第四章 采煤工作面顶板控制设计 山科

1、Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/20222 回采工作面顶板控制设计包括选择工作面后方采空区顶回采工作面顶板控制设计包括选择工作面后方采空区顶板处理方式、预计顶板运动规律、确定支护参数、制定工作板处理方式、预计顶板运动规律、确定支护参数、制定工作面日常顶板管理措施。对某一具体工作面而言，一是确定需面日常顶板管理措施。对某一具体工作面而言，一是确定需

2、控岩层范围，确定其类别，预计其运动规律；二是了解所用控岩层范围，确定其类别，预计其运动规律；二是了解所用支护装备及其在井下的实际工作特性和支撑能力；三是确定支护装备及其在井下的实际工作特性和支撑能力；三是确定回采工作面支架回采工作面支架- -围岩关系，确定合理的支护强度；四是进围岩关系，确定合理的支护强度；四是进行支护形式、支护参数的选择与计算；五是进行具体工作面行支护形式、支护参数的选择与计算；五是进行具体工作面地质技术条件下常见顶板事故的预防控制。回采工作面顶板地质技术条件下常见顶板事故的预防控制。回采工作面顶板控制设计流程见下图。控制设计流程见下图。Roof Control of Coa

3、l Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/20223地质与开采条件地质与开采条件采空区处理方式采空区处理方式顶板运动规律顶板运动规律地表和岩层保护要求地表和岩层保护要求岩层运动理论岩层运动理论特种支护特种支护技术管理措施技术管理措施监测监控监测监控完善设计完善设计事故预测方法事故预测方法顶板管理法规顶板管理法规反馈修正反馈修正回采工作面顶板控制设计流程回采工作面顶板控制设计流程Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/20224 Roof Con

4、trol of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/20225 Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202261. 岩性指标岩性指标 Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202271)1)直接顶端直接顶端 Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计

5、3/26/20228直接顶垮落步距基本上不受支护形式和生产工艺的影响。直接顶垮落步距基本上不受支护形式和生产工艺的影响。 Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/20229 基本顶初次来压步距基本顶初次来压步距c0c0和周期来压步距和周期来压步距c c可看成是基本顶岩可看成是基本顶岩层强度和厚度对工作面威胁程度的综合反映。在采高和直接顶层强度和厚度对工作面威胁程度的综合反映。在采高和直接顶岩性与厚度相同的条件下，岩性与厚度相同的条件下，c0c0和和c c越大，基本顶来压强度越剧烈越大，基本顶来压强度

6、越剧烈。实践证明，。实践证明，在直接顶自然垮落条件下，基本顶初次来压步距在直接顶自然垮落条件下，基本顶初次来压步距和周期来压步距基本不受回采和支护形式的影响和周期来压步距基本不受回采和支护形式的影响。 组成基本顶的岩梁数目不同，对工作面的威胁程度有很大组成基本顶的岩梁数目不同，对工作面的威胁程度有很大差异。与单一岩梁基本顶相比，当基本顶由两个或两个以上岩差异。与单一岩梁基本顶相比，当基本顶由两个或两个以上岩梁组成、且坚硬岩梁位于上方时，一旦上方坚硬岩梁运动，将梁组成、且坚硬岩梁位于上方时，一旦上方坚硬岩梁运动，将会对工作面造成严重威胁。会对工作面造成严重威胁。 Roof Control of

7、Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/2022105)5)直接顶直接顶厚度与采高比值厚度与采高比值 直接顶的厚度对基本顶岩梁运动在工作面内的矿压显现程度直接顶的厚度对基本顶岩梁运动在工作面内的矿压显现程度、周期来压强度等的影响很大。可以用、周期来压强度等的影响很大。可以用直接顶厚度与采高的比直接顶厚度与采高的比值值N来反映采空区内自行充填能力，并可判断在具体地质技术来反映采空区内自行充填能力，并可判断在具体地质技术条件下基本顶来压的剧烈程度和动压冲击。条件下基本顶来压的剧烈程度和动压冲击。 N N越大，基本顶岩梁来压强度越小，对

