穿于整个岩层群的大小断层面，以及伴随此断层的各种小型破坏面。 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。直接顶的分类： 以直接顶的初次垮落步距L0作为分类指标，分为4类。1类 L08m 不稳定顶板2类8mL018m中等稳定顶板3类18mL028m 稳定顶板4类28mL050m非常稳定顶板 以直接顶端面破碎度E作为分类指标，分为3类。 式中 FA为破碎的面积，F为整个梁端到工作面煤壁的面积。但一般冒高超过510 cm的面积才计入破碎面积。当端面距为1m时的端面破碎度称为顶板冒落灵敏度。1类 E 30%不稳定顶板2类 11% E 30%

5、中等稳定顶板 3类 E 35, 来压不明显(图5-3(a).级 0.3N35, L=25 50m 来压明显(图5-3(b).级 0.3 50m 来压强烈 N0.3 , L=2550m (图5-3(c).级 N0.3 , L 50m 来压极强烈(图5-3(d).级 能塑性弯曲的顶板。赋存在煤层之上的顶板，随着工作面的推进能缓慢下沉，而后逐渐与煤层底板相接触(图5-3(e)。一般只可能在薄煤层或厚度不大的中厚煤层的石灰岩顶板中才出现。 (2) 老顶分级方案及其指标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按（5-1）式确定。老顶分级指标见表5-

6、2。 Pe=241.3ln(L0)-15.5N+52.hm式中， Pe- 老顶初次来压当量； L0- 老顶初次来压步距； N 直接顶充填系数，N= hi/hm 。 hi-直接顶厚度，m； hm-煤层采高，m。 按老顶初次来压当量将老顶分为如表5-2的4级。5.1.4 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。 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： 整体剪切的特征是，当载荷达到某一定值后，

7、突然下降，压入深度迅速增大，此突破点称为底板的极限抗压入强度。 局部剪切的特征是，没有明显的突破点，但随载荷的增加，压入深度的变形率增长较快。 其他剪切的破坏形式介于前两者之间，有突破点，但不明显，载荷超过突破点后压入深度明显增大。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、可根据此表选择支柱应具有的底面积5.2 采场支架类型与支架力学特性5.2.1 概述根据支柱与顶梁的配合关系，将采场支架分为两大类。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。金属顶梁是刚性结构件。支柱则常由两节(即活柱和底柱)组成。它们之间的伸缩关系形成了支柱的可缩性。因此，支架的

8、特性主要是由支柱的特性来决定的。 液压支架其力学特性不仅决定于液压支柱的力学特性，还取决于其结构，可形成不同的力学特性。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。 P0 初撑力：支架支设时，将活柱升起，托住顶梁，利用升柱工具和锁紧装置使支柱对顶板产生一个主动力。对于液压支柱，即是泵压所形成的支柱对顶板的撑力。 P0 始动阻力：在顶板压力作用下，活柱开始下缩的瞬间支柱上所反映出来的力称为始动阻力。 P1 初工作阻力：指在支架的性能曲线中，活柱下缩时，工作阻力的增长率由急剧增长转为缓慢增长的转折点处的工作阻力。 P2 最大工作阻力：支柱所能

9、承受的最大负载能力，又称额定工作阻力。 目前所使用支柱的工作特性有以下几种，如图5-5所示。图55 支柱的几种典型特性曲线(P-s曲线)(a) 急增阻式；(b) 微增阻式；(c) 恒阻式 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 急增阻式：支柱开始支设时，有一个极小的人为的初撑力P0，当支柱在顶板压力作用下，活柱开始下缩时便形成了始动阻力P0，而后随着活柱下缩，工作阻力呈直线型急剧增加。这种支柱可缩量较小，其特性曲线见图5-5(a)。 微增阻式：随着活柱的下缩，工作阻力先有一个急剧增长过程。当达到初工作阻力P1后，随着支柱的继续下缩，工作阻力的增长变得极

10、为缓慢，一直到支柱的最大可缩量，也即是支柱的最大工作阻力时为止。此类支柱具有较大的可缩量，其特性曲线见图5-5(b)。 恒阻式：当支柱安设后，随着活柱下缩，很快达到额定工作阻力，以后尽管活柱继续 下缩，支柱的工作阻力保持不变，特性曲线见图5-5(c)。液压支柱是典型的恒阻性能支柱。 从支柱工作阻力适应顶板压力的特点进行分析，显然，恒阻性能的支柱较为有利，急增式性能比较差。 我国煤矿长壁工作面支护方式木支柱单体金属摩擦支柱（急增阻和微增阻）单体液压支柱（恒阻式）液压自移支架(由液压支柱和顶梁、底座、移架千斤顶组合而成)。 5.2.2 单体液压支柱的结构与特性按注液方式分为 内注式和外注式单体支架

