回采工作面顶板控制及支护方法.ppt

1、第五章 回采工作面顶板控制及支护方法,1 回采工作面顶板岩层分类,一、对直接顶的分析 完整性取决两大因素： 1. 岩层本身性质； 2. 直接顶层理和裂隙发育情况。 我国将直接顶分三种： 1破 碎 顶 板： 页岩、泥质页岩、再生顶板； 2中等稳定顶板： 砂页岩、粉砂岩，随回柱垮落，对工作面影响不大； 3完 整 顶 板： 砂岩、坚硬砂页岩，常悬而不冒需人工处理。,图 52 直接顶各类裂隙图,采煤方向与裂隙的选择关系,通过大量研究，采用直接顶初次垮落步距L0作为分类工程指标（定量指标）。 L01620m 顶板为稳定顶板； L08m为不稳定顶板； L0 =915m间，中等稳定顶板；,另一分类方法：直接

2、顶端面破碎度（易冒落灵敏度 E ） E=010% 一类； E=1113% 二类； E 30% 三类；,图54 顶板端面破碎度的计算示意图,二、对老顶分析,我国对老顶分类基本上只用一个指标： Km5 无周期来压或周期来压不明显顶板 2Km5 周期来压的顶板 Km2 周期来压严重的顶板 老顶特别坚硬 极坚硬顶板 软岩,三、我国近期对缓斜工作面试用的顶板分类方案,2 采场支架,一、单体支柱 支护方式： 木支护： 金属支护：单体液压支柱 摩擦式 综采支架 U型钢支护 梯形支护,1支柱工作特性,（1）几个概念： 初撑力 ：支架架设时，利用升柱工具使支柱对顶板产生的主动支撑力。 始动阻力 ：在顶板压力作用

3、下，活柱开始下缩的瞬间，支柱上所反映出来的力。这种力是顶板压缩支柱而形成的。 初工作阻力P1：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。 最大工作阻力P2：支柱所能承受的最大负载能力，又称为额定工作阻力。,（2）分类 急增阻式a；微增阻式b；恒增阻式c。 图51 支柱的几种典型特性曲线(Ps曲线) a急增阻；b微增阻式；c恒阻式；,2支柱类型,（1）木支柱 （2）单体摩擦式金属支柱 该支架由金属支柱+金属铰接顶梁而成为急增阻式或微增阻式。 急增阻特性曲线斜率与活柱斜度有关，活柱斜度越大，增阻越快，斜度为1:100。（应用极少） 微增阻是由两个

4、摩擦面上的摩擦力形成（广泛应用）,图58 HZJA型支柱结构图 1柱体；2活柱；3顶盖；4锁箍；5垂直楔；6传动楔；7水平楔；8档底；9摩擦板；10底座；11铰接顶盖,图59 HZJA-1000型支柱特性曲线,图510 HZWA型金属支往及其锁体 1底座；2柱筒；3活柱；4铰接顶盖；5锁体；6滑块；7楔块；8水平楔；9弹簧；10特别垫圈；11托梁；12螺母；13调整螺杆；14螺钉；15垫圈；l6挡块；17、18左右摩擦板；19卡块；20卡箍,图511 HZWA型支柱特性曲线,图512 摩擦式金属支柱受力示意图,工作原理：(分两个阶段),1. 达初始工作阻力250KN以前 （1）自动锁紧动作前

5、段， =2030KN； （2）自动锁紧过程 段； = 5080 kN =250 kN30 2. 活柱下缩阶段，即 段； （3）工作阻力上升，活柱压缩过程； =350 kN,（3）液压支柱,单体液压支柱与摩擦式相比优点： 初撑力大：70100KN； 工作阻力大且稳定，一般在300KN左右； 回柱安全可靠 缺点：初期投资大；但更能适应采高和倾角变化大的煤层，且价格低廉。,分类： ：内注油式：使用工作介质是机油，通过摇动手把，操纵支柱内手摇泵，把油从低压腔压入高压腔，通过安全阀保持额定工作阻力，手摇泵最大油压可达710。 ：外注油式:靠外部供油，油压取决于外部油泵压力大小。 工作原理： 升柱初撑；