8、工作面威胁越小；越大，基本顶岩梁来压强度越小，对工作面威胁越小；反之，反之， N N越小，基本顶来压时允许岩梁回转下沉的空间越大，越小，基本顶来压时允许岩梁回转下沉的空间越大，来压强度及动压冲击越强烈。来压强度及动压冲击越强烈。Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202211 Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202212 Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资

9、源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202213Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202214Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202215Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202216Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1

10、系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202217Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202218Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202219 Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202220Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤

11、工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202221 Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202222 Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202223表表4-3 4-3 底板分类表底板分类表Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202224Roof Control of Coal Face

12、矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202225Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202226Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202227 煤层上方覆盖层由塑弯性能强的石灰岩或泥质页岩组成时，煤层上方覆盖层由塑弯性能强的石灰岩或泥质页岩组成时，在采高不大、最大控顶排处顶板的下沉量不超过支柱所允在采高不大、最大控顶排处顶板的下沉量不超过支柱所允

13、许的缩量时，可以采用缓慢下沉法控制顶板，工作面一般不需要特殊支护。许的缩量时，可以采用缓慢下沉法控制顶板，工作面一般不需要特殊支护。 HmkSA1hA1CHCHmemzCmkhA2SA2SA3mkhA3Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202228cHLhK1 允KZLchHh2充填后：充填后：未充填：未充填：HmkSA1hA1CHCHmemzCmkhA2SA2SA3mkhA3Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板

14、控制设计3/26/202229hA3SA3cmZ2mZ1h一般取1.251.35； 强制放顶的厚度，m。Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202230 层状坚硬顶板是指厚度不超过层状坚硬顶板是指厚度不超过5m5m的坚硬顶板（包括在厚坚硬顶板的坚硬顶板（包括在厚坚硬顶板中的下部，由于层理和弱面的存在，可分离出独立运动的岩层组），中的下部，由于层理和弱面的存在，可分离出独立运动的岩层组），这类顶板强度较高，初次垮落步距一般在这类顶板强度较高，初次垮落步距一般在25m25m以上，初次来压强烈。以上，

15、初次来压强烈。 层状坚硬顶板的初次垮落一般存在两种运动形式：一是弯沉运动层状坚硬顶板的初次垮落一般存在两种运动形式：一是弯沉运动形式，二是剪切运动形式。形式，二是剪切运动形式。 首先通过顶板动态监测综合判断顶板的运动形式，若顶板呈现弯首先通过顶板动态监测综合判断顶板的运动形式，若顶板呈现弯拉破坏运动形式，无需采取特殊处理措施，选择自然垮落管理顶板；拉破坏运动形式，无需采取特殊处理措施，选择自然垮落管理顶板；若顶板是剪切运动形式，采取简单可行的处理措施，促使顶板由剪切若顶板是剪切运动形式，采取简单可行的处理措施，促使顶板由剪切运动形式向弯拉运动形式转化，实现顶板自然垮落控制顶板。运动形式向弯拉运

16、动形式转化，实现顶板自然垮落控制顶板。 Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202231 （2 2）减小岩梁的厚度减小岩梁的厚度，特别是悬垮度中部的厚度以，特别是悬垮度中部的厚度以促促成中部断裂成中部断裂。 根据岩梁弯拉破坏机理，将层状坚硬顶板由剪切（断）根据岩梁弯拉破坏机理，将层状坚硬顶板由剪切（断）运动形式转化为弯拉运动形式的关键是：运动形式转化为弯拉运动形式的关键是： （1 1）扩大岩梁端部断裂线位置至煤壁的距离，使岩梁）扩大岩梁端部断裂线位置至煤壁的距离，使岩梁以煤壁为支撑具备稳固的支承