11、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.内注式液压支柱使用的工作介质是机油，它是通过摇动手把，操纵支柱内的手摇泵，把油从低压腔压入高压腔。回收时，打开卸载阀使高压腔内的油回到低压腔，活柱在自重作用下自动回缩。 外注式液压支柱支设时靠外部泵站经管路系统通过注液枪向支柱供液。工作介质是含有1%2%乳化油的乳化液。回收时打开卸载阀，把工作介质排到支柱外部，活柱靠自重和弹簧力回缩。单向阀、安全阀和卸载阀共同组成一个三用阀，它的性能优劣直接影响着支柱的工作特性。 （图5-8/5-9）外注式和内注式液压支柱使用特点： (1) 外注式液压支柱需要配备液压泵和

12、管路系统，不如内注式灵活，但柱体内不需手摇泵，因此结构简单，重量轻，成本低 (2) 外注式液压支柱每使用一次需要消耗一定的乳化液； (3) 外注式液压支柱支设速度由液压泵的流量决定，泵的流量比内注式液压支柱的手摇泵要大得多，所以支设速度较快。 在一些薄煤层或人行走比较困难的工作面，来回拉注液枪有困难时，宜使用内注式液压支柱。在缓斜和倾斜中厚煤层工作面中，则宜使用外注式液压支柱。 5.2.3 液压支架的分类 液压自移支架内使用的液压支柱属于外注式，其工作原理如图5-8所示。图5-8 液压支架支柱工作原理 -升柱状态；-工作状态；-卸载状态 1-活柱；2-柱体；3、9、10-管路；4-安全阀；5-

13、单向阀；6-主回油路；7-主进油路；8-操纵阀从支架结构及其支撑特点出发，我国将液压支架分为三类： 支撑式。指在结构上没有掩护梁，对顶板的作用是支撑的支架称为支撑式支架。 掩护式。指在结构上有掩护梁，单排立柱连接掩护梁或直接支撑顶梁对顶板起支撑作用的支 支撑掩护式。指具有双排或多排立柱及掩护梁结构的支架，支柱大部或全部通过顶梁对顶板起支撑作用，可能有部分支柱是通过掩护梁对顶板起作用。另外，将对顶板仅起掩护作用的液压支架称为纯掩护式液压支架。图5-9 各类液压支架的基本结构(1) 支撑式：结构上没有掩护梁(2) 掩护式：结构上有掩护梁，支柱在掩护梁上(3) 支撑掩护式：结构上有掩护梁，支柱在顶梁

14、上，有时在顶梁和掩护梁上都有支柱。5.2.4 液压支架支护方式分析（1）支撑式液压支架支护方式分析（图5-12）支撑式液压支架支撑力的分布，与有排柱放顶的单体支架工作面相类似。以BZZC为例，支撑力在顶梁上的理想分布状态如图5-13所示。支撑式支架支撑力分布状态 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。但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。 表5-4表示了阳泉四矿四尺煤4223面所统计的合力作用位置分布情况。由表可知83%是处于两柱中间

15、而偏于前柱的位置，只有7%是后柱明显大于前柱，10%是前柱明显大于后柱。这种情况说明，支架的架型与顶板情况是相适应的。对于顶板比较破碎的工作面，由于支架反复支撑，常常导致直接顶比使用单体支柱时更易破碎。图5-12表示在这种顶板条件下使用垛式支架的情况。图中(a)、(b)与(d)的情况，顶板压力必然导致支架受力前移，其结果是使支架前柱受力远大于后柱，有时甚至形成后梁的上翘现象。 在图中(c)所示的情况，才有可能出现前后柱受力相等或后柱受力大于前柱的现象。 图5-14 在比较破碎的顶板条件下使用垛式支架 综上所述，一般性结构的支撑式液压支架比较适应于直接顶比较完整的工作面，若周期来压又较剧烈则更易

16、于适应。 对特别坚硬的顶板却又由于支柱承受不了强大的水平推力而不相适应。 在破碎顶板条件下，则必须采取有效的护顶措施，才能得到良好的使用效果。 支撑式支架通风断面大、行人方便、结构简单，在瓦斯矿井中使用具有很大的优越性。我国煤炭行业标准认为支撑式液压支架适用于采高1.5 m以上，直接顶3、4类，底板类以上，煤层倾角20以内的长壁工作面。 （2）掩护式液压支架支护方式分析掩护式支架是由托梁、掩护梁、底座与支柱四个主要部件所组成。这种支架的主要特点是对机道上方的顶板进行支撑而对采空区冒落的矸石采取掩护的办法。 按掩护梁与底座间联结方式分为：单铰式 双铰式（四连式）单铰式掩护支架托梁铰接点做圆弧线运

