综采支护设计课件

1、综采支护设计课件综采支护设计课件3.1 综采（放）面支护要求煤矿安全规程对综采（放）面支护作出如下规定：第67条规定采用综合机械化采煤时，必须遵守下列规定：（四）液压支架必须接顶。顶板破碎时必须超前支护。在处理液压支架上方冒顶时，必须制定措施。（六）严格控制采高，严禁采高大于支架的最大支护高度。当煤层变薄时，采高不得小于支架的最小支护高度。（八）工作面两端必须使用端头支架或增设其他形式的支护。2022/9/11山东科技大学23.1 综采（放）面支护要求2022/9/10山东科技大学4第68条规定采用放顶煤采煤法开采时，必须遵守下列规定：（五）工作面严禁采用木支柱、金属摩擦支柱支护方式。 有下列

2、情形之一的，严禁采用单体液压支柱放顶煤开采：（一）倾角大于30的煤层（急倾斜特厚煤层水平分层放顶煤除外）。（二）冲击地压煤层。2022/9/11山东科技大学3第68条规定采用放顶煤采煤法开采时，必须遵守下列规定：2023.2 综采面对支架设计要求3.2.1顶板分类3.2.1.1直接顶分类1）1类顶板指标：LZ 8（ Lz；直接顶垮落步距）岩性：泥岩、泥页岩，节理裂隙发育或松软泥岩，炭质泥岩，节理裂隙较发育。稳定程度：不稳定2022/9/11山东科技大学43.2 综采面对支架设计要求3.2.1顶板分类2022/92）2类顶板指标： 8 LZ 18岩性：致密泥岩、粉砂岩、砂质泥岩节理裂隙不发育稳定

3、程度：中等稳定3）3类顶板指标： 18 LZ 28岩性：砂岩、灰岩，节理裂隙很少稳定程度：稳定2022/9/11山东科技大学52）2类顶板2022/9/10山东科技大学74）4类顶板指标： 28 LZ 50岩性：致密砂岩、灰岩，节理裂隙极少稳定程度：非常稳定3.2.1.2基本顶分级 基本顶的分级指标是基本顶初次来压当量(pe)，pe = 241.3ln(C0)-15.5N+52.6hm 式中，C0基本顶初次来压步距，m； N直接顶充填系数； hm 煤层采高，m。2022/9/11山东科技大学64）4类顶板2022/9/10山东科技大学81）级顶板指标： 来压程度：不明显 岩性：一般砂页岩 c0

4、范围：15-202）级顶板指标： 来压程度：明显岩性：层理不发育的砂页及小厚度砂岩c0范围：20-302022/9/11山东科技大学71）级顶板2022/9/10山东科技大学93）级顶板指标： 来压程度：强烈岩性：4-5m的细粒及中粒砂岩 c0范围：35-50 4）a级顶板指标： 来压程度：非常强烈岩性：厚度10m的砂岩 c0范围：50-60 b级顶板指标： 来压程度：非常强烈岩性：高强砂岩 c0范围：60-702022/9/11山东科技大学83）级顶板2022/9/10山东科技大学103.2.2各类（级）顶板对支架设计的要求3.2.2.112 、12顶板 1、2类直接顶即破碎和中等稳定顶板，

5、、级老顶即来压不明显和明显的顶板。 1、2类直接顶和 、 级老顶综采面矿压特点：老顶来压步距小而稳定，强度缓和；支护阻力小而分布均匀；直接顶特别是端面不稳定，受移架影响严重等。2022/9/11山东科技大学93.2.2各类（级）顶板对支架设计的要求2022/9/10山1）利用四连杆机构，控制端面顶板，选取双扭线最佳段为支架工作范围，确保工作面端面附近支架有较强的控制能力。2）利用伸缩梁或可旋转180的挑梁，在移架前、采煤后及时支护刚刚暴露的梁前顶板，减少顶板早期破坏。3）利用防片帮装置，减少片帮深度和面积，从而提高煤壁的稳定性。2022/9/11山东科技大学101）利用四连杆机构，控制端面顶板

6、，选取双扭线最佳段为支架工作4）利用顶梁侧护板等护顶装置，提高支架对顶板的封闭程度，以此提高支架的护顶能力，防止破碎岩块窜入回采空间影响生产，威胁人和设备的安全。5）利用完善的挡矸装置，防止采空区破碎岩块窜入回采空间，确保顺利移架。6）利用邻架操作，保证移架工人的安全；利用灵活、快速的操作阀，保证快速移架，以免因移架引起顶底板移近量过大，使顶板难以控制。 2022/9/11山东科技大学114）利用顶梁侧护板等护顶装置，提高支架对顶板的封闭程度，以此7）利用较高初撑力，提高支架支撑效率，确保工作面顶板移架后早期移近量小，移近速度低，以提高梁端距空顶处顶板稳定性。 对支架的要求：支架初撑力高，控制