17、端，以煤壁为支撑具备稳固的支承端，避免从煤壁处切下避免从煤壁处切下。同。同时岩梁在端部断裂后，延长弯矩向岩梁中部转移的过程，时岩梁在端部断裂后，延长弯矩向岩梁中部转移的过程，促成中部断裂，形成弯沉运动结构。促成中部断裂，形成弯沉运动结构。Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202232Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202233 Roof Control of Coal Face矿业与安全工程

18、学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/2022344.3 4.3 采煤工作面支架采煤工作面支架围岩关系及支护强度的确定围岩关系及支护强度的确定Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202235（一一）支架对直接顶的工作状态支架对直接顶的工作状态“给定载荷给定载荷”方案方案 确定了工作面顶底板类别及采空区处理方式之后，需要预计顶确定了工作面顶底板类别及采空区处理方式之后，需要预计顶板的运动范围、运动参数和工作面矿压显现特征，确定支架板的运动范围、运动参数和工作面矿压

19、显现特征，确定支架- -围岩关围岩关系，建立位态方程，然后确定合理的支护强度。系，建立位态方程，然后确定合理的支护强度。Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202236zzzAmf存在悬顶距时支架需承担直接顶岩重存在悬顶距时支架需承担直接顶岩重A的计算方法的计算方法 当悬顶距当悬顶距 时，即当悬顶距较小时，悬顶与时，即当悬顶距较小时，悬顶与采空区已垮矸石很难接触以传递直接顶的重力，所以，应按采空区已垮矸石很难接触以传递直接顶的重力，所以，应按力矩平衡来求力矩平衡来求A A。mLS2 (4-14)

20、Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202237考虑长悬顶触矸后，根据静力平衡确定直接顶给支架的作用力：考虑长悬顶触矸后，根据静力平衡确定直接顶给支架的作用力： 当悬顶距当悬顶距 时，时， 即悬顶距较大时，自身有一定即悬顶距较大时，自身有一定的支承能力，其作用力无须由支架全部承担，悬顶断裂后，在沉的支承能力，其作用力无须由支架全部承担，悬顶断裂后，在沉降过程中，根据静力平衡，支架必须承受悬顶的全部重力（不考降过程中，根据静力平衡，支架必须承受悬顶的全部重力（不考虑力矩的作用）。虑力矩的作用）。m

21、LS2 (4-15) (4-16) 式式(4-15)(4-15)计算的结果大于式计算的结果大于式(4-16)(4-16)，因前者考虑了长悬顶没，因前者考虑了长悬顶没触矸时的静力平衡，计算结果较安全，一般按式触矸时的静力平衡，计算结果较安全，一般按式(4-15)(4-15)确定确定A A。Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202238支架对基本顶的工作状态支架对基本顶的工作状态“给定变形给定变形”和和“限定变形限定变形” 采用采用“给定变形给定变形“工作状态时，岩梁运动稳定时的位置状态工作状态时

22、，岩梁运动稳定时的位置状态由岩梁的强度及两端支承情况决定。在岩梁由端部断裂到沉降至由岩梁的强度及两端支承情况决定。在岩梁由端部断裂到沉降至最终位态的整个运动过程中，最终位态的整个运动过程中，。 基本顶岩梁断裂后给支架的作用力，基本顶岩梁断裂后给支架的作用力，因此岩梁运动结束时支架因此岩梁运动结束时支架可在可在“给定变形给定变形”和和“限定变形限定变形”两种状态下工作。两种状态下工作。Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202239iiQRiikQPL或或 KAZALcKmhh) 1( 这种情况下

23、，岩梁从运动到重这种情况下，岩梁从运动到重新进入稳定的全过程，都无法建立新进入稳定的全过程，都无法建立起支架受力与顶板压力间的直接关起支架受力与顶板压力间的直接关系。老顶系。老顶 Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202240 在这种工作状态下，为防止支架（支柱）在岩梁运动过程在这种工作状态下，为防止支架（支柱）在岩梁运动过程中被压死，所要求的最大允许缩量必须满足：中被压死，所要求的最大允许缩量必须满足：ATThER式中式中式中式中Roof Control of Coal Face矿业与安全工