17、动，双铰式掩护支架的托梁铰接点做双纽线运动。图5-16及图5-17为单铰式与双铰式支架的实例结构图这种支架的优点是： 缩小了控顶距，减少了托梁与顶板之间反复支撑的次数，提高了支架对机道上方顶板的支撑 在顶板局部冒顶情况下，可以考虑不勾顶。 支架的结构可以承受一定水平推力，因而可以实现承载前移。 挡矸性能良好，因而采空区矸石不能涌入回采工作面空间。 但这种支架工作空间小，因而通风断面小，行人也不方便。除此之外，由于增加了掩护梁，支架重量有所增加。 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。（3）支撑掩护式液压支架支护方式分析 为了使液压支架同时兼有支撑式与掩

18、护式支架的有点，设计了支撑掩护式支架，它是支撑与掩护式两种架型的组合。 支撑掩护式支架有双排、三或四立柱，分支顶式及支顶支掩式两种。不论哪种，其顶梁长度一般均较掩护式支架长，增加了支撑力，缩短了掩护梁长度，加大掩护梁的坡度，改善支架底座与底板受力情况，可见支撑掩护式支架支撑能力较强，对顶板的适应性较强。 但也导致控顶距增大，价格较高，重量较大，支架结构较复杂等缺陷。(4) 支顶式掩护支架支护方式分析 人们希望所设计的支架结构兼有支撑式液压支架和支掩式掩护支架这两者的优点，因而自1974年开始设计和试制了支顶式掩护支架，并逐步取代了其他型号的支架。 我国煤炭行业标准规定，支顶式掩护支架优先适用于

19、直接顶为1、2、3类，老顶、级，底板为2类以上的条件。 图5-15为我国自行设计与制造的支顶式掩护支架，这种支架在实际使用中取得了很好的效果。这种支架消灭了掩护梁与托梁间的三角区，提高了掩护梁的坡度，缩短了掩护梁的长度，同时还改善了底座与底板间的受力情况。 5.2.5 单体支架支护方式分析 采用单体支架时，落煤后须立即架设支架，待该支架由于工作面推进变到靠采空区一侧时进行回撤。因此每一根支柱都经历了回采工作空间顶板下沉的全过程。 单体支柱受力的大小，首先决定于顶板压力的大小，有时还决定于底板的力学性质以及顶梁是否具有压缩性。单体支柱所受载荷在梁上的分布状态，则取决于顶梁在支柱上的布置方式，如图

20、5-17所示。 若接顶情况良好，以支柱为基准，前后梁的长度为11，则载荷应是均匀分布，如图5-17中(a)。 若考虑到顶梁两端有一定的变形，则载荷应呈抛物线形，如图5-17中(b)。 若比值为21，则为三角形分布，如图5-17中(c)。 最好前后梁长的比例不大于2，因为事实上多余的一部分梁对顶板不起支护作用，如图5-17中(d)。 图5-17 单体支柱顶梁载荷分布在使用全部垮落法处理采空区时，把支架分为工作面支架与切顶支架两部分，其布置方式如图5-18所示。图5-18 有排柱放顶支架支撑力分布 当工作面直接顶比较破碎时，切落直接顶已不成问题。工作面不再使用切顶支架，而是以加强工作面支护为主。此

21、时，支架的布置方式及支撑力分布如图5-19所示，称为无排柱放顶。图5-19 无排柱放顶支架支撑力分布 单体支架在回采工作面的布置方式决定于直接顶的稳定性，同时也应考虑老顶来压时可能带来的危害。现分述如下： 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。2) 棚子支护 直接顶为中等稳定或比较破碎时采用这种支护方式。一般棚子多由一梁二柱组成。在破碎顶板条件下，棚子的梁与梁之间还应采取加木背板、竹笆或荆笆等护顶措施。 图5-21 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3) 单体柱铰接顶梁布置(1) 金属顶梁 目前回采工作面的护顶

22、方法主要是使用金属铰接顶梁。悬臂支架用的金属铰接顶梁结构如图5-23所示。 (2) 悬梁与支柱的关系 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。图523 HDJA型金属顶梁 1-接头；2-梁体；3-耳子；4-销子；5-调角楔； L-中心距 图5-24 机组工作面的悬臂支护 (a)正悬臂；(b)倒悬臂 (3) 支架的布置方式 齐梁式支护 齐梁式支护是指悬梁端与工作面相齐，支柱排成直线状。根据截深与顶梁长度的关系， 分为 截深与顶梁长度相同(图5-25)，截深是顶梁长度之半。一般都采用正悬臂式支护。图5-25 齐梁式支护 错梁式支护 这种布置方式的截深是顶梁长度的一半。每进一刀，隔一架棚挂一根梁。顶梁交错向前。错梁直线柱布置方式如图5-26所示。顶梁交错使用正倒悬臂，支柱呈直线状。进第一刀时一般要间隔打临时柱，此种支护方式一般在顶板比较破碎时使用。