7、端面顶板能力强，及时支护，护顶能力强，挡矸、护帮装置齐全，能快速邻架操作移架。 2022/9/11山东科技大学127）利用较高初撑力，提高支架支撑效率，确保工作面顶板移架后早3.2.2.234 、34顶板 3、4类直接顶即稳定和坚硬顶板，、级老顶即来压强烈的顶板。 34、34顶板综采工作面矿压特点： 老顶来压步距大、强度高 支护阻力大而分布不均 直接顶稳定 支架易损坏2022/9/11山东科技大学133.2.2.234 、34顶板2022/9/10山东1）利用较大支撑能力，并使后柱阻力高于前柱，确保支架具有足够的切顶能力，能有效地对付强烈的老顶来压。2）利用四连杆机构，增强抵抗水平推理的能力，

8、防止支护毁坏。3)利用连杆机构，使支架尽量减少梁端距。4)利用大流量安全阀，确保支架受冲击载荷时少受损坏。2022/9/11山东科技大学141）利用较大支撑能力，并使后柱阻力高于前柱，确保支架具有足够5)利用掩护梁挡好采空区矸石，防止矸石窜入支护工作空间；利用侧护板，防止架间窜矸漏矸。 对支架的要求：支撑能力大、抗水平推力强；切顶性能好、支架安全阀流量大等性能。2022/9/11山东科技大学155)利用掩护梁挡好采空区矸石，防止矸石窜入支护工作空间；利用3.3综采（放）工作面支护设计内容3.3.1确定支架类型3.3.1.1综采面液压支架类型支撑式掩护式支撑掩护式2022/9/11山东科技大学1

9、63.3综采（放）工作面支护设计内容3.3.1确定支架类型21）支撑式 优点：支撑效率高，立柱阻力完全用于支撑控顶区内顶板；每米工作面的支撑力高，放顶线的支撑能力大，结构简单，价格便宜。 缺点：支架端部支撑能力弱；对顶板的覆盖率及对架间和采空区的挡矸能力低；对顶板水平力的承受能力差。2022/9/11山东科技大学171）支撑式2022/9/10山东科技大学19 适用条件：支撑式支架随下位岩层为中等稳定以下的煤层难于适应，在破碎顶板下工作十分困难，较适用于直接顶稳定和老顶来压较强烈的煤层，尤其是薄煤层。 按支架结构与动作方式的不同，支撑式又可分为垛式和节式两种。 2022/9/11山东科技大学1

10、8 适用条件：支撑式支架随下位岩层为中等稳定以下的煤层难于适（1）节式支架 2022/9/11山东科技大学19（1）节式支架 2022/9/10山东科技大学21（2）垛式支架 2022/9/11山东科技大学20（2）垛式支架 2022/9/10山东科技大学222）掩护式 支架顶梁较短，支撑能力较弱，主要靠掩护作用维护工作空间，适用于松软顶板。优点：顶梁对顶板的作用力均匀，移架时控顶距离较小，对顶板的重复支撑次数少；支柱倾斜布置，采高范围大，由于支柱不受横向载荷，受力状态好，不易损坏；挡矸装置完善，可使工作空间与顶板和老塘完全隔开；抗水平推移性能好，可以实现擦顶带压移架；机械结构和液压系统均较简

11、单，便于操作维护。2022/9/11山东科技大学212）掩护式 2022/9/10山东科技大学23缺点：整架工作阻力小，切顶性能差，工作空间小，通风阻力大，不适用有强烈周期来压和瓦斯涌出量大的煤层。2022/9/11山东科技大学22缺点：整架工作阻力小，切顶性能差，工作空间小，通风阻力大，不3）支撑掩护式 支撑掩护式支架一般适用于老顶级，动压系数约为1.5以上，直接顶为中等稳定以上的工作面。对底板的强度不限。总之，支撑掩护式支架适用范围较宽，可适用于2-4级顶板。 优点：支撑力大，切顶性能好，工作空间宽敞，结构稳定，适应性广，无论在稳定或不稳定的顶板下都可使用。缺点：结构复杂，重量大，价格贵，

12、初期投资高，支架回缩时间长、不便运输。2022/9/11山东科技大学233）支撑掩护式 2022/9/10山东科技大学25支撑掩护式液压支架2022/9/11山东科技大学242022/9/10山东科技大学263.3.1.2综放工作面液压支架类型单输送机高位放顶煤支架双输送机中位放顶煤支架双输送机低位放顶煤支架2022/9/11山东科技大学253.3.1.2综放工作面液压支架类型2022/9/10山东科1）单输送机高位放顶煤支架2022/9/11山东科技大学261）单输送机高位放顶煤支架2022/9/10山东科技大学282）双输送机中位放顶煤支架2022/9/11山东科技大学272）双输送机中位

13、放顶煤支架2022/9/10山东科技大学293）双输送机低位放顶煤支架2022/9/11山东科技大学283）双输送机低位放顶煤支架2022/9/10山东科技大学30二柱掩护式低位放顶煤支架2022/9/11山东科技大学292022/9/10山东科技大学31四柱支撑掩护式低位放顶煤支架2022/9/11山东科技大学302022/9/10山东科技大学323.3.2确定支架工作阻力及支护强度 目前我国主要采用的方法有：根据支架与围岩相互作用关系式位态方程的计算法 载荷估算法实测统计法临界阻力法理论分析法2022/9/11山东科技大学313.3.2确定支架工作阻力及支护强度2022/9/10山东科3.