24、程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202241Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202242给定变形情况给定变形情况限定变形情况限定变形情况Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202243 。PTh图图5.2 5.2 支架围岩的双曲线关系支架围岩的双曲线关系 从安全角度考虑，除破碎直接顶从安全角度考虑，除破碎直接顶工作面外，支护强度越大越安全。但工作面外，

25、支护强度越大越安全。但从经济角度考虑，应该在保证安全的从经济角度考虑，应该在保证安全的前提下尽可能减小支护强度，因支护前提下尽可能减小支护强度，因支护强度的提高是以增加支护材料投入为强度的提高是以增加支护材料投入为代价。代价。Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202244iAThhKAP 上式除阐述了支架上式除阐述了支架- -围岩之间双曲选关系外，还进一步指明了围岩之间双曲选关系外，还进一步指明了直接顶在位态方程中的作用。在具体回采工作面，可计算出直接顶在位态方程中的作用。在具体回采工作面，可

26、计算出 ，K K则不能定量计算，因为：则不能定量计算，因为： AhRoof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202245EETKMcKK L式中式中 上式中，只有上式中，只有KTKT是不定量的，它与岩梁断裂位置、结构形式、物理是不定量的，它与岩梁断裂位置、结构形式、物理力学性质和支架性能等都有关系，但要搞清楚这些关系几乎是不可能的力学性质和支架性能等都有关系，但要搞清楚这些关系几乎是不可能的，因为很多参数无法准确得到，支架、煤壁、矸石与基本顶岩层之间是，因为很多参数无法准确得到，支架、煤壁、矸石与基本

27、顶岩层之间是一种超静定关系，因此解决这个问题只能用半定量分析，并配合量化控一种超静定关系，因此解决这个问题只能用半定量分析，并配合量化控制准则和现场经验进行确定。制准则和现场经验进行确定。 由于支架与多种形式基本顶结构的作用原理是一样的，因此，多种由于支架与多种形式基本顶结构的作用原理是一样的，因此，多种形式基本顶结构与支架的作用关系可用一种有代表性的抽象模型表示，形式基本顶结构与支架的作用关系可用一种有代表性的抽象模型表示，见下图。见下图。Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202246PTh

28、hAAPminPmaxabbcKSd非法区AhRoof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202247采场支护的原则采场支护的原则（1）对直接顶）对直接顶“支支”与与“护护”两重性两重性（2）对基本顶控制状态的选择）对基本顶控制状态的选择 支架要有足够的支撑能力，在采场支住直接顶，使其不支架要有足够的支撑能力，在采场支住直接顶，使其不垮落；同时，若直接顶比较破碎，支架还必须能够护住直接垮落；同时，若直接顶比较破碎，支架还必须能够护住直接顶板，以防止破碎岩块进入工作面。顶板，以防止破碎岩块进入工作面。 R

29、oof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202248 Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/2022494.3.3 合理支护强度的确定合理支护强度的确定 （一）直接顶初次垮落期间（一）直接顶初次垮落期间（1 1）支的准则：保证直接顶安全切落。若基本支护达不到）支的准则：保证直接顶安全切落。若基本支护达不到要求，则考虑其他特殊支护措施。要求，则考虑其他特殊支护措施。（3 3）支护强度：）支护强度：2ZZZt

30、KMLPL（2 2）力学保证条件：支架至少能承担起直接顶初次垮落步）力学保证条件：支架至少能承担起直接顶初次垮落步距一半的岩重。距一半的岩重。式中式中Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202250（二）（二） 基本顶初次来压期间基本顶初次来压期间1. 支的准则支的准则（1 1）防止直接顶向采空区推垮；）防止直接顶向采空区推垮；（2 2）让基本顶缓慢沉降到要求的位态（防止冲击）；）让基本顶缓慢沉降到要求的位态（防止冲击）；（3 3）保证支架不被压死；）保证支架不被压死；（4 4）对可能发生剪切的