6、承载溢流； 降柱卸载；,图5-8 内注液式支柱结构示意图 l柱体;2活柱;3活塞头;4泵;5安全阀与卸载阀;6上顶盖;7下柱座;8支柱底腔;9通道,图59 外注式单体液压支柱 1顶盖;2三用阀;3活柱体;4油缸;5复位弹簧;6活塞;7底座;8卸载手把; 9注液枪;10泵站供液;11注液时操纵手把方向;12卸载时动作方向, 外、内注式特点： 1）外注式需管路系统，柱体内不需手摇泵，结构简单，重量轻，成本低，内注式灵活； 2）外注式要消耗乳化液； 3）外注式支设速度由液压泵流量决定。流量大，支设快。 适用条件： 薄煤层，工作面行人困难，来回拉枪困难内注 缓及倾斜中厚煤层工作面中 外注,二、液压支架

7、,按照支架与围岩相互关系及其立柱布置方式分三类： 支撑式支架 掩护式支架 支撑掩护式,支撑式支架： 立柱通过顶梁直接支撑顶板，对冒落矸石没有完善的掩护构件的液压支架。即：节式和垛式； 组成：顶梁，立柱，控制阀，推移装置，底座；,掩护式支架： 只有一排立柱，直接或间接地通过顶梁向顶板传递支撑力。用掩护梁、连杆等起稳定作用并有较完善的掩护挡矸装置的液压支架。 由顶梁、推移装置、底座、立柱、掩护梁和连杆组成。,支撑掩护式: 指具有两排或两排以上立柱，直接或间接地通过顶梁向顶板传递支撑力，用掩护梁、连杆等起稳定作用并有较完善的掩护挡矸装置的液压支架。 由护梁装置、前梁、顶梁、立柱、掩护梁、连杆、底座、

8、推移装置等组成。,（1）液压支架工作原理 两步，五个阶段； 第一步：支撑承载； 第二步：自动推移； 五个阶段： 初撑 增阻承载 恒阻承载 移架 推溜,（2）液压支架支护方式 综采面割煤、移架、推移输送机三个主要工序配合方式： 及时支护方式：割煤移架推溜（顶板破碎易冒落） 滞后支护方式：割煤推溜移架（稳定、完整顶板条件）,3 回采工作面支架与围岩关系及基本参数确定,一、回采工作面支架与围岩关系特点 1支架与围岩是相互作用一对力，应互相适应，大小相等，且尽可能作用在一条直线上。 2支架受力大小及其在回采面分布规律与支架性能有关。 3支架结构及尺寸对顶板压力有很大影响。如果支架架型选择合适可能以很小

9、支撑力达到很好效果。,二、支架规格选定,支柱最大高度决定于工作面最大采高和顶梁厚度： 支柱最小高度决定于工作面最小采高与顶梁厚度、最大下沉量、卸载高度：,三、工作面支架合理工作阻力,由图 5-26 pt 曲线知支架所受载荷特性可用这样几个指数加以说明： 初撑力大小； 工作阻力大小； 时间加权平均工作阻力（pt）：,多年来，国内一直流行着采用现场测定法来确定额定工作阻力，如下： 式中： PH 额定工作阻力；kN 实测支护阻力均方差；kN,4 单体支柱支护方法分析,图529 单体支柱顶梁载荷分布,一、带帽点柱支护,图532 带帽点柱的布置方式 a一矩形排列；b三角形排列,二、棚子支护,图533 连