14、3.2.1支架围岩关系位态方程法 在即定采高下，围岩组成及各部分运动规律不随所用支护手段的改变而发生明显的、质的变化。 在同一顶板条件下，不管是采用单体支柱支护，还是使用液压支架，顶板控制设计的基本要求和所需支护强度计算方法是相同的。2022/9/11山东科技大学323.3.2.1支架围岩关系位态方程法2022/9/10山 综采工作面液压支架一旦布置好，支护密度（支架间距）是不能随意变动的，这就要求液压支架的额定工作阻力PB直接与控顶要求的支护强度PT相适应，即 ：PB=PT/KY KY=KYBKYZ 式中，KY液压支架支护效果影响系数； KT 一般取23。2022/9/11山东科技大学33

15、综采工作面液压支架一旦布置好，支护密度（支架间距）是不能2022/9/11山东科技大学342022/9/10山东科技大学36 支架受力图2022/9/11山东科技大学352022/9/10山东科技大学372022/9/11山东科技大学362022/9/10山东科技大学382022/9/11山东科技大学372022/9/10山东科技大学392022/9/11山东科技大学382022/9/10山东科技大学403.3.2.4临界阻力法 临界工作阻力就是使支架围岩处于相对平衡状态必需的最低支架阻力。 大量实测资料及调压试验确定，支架初撑力P0与时间加权平均阻力Pt或末阻力Pm之间存在如下回归方程：Pt

16、=AtBtlnP0 Pm=AmBmlnP0 此曲线为对数曲线，式中At、Bt、Am、Bm为经验公式常数。 2022/9/11山东科技大学393.3.2.4临界阻力法2022/9/10山东科技大学41 支架的临界初撑力2022/9/11山东科技大学402022/9/10山东科技大学42支护阻力确定：(1)为保证稳产高效，避免机道顶板破碎及移架中顶板下沉速度急剧增加，求取支架的初撑支护阻力P0应将Pok乘以安全系数K1，对于稳定、中等稳定及不稳定顶板，K1分别为1.1，1.2及1.35。 P0= K1Pok 2022/9/11山东科技大学41支护阻力确定：2022/9/10山东科技大学43(2)将

17、Pok带入式Pt=AtBtlnP0得时间加权临界阻力Ptk，自移支架的额定工作阻力PH 应以Ptk为基础，并考虑安全系数K2取1.52PH=K2Ptk (3)对于稳定和坚硬顶板，尚需考虑每延米阻力：PH= 58M+14C+36(Lk-1)RH= 410M+49C+460Lk-1660 2022/9/11山东科技大学42(2)将Pok带入式Pt=AtBtlnP0得时间加权临界阻3.3.2.5理论分析法砌体梁学说：工作面支架的作用应及时支撑控顶区直接顶岩层，避免直接顶和老顶离层而破碎；同时要对上覆可能形成砌体梁结构的老顶岩层以作用力，用以平衡其部分载荷，不让其沿工作面形成切顶以及大量的台阶下沉。2

18、022/9/11山东科技大学433.3.2.5理论分析法2022/9/10山东科技大学45上覆岩层断裂时受力情况2022/9/11山东科技大学442022/9/10山东科技大学46 当A岩块前端断裂瞬间，为协助B块实现平衡结构，其关系式为： 式中， PH合理支护强度，kN/m 2； 岩块间摩擦角； 岩块破断角（破断面和垂直面的夹角）； ME老顶岩层厚度； B岩块回转下沉量； Q砌体梁下位岩层中悬露岩块的全部重量。2022/9/11山东科技大学45 当A岩块前端断裂瞬间，为协助B块实现平衡结构，其关系式为：3.3.3 支架选型（综采工作面）3.3.3.1液压支架选型的内容和要求液压支架架型选择是

19、指针对具体顶板类型和顶板岩层组成情况选择不同的支架类型。不仅包括支架的架型及额定工作阻力，支护强度等参数，而且涉及顶梁、护帮、底座、侧推及阀组等主要部件的选型及其参数的决定。 2022/9/11山东科技大学463.3.3 支架选型（综采工作面）2022/9/10山东科技3.3.3.2影响液压支架选型的因素和顺序根据顶板岩石力学性质、厚度及岩层结构及弱面发育程度确定直接定类型；根据老顶岩石力学特性及矿压显现特征确定老顶级别；根据底板岩性及底板抗压入强度及刚度测定结果，确定底板类型；2022/9/11山东科技大学473.3.3.2影响液压支架选型的因素和顺序2022/9/10根据矿压实测数据计算额

