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1、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。,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：必须具备一定的可缩量；必须具备一定的支撑性能,
2、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：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。,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
3、,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。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%中等稳定顶板3类 E 10%稳定顶板,图53 顶板端面破碎度的计算示意图,FA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
4、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。,级 N35,来压不明显级 0.3 50m 来压强烈 N0.3,L=2550m 级 N0.3,L 50m 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544 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
5、。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,图57 支柱的几种典型特性曲线,二、单体液压支柱的结构与特性,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：,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
6、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,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,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
7、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,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535 带帽点柱的布置方式,2.单体柱铰接顶梁布置,图539 机组工作面的悬臂支护,图538 HDJA型金属顶梁,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
8、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544 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：,支架围岩是相互
9、作用的一对力。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。支架结构及尺寸不同对顶板压力影响和维护效果不同。,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PL近似呈双曲线关系。,（二）支架PL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PL曲线可以得出一下结论：,不同的顶板条件，PL曲线的斜率不同，但都呈双曲线关系。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。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。回采工作面
10、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。,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
11、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,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:首先确定煤层的最大采高Mmax及最小采高Mmin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。,SLMLSL 工作面顶板下沉量；下沉系数，一般为0.0250.05；M 煤层采高；L 控顶距。,顶板最大下沉量可用下式估算：,求支柱最大高度HmaxHmax=Mmaxb b顶梁厚度；求支柱的最小高度HminHminMminSLbaa支柱回柱放顶时必要的卸载高度,一般取50mm,根据顶板最大下沉量SL,确定支架的型号,根据Hmax及Hmi
12、n确定支柱规格。2.液压支架规格的选定方法确定最大采高Mmax，最小采高Mmin；确定支架在最大采高时前柱的顶板下沉量S1；确定在最小采高时，后柱顶板最大下沉量S2；确定支架最大、最小高度Hmax=MmaxS1 HminMminS2aa支架卸载高度,一般取50mm,对支架围岩系统而言：PP0KSP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
13、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：P0rh/nh直接顶厚度n支护密度n1/aba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,a1m;截深为0.8m,a=0.8m;截深为0.6m，a1.2m。b柱距，一般0.5mb1m,当煤层为倾斜煤层时（倾角为），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：P0rh（cos-sin/f）/n f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：使用的乳化液泵出口压力满足要求;支护系统的刚度要满足要求,底软钻底需穿鞋;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=(48)mr/nm煤层采高；r岩层容重；n支护密度(2)现场测定 PH=Pt+2 tPt实测支架工作阻力（时间加权）平均值t 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552 老顶来压预报道测站布置,