31、采场，应采取特殊的处理方）对可能发生剪切的采场，应采取特殊的处理方 法，并进行采场来压预报。法，并进行采场来压预报。Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/2022512. 力学保证条件力学保证条件（1 1）增加支柱初撑力和工作阻力，使直接顶和基本顶）增加支柱初撑力和工作阻力，使直接顶和基本顶紧贴（加大泵压，穿鞋或用大吨位升柱器等措施）；紧贴（加大泵压，穿鞋或用大吨位升柱器等措施）；（2 2）支架能在不被压死的情况下，）支架能在不被压死的情况下，承担基本顶的部分承担基本顶的部分作用力和全部直接顶的作

32、用力作用力和全部直接顶的作用力。Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/20225202EEtTKMcPAK L支护强度计算公式支护强度计算公式 研究及实践均证明，采空区充实的越密实，支架承受的支架作用力越研究及实践均证明，采空区充实的越密实，支架承受的支架作用力越小。根据现场控制经验，一般条件下采煤工作面的小。根据现场控制经验，一般条件下采煤工作面的式中式中表表4-4 选取表选取表Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板

33、控制设计3/26/202253Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202254（三）（三） 正常推进阶段正常推进阶段 （1 1）类拱结构采场类拱结构采场，防止类拱在煤壁处切落（沿图，防止类拱在煤壁处切落（沿图4.44.4中中ABAB、CDCD线）；线）；ACDB图图4.4 4.4 类拱在煤壁处的切落位置类拱在煤壁处的切落位置1. 支的准则支的准则 （2 2）梁式结构采场梁式结构采场防防止基本顶来压时出现大止基本顶来压时出现大的台阶下沉和冲击；的台阶下沉和冲击； （3 3）多岩层结构采场多岩层结构

34、采场防防止上位岩梁对下位岩梁的止上位岩梁对下位岩梁的冲击；冲击；（4 4）防止支架压死。）防止支架压死。Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202255（1 1）类拱结构采场保证支架能支撑直接顶和类拱结构悬垮）类拱结构采场保证支架能支撑直接顶和类拱结构悬垮度一半的重量；度一半的重量；（2 2）支架在）支架在“给定变形给定变形”状态工作时，必须能支撑直接顶状态工作时，必须能支撑直接顶并能承担部分基本顶的作用力，以减缓基本顶的来压速度；并能承担部分基本顶的作用力，以减缓基本顶的来压速度；2. 力学保

35、证条件力学保证条件：Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202256（1）类拱结构）类拱结构KEELcMAP2（2）“给定变形给定变形”KTEELKcMAPRoof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202257（3）“限定变形限定变形”iKTAEEhLKhcMAP（4）多岩梁结构）多岩梁结构KTEELKcMAP2Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面

36、顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202258Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202259KSKZZTfLLLQmAp0sin)(00)1 ( 2sincKmhAZ 具体的推导过程如下：具体的推导过程如下：Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计 TPAQ P sinKKSzzP LfLLmsin KSzzKLLmPLfsinKSzzTKLLmPAQLf1zAhhmK 2121sin12zAzAO

37、OOhmKhmKhCCC 设直接顶与基本顶的接设直接顶与基本顶的接触应力为触应力为PP，则，则 由静力平衡条件，接触应力产生的摩由静力平衡条件，接触应力产生的摩擦力与直接顶的下滑分力平衡，则擦力与直接顶的下滑分力平衡，则其中：其中：LKSLPm hOCzzPTRoof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202261KSKZZTfLLLQmApsin)(cKmhAZ)1 (sinRoof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3

38、/26/202262Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202263一、支架对顶板的工作状态一、支架对顶板的工作状态、对直接顶的工作状态、对直接顶的工作状态“给定载荷给定载荷”（）直接顶初次垮落期间需要承担的直接顶的作用力（）直接顶初次垮落期间需要承担的直接顶的作用力 （）直接顶初次垮落后需要承担的直接顶的作用力（）直接顶初次垮落后需要承担的直接顶的作用力zzzAmfmLS2mLS2Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面