20、定工作阻力或根据采高、控顶宽度及周期来压步距，估算支架必需的支护强度和每米阻力；根据顶底板类型、级别及采高，初选必需的额定支护强度，初选支架类型； 考虑工作面风量，行人断面，煤层倾角，修正架型及参数；考虑采高、煤壁片帮（煤层硬度和节理）的倾向性及顶板端面冒落度，确定顶梁及护帮结构；2022/9/11山东科技大学48根据矿压实测数据计算额定工作阻力或根据采高、控顶宽度及周期考虑煤层倾角及工作面推进方向，确定侧护结构及参数；根据底板抗压入强度，确定支架底座结构参数及对架型参数的要求；利用支架参数优化程序（考虑结构受力最小），使支架结构优化。 2022/9/11山东科技大学49考虑煤层倾角及工作面推

21、进方向，确定侧护结构及参数；2022支架选型顺序2022/9/11山东科技大学502022/9/10山东科技大学523.3.3.3液压支架选型方法液压支架的选型方法：系统分析比较法。 分析比较法就是对要选择的多种方案的各个属性、部分、方面分别研究比较决定的方法。 根据矿山地质条件来分析、比较决定支架各部分的类型及参数。2022/9/11山东科技大学513.3.3.3液压支架选型方法2022/9/10山东科技大学其选型原则为：主要根据直接顶、老顶的厚度、物理性质、层理和裂隙发育情况及类级，结合采高、开采方法等因素确定支架的额定工作阻力、初撑力、几何形状、立柱数量及位置、移架方式、顶板覆盖率。下位

22、顶板的稳定性对液压支架选型尤为重要。对“三软”煤层，目前采取的架型有两种两柱掩护支架。一种是短顶梁的支掩式托梁掩护支架，另一种途径是采取对顶班全封闭方式的支顶式掩护支架，可采用长侧护板的整体顶梁加伸缩量，加大立柱的倾斜以增大支架的指向煤壁的水平支撑能力。2022/9/11山东科技大学52其选型原则为：2022/9/10山东科技大学54根据煤厚，变化范围及其规则程度，确定支架最大和最小高度、活柱伸缩段数、加高装置。结合煤层的强度和节理发育程度确定是否采用护帮装置，以及装置的形式和尺寸。煤层厚度小于2.7m时，一般不使用护帮装置； 煤层倾角数据主要用于确定支架稳定性，如防倒、防滑装置、锚固站及调架

23、装置；2022/9/11山东科技大学53根据煤厚，变化范围及其规则程度，确定支架最大和最小高度、活底板抗压入强度及平整程度用于确定底座类型是整体刚性底座或弹性连接的分底座；根据底板载荷集度分布确定底座面积。根据煤层的瓦斯含量及释放方式确定支架的最小过风断面是否能满足通风要求；此外应选对地质构造变化适应能力强的架型。 由上节内容确定液压支架合理工作阻力。2022/9/11山东科技大学54底板抗压入强度及平整程度用于确定底座类型是整体刚性底座或弹综采放顶煤工作面支架选型 研究放顶煤工作面上覆岩层结构及支架围岩关系，计算工作面的合理支护强度。在支架设计工作阻力满足工作面支护强度的前提下，还应根据工作

24、面具体地质条件选择合理支架类型，达到既经济又安全的目的。2022/9/11山东科技大学55综采放顶煤工作面支架选型2022/9/10山东科技大学57根据煤体强度选择架型 煤体强度的大小事影响放顶煤开采效果的最主要因素。实践表明，放顶煤开采比较适应的煤体强度为1f3。如果f1，煤壁易于片帮，顶煤超前垮落，支架受力出现“前重后轻”；如果f3，需要人为放煤。2022/9/11山东科技大学56根据煤体强度选择架型2022/9/10山东科技大学58对于较软煤层，应选用短顶梁支架，减少对顶煤的反复支撑次数，增加支架前方支护能力，以维护机道上方顶煤不垮落，宜选用掩护式放顶煤支架对于强度较大不易垮落的煤层，应

25、选用长顶梁支架，增加支架对顶煤的反复支撑次数，宜选用支撑掩护式支架。支架顶梁长度大于3m，顶煤从暴露到受支架56次反复支撑后，基本都能在支架顶梁与掩护梁铰接点前后顺利垮落。 2022/9/11山东科技大学57对于较软煤层，应选用短顶梁支架，减少对顶煤的反复支撑次数，增根据煤层倾角选择支架架型 急倾斜煤层内尽量选用掩护梁插板式放顶煤支架，这种类型支架的主要特点是，后部输送机置于底板或底板托架上，放煤口低，产尘量少，丢煤少，掩护梁既可伸缩又可以摆动，放煤口大，放煤速度快；支架二次破碎顶煤能力大。 在倾斜煤层内，选用底座与掩护梁连接式（单铰接或四连杆式）支架。这类支架的主要优点是整体稳定性好，强度大

