第五章采场顶板支护方法

第五章采场顶板支护方法主讲人：王成E_mail:wangchengcumt@163.comTEL一节顶板分类与底板特征第二节

采场支架类型与力学特性第三节采场支架与围岩相互作用原理第四节采场支护设计学习要点了解直接顶、老顶和底板的分类掌握支架的工作特性、支架的类型及适用条件掌握采场支架与围岩相互作用原理掌握如何确定采场支架的规格及工作阻力学习难点顶底板分类、支架的工作特性支架与围岩相互作用关系确定支架规格和合理工作阻力回采工作面矿压显现决定于采场围岩开采条件控制回采工作面矿山压力总体角度（矿井设计的问题，如开采顺序、采煤工作面布置）局部（支护和采空区处理）直接顶与老顶的关系直接顶好坏对生产与安全有直接影响直接顶的完整性受老顶平衡特征影响第一节顶板分类及底板特征一、分类的意义由于采场支撑体系（小结构）必须与上覆岩层大结构相适应，采场支架必须具备两个特性（即支撑力与可缩量的关系特征）：①必须具备一定的可缩量；②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。第一节顶板分类及底板特征一、分类的意义采空区处理采场矿山压力控制工作面支护按稳定状态原生裂隙构造裂隙压裂裂隙裂隙类型张裂隙剪裂隙第一节顶板分类及底板特征二、直接顶的分析1）定性分析破碎顶板————页岩、再生顶、煤顶中等稳定顶板——砂页岩、粉砂岩完整顶板————砂岩、坚硬砂页岩按裂隙面与工作面顶板岩层层面的位置关系R1——平行于层面R2——垂直于层面R3——向煤壁倾斜R4——向采空区倾斜R5——锲形裂隙雅可毕分类第一节顶板分类及地板特征二、直接顶的分类1）定性分类直接顶初次垮落步距不稳定顶板——中等稳定顶板—稳定顶板———端面破碎度——端面破碎面积与端面面积之比。第一节顶板分类及地板特征二、直接顶的分类3）端面破碎度分类法2）定量分类二、直接顶的分类第一节顶板分类及地板特征

当端面距为1m时的端面破碎度称为顶板冒落灵敏度。

一类二类三类稳定顶板

中等稳定顶板

不稳定顶板原煤炭工业部根据直接顶平均垮落步距将缓倾斜煤层采煤工作面直接顶板分类第一节顶板分类及地板特征二、直接顶的分类4）直接顶板分类方案及其指标类别1类不稳定顶板2类中等稳定顶板3类稳定顶板4类非常稳定顶板1a1b2a2b基本指标τr≤44<τr≤88<τr≤1212<τr≤1818<τr≤2828<τr≤50岩性和结构特征泥岩、泥页岩，节理裂隙发育或松软泥岩、碳质泥岩，节理裂隙较发育致密泥岩、粉砂岩、砂质泥岩，节理裂隙不发育砂岩、石灰岩，节理裂隙较少致密砂岩、石灰岩，节理裂隙极少老顶的失稳及来压强度不仅对直接顶的稳定性有直接影响，而且对确定支护强度、支架具备的可缩量以及选择采空区处理方法等，都起着决定性的作用。老顶岩层对工作面的顶板压力的影响主要取决于直接顶的厚度。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(呈现缓慢下沉式平衡的可能性越大，岩层移动曲线也越缓和)，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，支架承载越小。第一节顶板分类及地板特征三、老顶的分类无来压来压明显来压严重坚硬顶板塑性顶板1）直接顶板与采高比N分类法第一节顶板分类及地板特征三、老顶的分类老顶初次来压当量:2）老顶初次来压当量Pe分类法第一节顶板分类及地板特征三、老顶的分类举例：二类2级顶板?类别1类不稳定顶板2类中等稳定顶板3类稳定顶板4类非常稳定顶板1a1b2a2b基本指标τr≤44<τr≤88<τr≤1212<τr≤1818<τr≤2828<τr≤50岩性和结构特征泥岩、泥页岩，节理裂隙发育或松软泥岩、碳质泥岩，节理裂隙较发育致密泥岩、粉砂岩、砂质泥岩，节理裂隙不发育砂岩、石灰岩，节理裂隙较少致密砂岩、石灰岩，节理裂隙极少类别ⅠⅡⅢⅣ老顶来压显现不明显明显强烈非常强烈ⅣaⅣb分级指标Pe≤895895<Pe≤975975<Pe≤10751075<Pe≤1145Pe>1145——直接顶中等稳定，老顶来压明显。底板比压：支架底座对单位面积底板所造成的压力。极限底板比压：防止支架钻底时所允许的最大底板比压。第一节顶板分类及地板特征四、底板的分类底板岩层对采煤的影响底板破坏采场支护系统刚度透水事故支架钻底板顶板控制效果差沟通奥灰水其它剪切穿鞋破坏木柱鞋抗压强度较低，不宜使用第一节顶板分类及地板特征四、底板的分类极限抗压入强度整体剪切局部剪切1）底板的破坏特征按极限底板比压将底板分为5类底板类别基本指标辅助指标参考指标一般岩性名称代号容许比压/MPa容许刚度/MPa容许穿透度容许单轴抗压强度/MPa极软Ⅰ<3.0<0.035<0.20<7.22充填砂、泥岩、软煤松软Ⅱ3.0-6.00.035-0.320.20-0.407.22-10.80泥页岩、煤较软Ⅲa6.0-9.70.32-0.670.40-0.6510.80-15.21中硬煤、薄层状页岩Ⅲb9.7-16.10.67-1.270.65-1.0815.21-22.84硬煤、致密页岩中硬Ⅳ16.1-321.27-2.761.08-2.1622.84-41.79致密页岩、砂质泥岩坚硬Ⅴ>32>2.76>2.16>41.29厚层砂质页岩、粉砂岩、砂岩第一节顶板分类及地板特征四、底板的分类2）底板的分类支撑式掩护式支撑掩护式