39、顶板控制设计3/26/202264、对老顶的工作状态、对老顶的工作状态“给定变形给定变形”和和“限定变形限定变形 “ “给定变形给定变形”：岩梁运动稳定时的位置状态由岩梁的强度及两端：岩梁运动稳定时的位置状态由岩梁的强度及两端支承情况决定。在岩梁由端部断裂到沉降至最终位态的整个运动过程支承情况决定。在岩梁由端部断裂到沉降至最终位态的整个运动过程中，中，。 “ “限定变形限定变形”：岩梁进入稳定时的位态（岩梁运动稳定时采场的顶板下沉量）由采场岩梁进入稳定时的位态（岩梁运动稳定时采场的顶板下沉量）由采场支架的阻抗力所限定。支架的阻抗力所限定。二、支架二、支架-围岩关系（位态方程）围岩关系（位态方程

40、）iAThhKAPEETKMcKK LRoof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202265三、支架（支柱）合理支护强度的确定三、支架（支柱）合理支护强度的确定1 1、直接顶初次垮落期间、直接顶初次垮落期间2 2、老顶初次来压期间、老顶初次来压期间2ZZZtKMLPL02EEtTKMcPAK LRoof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202266（2 2）“限定变形限定变形”iKTAEEhLKhcMAP3

41、3、老顶周期来压期间、老顶周期来压期间（1 1）“给定变形给定变形”KTEELKcMAP4 4、老顶初次来压和周期来压期间期间防止直接顶滑动需要的支护强度、老顶初次来压和周期来压期间期间防止直接顶滑动需要的支护强度Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/2022674.4 4.4 支架（支柱）工作特性及实际支撑能力支架（支柱）工作特性及实际支撑能力4.4.1 4.4.1 概述概述4.4.2 4.4.2 单体支柱单体支柱4.4.3 4.4.3 综采（放）液压支架综采（放）液压支架 （一）综采液压支架（

42、一）综采液压支架 （二）综采放顶煤液压支架（二）综采放顶煤液压支架4.4.4 4.4.4 简易（轻型）支架简易（轻型）支架 （一）滑移顶梁支架（一）滑移顶梁支架 （二）单体组合式液压支架（二）单体组合式液压支架4.4.5 4.4.5 支架（柱）的实际支撑能力分析支架（柱）的实际支撑能力分析 （一）单体支柱实际支撑能力（一）单体支柱实际支撑能力 （二）液压支架实际支撑能力（二）液压支架实际支撑能力Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202268 目前，工作面采用的支护装备按其构成分为单体目前，工作

43、面采用的支护装备按其构成分为单体支柱、液压支架和简易（轻型）支架。单体支柱用在支柱、液压支架和简易（轻型）支架。单体支柱用在工作面支护时，多与铰接顶梁配合使用，根据单体支工作面支护时，多与铰接顶梁配合使用，根据单体支柱的特性，又分为金属摩擦支柱和单体液压支柱。液柱的特性，又分为金属摩擦支柱和单体液压支柱。液压支架是由支柱、底座和顶梁联合为一个整体的支护压支架是由支柱、底座和顶梁联合为一个整体的支护结构，以液压为动力。简易（轻型）支架是介于单体结构，以液压为动力。简易（轻型）支架是介于单体支柱和液压支架之间的过渡架型。支柱和液压支架之间的过渡架型。Roof Control of Coal Fac

44、e矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202269支架支架简易（轻型）支架简易（轻型）支架滑移顶梁支架滑移顶梁支架单体组合式支架单体组合式支架Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202270Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202271 （3 3）初工作阻力）初工作阻力 在支架的性能曲线中，活柱下缩时，工作阻力增长率由急剧增长在支架的性能曲线中，