26、。2022/9/11山东科技大学58根据煤层倾角选择支架架型2022/9/10山东科技大学603.3.4 端头支护与超前支护3.3.4.1端头支护1）端头是指采煤工作面与工作面运输巷和回风巷接合的部位。2）4个组成部分（见下图）： I工作面机头(机尾)设备区，即工作面端部5-10m的排头支架部位 II巷道端头区，即工作面与巷道交叉部位； III工作面前方支承压力剧烈影响区，一般超前10-30m地段； IV工作面后方矿压显现剧烈区，一般至工作面后方10-20m。2022/9/11山东科技大学593.3.4 端头支护与超前支护2022/9/10山东科技大学2022/9/11山东科技大学602022

27、/9/10山东科技大学623）端头特点：由于顶板暴露面积大，处于采场沿走向和倾斜支承压力叠加处，维护困难且作业交叉，支护结构复杂，人员往来频繁，因此该处是顶板控制的簿弱环节，是顶板事故多发地段，约占工作面顶板事故的1530，应作为顶板控制的重点内容。 2022/9/11山东科技大学613）端头特点：由于顶板暴露面积大，处于采场沿走向和倾斜支承压4）对端头支架的要求要提供较大的无立柱空间，以放置和移设运输机头、转载机等大型设备。端头支架与各种设备间的配置关系要合理，要求在空间三个自由度有足够的摆角及移动量，增大灵活性和适应性，既要有配套性，又有一定的通用性与不同架型、高度的工作面支架以及运输设备

28、配套。要有足够的初撑力及支护强度，有侧向抗力和护帮能力，有相应的可缩量，支设可靠，能保证足够的断面及人行通道。2022/9/11山东科技大学624）对端头支架的要求2022/9/10山东科技大学64支架结构简单，支卸灵活，移设方便。能为其它设备前移提供足够的动力和可靠的支点。如拉架力不小于500kN，推输送机头和转载机的总力不小于800 kN，还要适应采煤机自开缺口的需要。能与原巷道支架及工作面排头支架间具有良好的配合关系，尽可能减少丢失顶底煤和工作面下端的三角底煤。能根据条件控制端头支架的前移方向，防止工作面设备的下滑及倾倒。2022/9/11山东科技大学63支架结构简单，支卸灵活，移设方便

29、。能为其它设备前移提供足够端头处在采面边缘，由于顶板一侧煤柱支撑，有时采空区呈三角悬顶，面积较大。在不采用沿空留巷时，端头支架应有较大的切顶能力。2022/9/11山东科技大学64端头处在采面边缘，由于顶板一侧煤柱支撑，有时采空区呈三角悬5）端头支护方式单体支柱端头支护。根据顶梁和联系结构又分为金属支柱铰接顶梁支护、长钢梁支护、十字顶梁和网状顶梁支护；液压端头支架支护，主要架型有SD型、BT型和DZY型等支撑掩护式端头支架，以及将工作面液压支架前梁加长并增加前柱的改装式端头支架，此外还有滑移顶梁式简易端头支架等，锚杆端头支护；混合式。2022/9/11山东科技大学655）端头支护方式2022/

30、9/10山东科技大学672022/9/11山东科技大学662022/9/10山东科技大学68初撑力和稳定性工作面端头支架支设和移置频繁，具有临时支护的性质，且端头处顶板为稳定的弧三角恳板与离层、侧向暴露的碎裂直接顶的配合，具有复合顶板的特点。因此要求支架有较高的初撑力和增阻特性，以保证及时支护。一般初撑力以不低于工作阻力的80。同时要求有完备的锚固装置以保证端头支架的稳定性。2022/9/11山东科技大学67初撑力和稳定性2022/9/10山东科技大学692022/9/11山东科技大学682022/9/10山东科技大学703.3.4.2超前支护（一）超前支护范围 指上、下两巷距工作面煤壁20m

31、范围内支护方式需超前支护和加强支护的范围。（二）超前支护方式1）梯形棚平巷的超前支护方式 靠近煤壁线10 m范围内，在原棚梁下采用双排金属铰接顶梁和单体液压支柱支护。 1020 m范围内，采用单排金属铰接顶粱和单体液压支柱支护。2022/9/11山东科技大学693.3.4.2超前支护2022/9/10山东科技大学712）金属拱形支架平巷的超前支护方式若平巷为金属拱形支架(可锚杆支护)超前35m替棚时，采用十字铰接顶梁与金属支柱配套支护。其高度不小于1.6m，行人侧宽度不小于0.7m。距煤壁20m范围内，在拱形梁下加打单排金属铰接顶梁和单体液压支柱；或只在拱形梁下加打中柱，在柱顶和拱形梁间垫好短