10、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一对接式,图534 倾斜棚,三、机组工作面单体支架布置,（一）悬梁与支柱关系 图535 机组工作面的悬臂支护 a正悬臂；b倒悬臂,（二）支架布置方式,图536 齐梁式支护,图537 错梁直线柱式支架布置 1临时支柱；2正式柱,四、特种支架,（1）沿切顶线架设丛柱或排柱。 （2）木垛。 （3）斜撑支架：一梁三柱，采空区侧。 （4）抬棚。,图538 工作面一般特种支架形式,（5）液压切顶支柱,图539 WZ型切顶支柱,5 支撑式支架支护方法分析,分两种情况讨论其适用性： 一、直接顶完整,分析各种顶板压力时支架工作阻力反应，先只考虑只

11、有 作用，无 作用的情况。 显然， 当 ，则支架将失稳，从而形成附加力Q3设计支架时，应免除这种情况。 假设Q1与Q2的合力正好处于前后柱之间，则 ，由此，支架前后柱所受的力为： 1以后柱为支撑点： 2以前柱为支撑点：,因此，前后柱受力比为： 由此，分析以下三种情况： （1）令 ，即P1=0，此时压力集中于后柱，条件为 ，这种情况具有悬顶距大，破断角小，顶板较坚硬才会发生。,（2）令 ，即P2 = P1， 前后柱受力相等： （3）令 ，即P1 P2， 前柱受力大于后柱，此时：,二、直接顶比较破碎, 主要表现形式之一是：切顶线前移。 表现形式之二是：控顶区上部冒空。 对煤壁上方顶板完整性破坏采取

12、措施有： 1缩短空顶距 2提高前梁工作阻力 3带压前移 4遇有漏空现象及时勾顶 5改善或交换支架结构与架型 6超前煤壁直接顶破碎，应注速凝剂，或安设锚杆，加固，恢复其完整性,三、支撑式支架使用条件,1直接顶较完整，周期来压剧烈更宜。 2特别坚硬顶板，支柱受不了强大水平推力。 3破碎顶板及时勾顶。 评价：1通风断面大，行人方便。 2结构简单，应用于瓦斯矿井较好。,6 掩护式液压支架支护分析,优点： （1）缩短了控顶距，提高对机道上方顶板支撑力。 （2）在顶板局部冒顶情况下，可考虑不勾顶。 （3）移架时，其结构在一定程度上允许承载前移。 （4）挡矸性好，采空区矸石不可涌入回采空间。 缺点： 支架工

13、作空间小，通风断面小，行人不便。,一、单铰式支架受力分析,为简便，先不考虑fQ对支架受力(支撑力)影响，则： 此时Q的大小取决于以下因素： （1）支柱工作阻力P值大，则Q也大； （2） 的比值，即柱杆比越小，Q越大，为充分发挥P的作用，尽量缩小l1值； （3） 角越大，P值作用发挥越好，故支柱应尽量直立。,当掩护梁上的载荷W，且作用点离后铰为处，同理可推得： 为了衡量工作阻力对顶板的支撑效果，常以支撑顶板的支撑力Q与支柱工作阻力P的比值表示支撑效率：,但： 当： 此时： 当 W=0 时： 当 =0时：,二、双铰式掩护支架分析 三、掩护式液压支架分析 适应条件： 1. 适于顶板压力来自机道上方；

14、 2. 较破碎顶板； 3. 周期来压不剧烈的工作面，且顶板悬顶不长。,7 支撑掩护式液压支架支护方法分析,兼有前两者的优点： 1空间宽阔，通风断面大，行人方便 2挡矸性能好，获得广泛应用 3支撑掩护式支架，顶梁较掩护式长，增加了支撑力，加大了掩护梁坡度，改善了支架底座与底板的受力情况。 缺点： 控顶距增大，价格高，支架结构复杂，端面顶板破碎是突出问题。,图中a为支架受力总体图示； 图中b为顶梁脱离体。,取掩护梁为脱离体（如C） 将上边求得 代入： 利用上式求出Q与P和Z 的关系得：Q=f（P，Z）,可看出，Q力大小与下列因素有关： 1. 立柱与小千斤顶倾斜度，； 2. 瞬心位置 ； 3. 掩护