45、活柱下缩时，工作阻力增长率由急剧增长转为缓慢增长的转折点处的工作阻力。转为缓慢增长的转折点处的工作阻力。 （4 4）最大工作阻力）最大工作阻力 支柱所能承受的最大负载能力，又称额定工作阻力。支柱所能承受的最大负载能力，又称额定工作阻力。 （2 2）始动阻力）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（液压支柱的始动阻力与初撑力相等）。的力称为始动阻力（液压支柱的始动阻力与初撑力相等）。Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控

46、制设计3/26/202272Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202273Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202274金属摩擦支柱金属摩擦支柱金属摩擦支柱工作面金属摩擦支柱工作面Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202275单体液压支柱单体液压支柱单体液压支柱工作面单体液压支柱工作面Roof

47、 Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202276 按注油（液）方式分为内注式按注油（液）方式分为内注式和外注式两种。和外注式两种。图图5.9 5.9 内注式单体内注式单体 液压支柱液压支柱 内注式液压支柱的内注式液压支柱的工作液存放在工作液存放在支柱体内，支柱体内，通过摇动手把操纵支柱内通过摇动手把操纵支柱内的液压泵，把工作液从低压腔压入高的液压泵，把工作液从低压腔压入高压腔升起支柱。回收时，打开卸载阀，压腔升起支柱。回收时，打开卸载阀，使高压腔内的工作液流回低压腔，活使高压腔内的工作液流回低压腔，活柱

48、在自重作用下自动回缩。柱在自重作用下自动回缩。Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202277图图5.10 5.10 外注式单体液压支柱外注式单体液压支柱 外注式单体液压支柱的工作液外注式单体液压支柱的工作液是从外部供给的。一般是通过采是从外部供给的。一般是通过采煤工作面顺槽内的泵站，经高压煤工作面顺槽内的泵站，经高压软管上的注液枪向支柱内供液，软管上的注液枪向支柱内供液，在高压液作用下使支柱升起并支在高压液作用下使支柱升起并支撑顶板。回收时，打开卸载阀，撑顶板。回收时，打开卸载阀，把工作液排到

49、支柱外，活柱靠自把工作液排到支柱外，活柱靠自重和弹簧拉力回缩。重和弹簧拉力回缩。Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202278(mm)HR0RBR( )ABC+R-RN图图 4.12 4.12 单体液压支柱工作特性曲线单体液压支柱工作特性曲线 Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202279Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采

50、煤工作面顶板控制设计3/26/202280Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202281RBRAR01B2R / kN/mm0 Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/2022821. 支撑式液压支架支撑式液压支架 结构上没有掩护梁、对顶板作用是以垂直支撑为主的液压支架。按结构上没有掩护梁、对顶板作用是以垂直支撑为主的液压支架。按支架结构和动作方式的不同，又分为垛式液压支架（六柱和四柱两种）支架结构

51、和动作方式的不同，又分为垛式液压支架（六柱和四柱两种）和节式液压支架。和节式液压支架。 支撑式液压支架支撑效率高，立柱阻力完全用于支撑控顶区上方的顶支撑式液压支架支撑效率高，立柱阻力完全用于支撑控顶区上方的顶板，支撑力高，放顶线处的支撑能力大，通风断面大，结构简单，行人方板，支撑力高，放顶线处的支撑能力大，通风断面大，结构简单，行人方便，价格便宜。但支架端部支撑能力弱，对顶板的覆盖率及架间和采空区便，价格便宜。但支架端部支撑能力弱，对顶板的覆盖率及架间和采空区的挡矸能力低，对顶板水平力的承受能力差，支架支撑力主要集中在顶梁的挡矸能力低，对顶板水平力的承受能力差，支架支撑力主要集中在顶梁的后部，

52、在煤壁附近（无立柱支护区）由支撑力较弱的前探梁维护。的后部，在煤壁附近（无立柱支护区）由支撑力较弱的前探梁维护。 （一）综采液压支架（一）综采液压支架 液压支架一般由顶梁、底座、立柱、推移装置、操控装置和辅助装置组成液压支架一般由顶梁、底座、立柱、推移装置、操控装置和辅助装置组成。按照支架结构和特性可分为支撑式、支撑掩护式和掩护式液压支架三大类。按照支架结构和特性可分为支撑式、支撑掩护式和掩护式液压支架三大类。Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202283图图4.14 BZZZC4.14 BZ