32、木板。超前替棚可采取全十字梁或半十字梁布置方式。2022/9/11山东科技大学702）金属拱形支架平巷的超前支护方式2022/9/10山东科技3）双向铰接顶梁支护方式双向铰接顶梁是将侧向连接的耳子和接头直接焊在普通金属铰接顶梁的中间两侧，供横向铰接使用。双向铰接顶梁的连接方式，分沿走向和倾斜两种。梁下单体液压支柱根据输送机、行人、运料所需要的空间布置，原则上每根双向铰接顶梁下支设一根单体液压支柱。沿倾斜布置时，每趟双向铰接顶梁的两侧应增补一根支柱。机头和机尾所在位置不能布置单体支柱时，要加水平销，使用成对长钢梁支护。2022/9/11山东科技大学713）双向铰接顶梁支护方式2022/9/10山

33、东科技大学73案列神东矿区新开水平和盘区的支架选型设计研究项目2022/9/11山东科技大学72案列2022/9/10山东科技大学74项目背景主要研究内容研究目标和关键技术技术路线和技术方案项目实施方式、方法和步骤进度计划及质量保证措施主要内容2022/9/11山东科技大学73项目背景主要内容2022/9/10山东科技大学75神东矿区部分矿井综放综采工作面支架工作阻力偏小、顶板控制效果差，加之随着神东矿区开采水平和盘区的延深，决定回采工作面采煤方法和支架选型主要因素煤层开采地质条件，发生了几点显著的变化。因此，对新开水平和盘区采煤方法及支架选型工作成为神东矿区高产和安全生产急需解决和研究的主要

34、课题。1.项目背景2022/9/11山东科技大学74神东矿区部分矿井综放综采工作面支架工作阻力偏小、顶板控制效果 神东矿区（部分矿井）新老盘区工作面地质和生产条件差异见表1.1（已经初步调研9矿新开13个盘区和水平的工作面基本情况）（）开采煤层厚度 寸二矿32煤二盘区煤层较已采盘区增加2m左右；上湾增加近1m；补连塔矿22煤、塔矿及大井的煤层厚度较之以前有所降低。2022/9/11山东科技大学75 神东矿区（部分矿井）新老盘区工作面地质和生产条件差异见表1（）埋藏深度 除了柳塔矿、乌兰木伦矿和活井之外，其余矿井的新采盘区煤层比已采煤层埋深都是加大的（最大430-710m）；（3）煤层倾角变化不

35、大（4）部分煤层单轴抗压强度有所增加（5）大井的工作面长度较之以前增加，变化较大（6）各个矿井的顶板条件随着煤层或盘区的变化有所改变。2022/9/11山东科技大学76（）埋藏深度2022/9/10山东科技大学78 根据项目招标书技术规范书要求所述项目主要研究内容，并基于课题组对项目科学问题的理解，我们将项目主要研究内容概括为5个专题，本章只介绍其中两个专题。专题1-新开盘区采煤工艺形式划分和支架选型。专题2-矿区现有支架架型和主要技术参数对新开盘区煤层条件适应性研究和评价。2.主要研究内容2022/9/11山东科技大学77 根据项目招标书技术规范书要求所述项目主要研究内容，并基于目标 通过工

36、作面开采方法的技术经济比较，在确定采煤方法及工艺的基础上，根据新盘区开采煤层矿压规律的定量计算和预计，研究并确定盘区首采工作面合理的液压支架型式和主要参数，确保工作面安全高效开采。3.研究目标和关键技术2022/9/11山东科技大学78目标3.研究目标和关键技术2022/9/10山东科技大学80关键技术1）已采盘区工作面矿压规律和矿压模型的系统总结2）新开盘区合理的采煤方法和工艺形式确定3）新开盘区顶板运动特征和矿压显现规律预计4）新开盘区支架-围岩关系确定、支架型式和主要参数确定2022/9/11山东科技大学79关键技术2022/9/10山东科技大学81技术路线神东矿区9矿已采工作面采煤方法

37、（工艺）生产效果和支架控顶效果的系统调查研究并总结矿压特征对采煤方法和支架选型的制约程度新开盘区煤层顶底板力学性能测试新开盘区工作面顶板运动特征和矿压显现规律定量预计（理论模型和数值分析）资源回收率、设备投资和矿压特征对采煤方法确定和支架选型的总体制约和要求新开盘区采煤方法、支架选型和工作面支架三机配套确定。2022/9/11山东科技大学80技术路线2022/9/10山东科技大学82可行性和先进性分析以煤层条件为基础，以矿压研究为中心，辅之以类比法和数值计算等基本手段，决定各煤层合理的采煤方法（工艺形式）和支架选型，是一种理论先进、方法实用、效果可靠的研究方法和路线，完全可以解决神东9矿新开盘