15、梁受力W及位置C； 4. 立柱及千斤顶工作阻力。,从顶梁上分析，Q力位置还应满足下式： 如图（b） 由前述已求出Q的表达式，不计fQ和W得出，支柱的工作阻力与小千斤顶的制约关系：,这种支架支撑效率为 ： 可知， 与下列因素有关： （1）立柱倾角 （2）小千斤顶倾斜度 （3）瞬心位置 。 （4）Z与P的比值 等等。,8 液压支架的端面顶板冒落及防治,影响端面顶板稳定性的因素： 1老顶的活动 2端面距 3顶梁的抬头角与低头角 4初撑力 5推进速度 6支架结构，架型,液压支架发展方向：,（1）结构形式正朝简单实用发展，如对顶板适应性强，密封性好的支撑式支架。 （2）支护强度和工作阻力不断加大， （3

16、）额定宽度增加（两支架中心距） （4）结构设计更加合理，选用高强度钢材，重量轻。 （5）供液系统向高压、大流量发展 （6）控制系统大型化 （7）设计科学化,9 综合机械化采煤工作面顶板控制设计,液压支架的选型顺序,液压支架参数 1液压支架的工作阻力 （1）载荷估算法 支架合理工作阻力P应能承受控顶区内及悬顶部分的全部直接顶岩重Q1，和老顶来压时的附加载荷Q2：,支架受力图,由第四章知，工作面合理支护强度： 实测Q2与老顶初次来压步距L0有线性关系，所以：,（2）实测统计法 在支架初撑时的阻力低于支架一围岩平衡必需的阻力时，以下计算结果较正确，对于高初撑支架，结果可能偏高。 用支架的时间加权平均

17、工作阻力计算：,（3）理论分析法,上覆岩层断裂时的受力情况,2初撑力,提高初撑力要使用高压乳化夜泵、高压软管，及适应的液化系统和阀件。 初撑力的适当提高，并不会增加支柱的开启率，因为高初撑力可减少支架的增阻值，从而减少顶板下沉量及安全阀开启率。,10 单体液压支柱工作面顶板控制原则,一、顶板控制的原则,二、工作面支护强度的理论分析,支护强度：支架对单位面积顶板提供的工作阻力。 1初撑力 现阶段应尽可能设法提高支柱的实际初撑力。一般条件下，支护设计中的支柱初撑力不应低于其额定初撑力的70一80。,2支护密度 式中：Pr合理支护强度，kPa； RT支柱实际支撑能力，kN/柱 a，b排、柱距 （1）

18、合理支护强度的确定（Pr） 式中：fz垮落顶板悬顶系数,无悬顶时，fz1 支架控制老顶(裂隙带)所需合理支护强度主要考虑支架处在“给定变形”状态下工作所需的合理支护强度： 式中： hE老顶岩层的厚度； L老顶岩梁断裂步距,（2）支柱有效支撑能力确定（RT） 指把顶板控制在要求的“位态”(以最大控顶距处的顶板下沉量表示)时，所有支柱所能达到的工作阻力平均值。 3支护系统刚度 指单位顶底板移近量所对应的支柱工作阻力增量，（kN/mm）。,三、单体支柱工作面支护强度的实测统计,1单体支柱的支护强度pH下限计算,2单体支柱的支柱密度选择 （1）按直接顶稳定性确定支柱密度,（2）按必需的支护强度验算支柱密度 式中 Q 单体支柱工作阻力，kN/柱； p 支护强度，kPa； Ns 支柱密度，根/m2。 验算支柱密度，按下式计算： 实测井下单体支柱实际工作阻力与额定初撑力相近，可用Q代替Q0，必须的初撑力支护强度p按p0计算： 验算支柱密度：,习题,1回采工作面支柱的特性有几种？试比较其优缺点。 2在工作面架设支架时，怎样才能做到充分发挥支柱的工作特性？ 3试解释“支撑力顶板下沉量”（PL）曲线的实质。 4已知某缓倾斜煤