53、ZZC型垛式液压支架型垛式液压支架Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202284Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202285Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/2022862. 支撑掩护式液压支架支撑掩护式液压支架 Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程

54、1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202287图图4.16 ZZ4000-18/384.16 ZZ4000-18/38型支撑掩护式液压支架型支撑掩护式液压支架1350225024032326180038001234567Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202288Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202289Roof Control of Coal Face矿业与安全

55、工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202290Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计煤煤 壁壁 位位 置置 (a) (a) 垛式垛式(b) (b) 垛式垛式(c) (c) 支撑掩护式支撑掩护式(d) (d) 支撑掩护式支撑掩护式(e) (e) 掩护支撑式掩护支撑式(f) (f) 纯掩护式纯掩护式不同类型液压支架顶梁上的载荷分布不同类型液压支架顶梁上的载荷分布支撑能力大，且集中在顶梁的支撑能力大，且集中在顶梁的后部，利于切顶，煤壁附件前后部，利于切顶，煤壁附件前探梁支

56、撑能力弱，挡矸能力低探梁支撑能力弱，挡矸能力低。兼有支撑和掩护作用，且支撑兼有支撑和掩护作用，且支撑作用力大于掩护作用力，支撑作用力大于掩护作用力，支撑合力作用点距煤壁较远。合力作用点距煤壁较远。顶梁短，支撑能力弱，顶顶梁短，支撑能力弱，顶梁上集中支撑力靠近煤壁梁上集中支撑力靠近煤壁附近，挡矸能力高附近，挡矸能力高。Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/2022922. 双输送机中位放顶煤支架双输送机中位放顶煤支架Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采

57、煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202293 3. 3. 双输送机低位放顶煤支架双输送机低位放顶煤支架适用于急斜特厚煤层和缓斜中硬煤层。适用于急斜特厚煤层和缓斜中硬煤层。 4. 4. “三软三软”煤层的放顶煤支架煤层的放顶煤支架 目前解决目前解决“三软三软”煤层放顶煤的煤层放顶煤的支架架型主要应提高支架对围岩的封支架架型主要应提高支架对围岩的封闭能力，并适当增加顶梁长度，以免闭能力，并适当增加顶梁长度，以免梁上顶煤放空，一般采用四柱长梁支梁上顶煤放空，一般采用四柱长梁支撑掩护式放顶煤支架。撑掩护式放顶煤支架。图图4.21 ZFS 3600-16/284.21 ZFS 360

58、0-16/28三软煤层放顶煤支架三软煤层放顶煤支架 5. 5. 急斜特厚水平分段放顶煤支架急斜特厚水平分段放顶煤支架Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202294（一）滑移顶梁支架（一）滑移顶梁支架Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202295Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202296Ro

59、of Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202297Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202298Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/202299Roof Control of Coal Face矿业与安全工程学院-资源工程1系采煤工作面顶板控制设计采煤工作面顶板控制设计3/26/2022100（一）单体

60、支柱实际支撑能力（一）单体支柱实际支撑能力1. 单体支柱实际支撑能力的影响因素单体支柱实际支撑能力的影响因素 （1 1）直接顶、底板强度。顶、底板承载能力越高，越有利于）直接顶、底板强度。顶、底板承载能力越高，越有利于提高支柱实际支撑能力；底板软，特别是当底板上有浮煤时，提高支柱实际支撑能力；底板软，特别是当底板上有浮煤时，会引起支柱钻底，使工作阻力上不去。会引起支柱钻底，使工作阻力上不去。 （2 2）辅助支护结构压缩。如由柱帽压缩致使支柱工作阻力降低。）辅助支护结构压缩。如由柱帽压缩致使支柱工作阻力降低。 支柱在井下的工作特性比较复杂，有许多主客观、直接和间支柱在井下的工作特性比较复杂，有许