38、区液压支架选型设计关键技术。2022/9/11山东科技大学81可行性和先进性分析2022/9/10山东科技大学83专题1新开盘区采煤工艺形式划分和支架选型2022/9/11山东科技大学82专题1新开盘区采煤工艺形式划分和支架选型2022/9/1神东矿区采煤工艺类型划分和支架选型的理论和实践 神东矿区高产高效的长壁采煤方法主要为综采和综放采煤法，条件适宜时它们均取得了良好的开采效果。 就综采而言，依据其采煤机割煤的工艺主要参数采高划分，可以将综采工艺形式划分为5种。2022/9/11山东科技大学83神东矿区采煤工艺类型划分和支架选型的理论和实践2022/9/（1）采高2m左右的小采高综采，（2）

39、采高3m左右的综采，（3）采高45m大采高综采，（4）采高57m的大采高综采。采高及由此决定的工作面单产标志着和划分了神东高产高效综采的发展过程。2022/9/11山东科技大学84（1）采高2m左右的小采高综采，2022/9/10山东科技大新开盘区采煤工艺形式确定主要以工作面采高作为工艺形式划分的依据。首先可以按煤层厚度初步划分为4种工艺形式。针对煤层厚度大于6m的厚煤层，经过矿压预测，如果新开盘区综采工艺会出现颠覆性矿压，则要对综放开采可行性进行论证，确定综放开采适应性。2022/9/11山东科技大学85新开盘区采煤工艺形式确定2022/9/10山东科技大学87不同采煤工艺形式的支架选型 对

40、神东矿区新开盘区而言，液压支架的选型重点可概括表达为以下几个方面：支架形式的选择支架主要结构参数选择（综采综放支架的宽度）支架结构高度支架支护强度支架底座形式支架顶梁结构形式和护帮装置2022/9/11山东科技大学86不同采煤工艺形式的支架选型2022/9/10山东科技大学88支架支护强度和支架工作阻力确定及验证1）类比法确定支护强度 根据煤层赋存条件（埋藏深度、煤层基岩厚度、顶板岩层力学性质及结构），采取类比相邻条件煤层已知矿压显现（主要为支架工作阻力和支护强度）来确定支架的选型和参数。2022/9/11山东科技大学87支架支护强度和支架工作阻力确定及验证2022/9/10山东科 神东经验和

41、全国经验的调查类比 这一方法根据现场实测的矿压参数及其发展趋势来确定新开盘区的支架支护强度，具有可比性强、方法简单实用、结论可靠的优点，是我国液压支架支护强度选择常用的一般方法。 该方法的限制或不足,当新开盘区的煤层赋存条件和已知类比区不会全部一样，对个别重要条件的改变引起的支护强度参数本质变化没有可靠的修正办法。2022/9/11山东科技大学88 神东经验和全国经验的调查类比2022/9/10山东科技大学2）“支架围岩”关系 矿压模型定量计算法 根据煤层顶板力学性质及顶板构成，可以计算工作面开采后顶板的组成和结构，构建工作面顶板结构模型，并根据各顶板结构模型特有的“支架围岩”式来定量计算支架

42、的支护强度。2022/9/11山东科技大学892）“支架围岩”关系 矿压模型定量计算法2022/9/13）支架支护合理性验证（1）顶板分类法验证支护强度 早期顶板分类中根据工作面矿压显现强度和工作面采高等提出了工作面支架与支护强度的计算公式。由于考虑具体的采场条件较少，该方法一般可作为检核支护强度的手段。2022/9/11山东科技大学903）支架支护合理性验证2022/9/10山东科技大学92 根据缓倾斜煤层采煤工作面顶板分类标准，附录D中附表D2，各级基本顶必需的额定支护强度按下列公式计算。额定支护强度下限值计算公式：Ps=72.3hm+4.5Lp+78.9Bc-10.24N-62.1（kN

43、/m2）2022/9/11山东科技大学91 根据缓倾斜煤层采煤工作面顶板分类标准，附录D中附表D（2）采用数值计算方法检验合理支护强度 采用FLAC3D等数值计算软件，可以定量计算不同的支护强度时工作面矿压显现特征。因此，可以矿压显现控制要求来优化验证支架合理支护强度。2022/9/11山东科技大学92（2）采用数值计算方法检验合理支护强度2022/9/10山东 综采工作面应力分布2022/9/11山东科技大学93 综采工作面应力分布2022/9/10山东科技大学 综放工作面顶板移近量计算2022/9/11山东科技大学94 综放工作面顶板移近量计算2022/9/10山东科技大由山东科技大学等单

44、位协助神东煤炭集团黄玉川煤矿综放支架选型工作，较好地体现了上述支架选型研究思路。选型结果于2012年7月30日经过神华集团验收。黄玉川煤矿综放支架选型2022/9/11山东科技大学95由山东科技大学等单位协助神东煤炭集团黄玉川煤矿综放支架选型工1 综放支架选型的主要内容和依据 黄玉川煤矿即将对6上煤层进行综放开采 此前，经神华集团神东亿利公司和黄玉川矿多论证，已确定适合6上煤开采的综放支架型号为ZF12000/25/42D支架形式为两柱掩护式结构高度2500mm4200mm支架中心距1750mm，工作阻力12000kN（47.8MPa），初撑力7912kN（31.5 MPa）支架强度1.251

45、.28MPa2022/9/11山东科技大学961 综放支架选型的主要内容和依据2022/9/10山东科技支架选型的依据 支架选型的主要依据是回采工作面的地质和采矿条件，具体地说，决定支架选型的主要外在因素是回采工作面的矿山压力。2022/9/11山东科技大学97支架选型的依据2022/9/10山东科技大学99ZF15000/26/42四柱支撑掩护式放顶煤支架2022/9/11山东科技大学98ZF15000/26/42四柱支撑掩护式放顶煤支架2022/支架支护面积类型工作面（1）顶板压力平均值/ MPa工作面（2）顶板压力平均值/ MPa工作面（2）顶板压力极大值/ MPa最大支护面积S（m2）

46、1.110.9831.43最小支护面积S（m2）1.271.121.63有效支护面积S（m2）1.481.311.90邻近矿井综放工作面来压时顶板压力实测值2022/9/11山东科技大学99支架支护面积类型工作面（1）顶板压力工作面（2）顶板压力工作支架支护面积类型邻近矿（综放工作面）来压时顶板压力/ MPa黄玉川（综放工作面）来压时顶板压力/ MPa（临近矿1.1倍）最大支护面积S（m2）1.110.981.431.221.081.57最小支护面积S（m2）1.271.121.631.401.231.79有效支护面积S（m2）1.481.311.901.631.442.09黄玉川煤矿216上

47、01首采工作面顶板压力预测（经验类比法）2022/9/11山东科技大学100支架支护面积类型邻近矿（综放工作面）来压时顶板压力/ MPa2 煤壁片帮程度和顶煤冒落特性预测1） 邻近矿6上煤综放工作面开采过程中，总体上工作面煤壁片帮深度不大，一般不超过300mm，预计黄玉川矿6上煤首采工作面片帮深度较小，同样不超过300mm，局部片帮最大值可达1000mm。2022/9/11山东科技大学1012 煤壁片帮程度和顶煤冒落特性预测2022/9/10山东科技2）顶煤冒落 由于黄玉川矿煤层强度比上述对比矿井煤层强度大，因此顶煤在支架前部基本沿支架切顶线冒落，或稍超前切顶线冒落，但超前切顶线距离较对比矿井

48、明显减小。 由于煤层强度较小（f=0.31.5），邻近矿井综放开采时，四柱支护掩护式支架上方顶煤一般超前于支架切顶线冒落，实测超前支架后立柱约800mm。如下图所示。2022/9/11山东科技大学1022）顶煤冒落2022/9/10山东科技大学104邻近矿井顶煤冒落线位置2022/9/11山东科技大学103邻近矿井顶煤冒落线位置2022/9/10山东科技大学1053 根据工作面顶板结构预测综放工作面支护强度 根据工作面顶板结构预测工作面顶板压力是一种典型的理论计算方法。根据山东科技大学宋振骐院士的“传递岩梁”理论来定量计算（预计）黄玉川煤矿综放工作面顶板压力，并以此定量计算支架支护强度。202

49、2/9/11山东科技大学1043 根据工作面顶板结构预测综放工作面支护强度2022/9/1110#支架循环末阻力（第1个工作面）2022/9/11山东科技大学105110#支架循环末阻力（第1个工作面）2022/9/10山东序号岩性层厚/m抗拉强度/MPa抗压强度/MPa煤层以上累计厚度/m初次断裂步距/m周期断裂步距/m1砂质泥岩3.260.92.91447.53.2615286112粗粒砂岩6.150.622.413.853.89.4117347143粉砂岩17.162.63226.5760244粗粒砂岩24.610.622.413.853.851.1835691428HY钻孔处直接顶岩层初次垮落步距计算值2022/9/11山东科技大学106序号岩性层厚/m抗拉强度抗压强度/MPa煤层以上初次断裂步距2）直接顶冒落特点 根据顶板悬顶距计算得知，直接顶悬顶小步距垮落，最大悬顶距为8m。 3）直接顶厚度计算 由上可知，各分层直接顶具有在支架后方切顶线附近及时冒落的特点，估计直接顶厚度MZ=9.4m。（不同地点的顶板组成不一样时，顶板厚度会有差别。相邻矿井有3种顶板结构）直接顶