单体支架液压支架普通支架端头支架大采高支架放顶煤支架液压支架的应用正在逐步扩大整体相互独立支架单体液压支架——液压柱+铰接金属梁木支架—————木柱+木梁摩擦金属支架——摩擦柱+铰接金属梁第二节采场支架类型与力学特性一、支架类型第五章采场顶板支护方法

P0′－初撑力：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。

二、与支架的工作特性相关的几个概念支柱的撑力：支柱对顶板的主动作用力。支柱的工作阻力：支柱受顶板压力作用而反映出来的力。第二节采场支架类型与力学特性P1－初工作阻力：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：支柱所能承受的最大负载能力，又称额定工作阻力。第二节采场支架类型与特性二、与支架的工作特性相关的几个概念急增阻微增阻恒阻二、与支架的工作特性相关的几个概念

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。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。第二节采场支架类型与力学特性外注式注液方式单体支架的优点：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、回柱速度慢。三、单体液压支柱的结构与特性内注式第二节采场支架类型与力学特性内注式:工作介质是机油，手摇泵把油从低压腔压入高压腔；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：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。

三、单体液压支柱的结构与特性第二节采场支架类型与力学特性外注式和内注式液压支柱使用特点：外注式不如内注式灵活，但结构简单，重量轻，成本低；

外注式液压支柱每使用一次需要消耗一定的乳化液；

外注式液压支柱支设速度较快。

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。三、单体液压支柱的结构与特性第二节采场支架类型与力学特性液压自移支架内使用的液压支柱属于外注式，工作原理如下：四、液压支架的工作特性1—活柱；2—柱体；3、9、10—管路；4—安全阀；5—单向阀；6—主回油路；7—主进路；8—操纵阀载荷超过额定工作阻力时，安全阀开启，工作液由下腔回入上腔或泄出柱体外，支柱下缩，工作阻力随之略有下降，安全阀重新关闭，工作阻力再次增加，如此周而复始，保持了工作阻力恒定，而活柱随着顶板下沉而下缩。第二节采场支架类型与力学特性支撑面积与掩护面积比值五、液压支架的分类两种观点支撑式支撑掩护式掩护支撑式掩护式支撑式掩护式有无掩护梁第二节采场支架类型与力学特性体现支架的支撑和结构特点的命名如下：①支撑式：指在结构上没有掩护梁，对顶板的起支撑作用的支架称为支撑式支架。②掩护式：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架。③支撑掩护式：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。五、液压支架的分类第二节采场支架类型与力学特性五、液压支架的分类

1）支撑式结构上没有掩护梁第二节采场支架类型与力学特性结构上有掩护梁，支柱在掩护梁上五、液压支架的分类2）掩护式第二节采场支架类型与力学特性结构上有掩护梁，支柱在顶梁上，有时在顶梁和掩护梁上都有支柱。五、液压支架的分类3）支撑掩护式第二节采场支架类型与力学特性六、液压支架支护方式分析第二节采场支架类型与力学特性顶梁后端支撑力大于前端，支撑力合力远离前梁端部。顶板比较破碎的工作面，反复支撑常导致直接顶更易破碎，导致支架受力前移，使支架前柱受力远大于后柱，甚至后梁上翘现象。1）支撑式BZZB前后柱间距为1.1m，0.5-0.6m为前后柱的中间位置。当周期来压后柱先于前柱达到额定，后柱下沉，迫使顶板压力前移，合力位置前移至前后柱中间位置。六、液压支架支护方式分析第二节采场支架类型与力学特性1）支撑式支架的架型与顶板情况是相适应的。

合力作用位置/m0-0.10.105-0.20.205-0.30.305-0.40.405-0.50.505-0.60.605-0.7频次/%2842417最大值/kN15171338223524002148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于适应。对特别坚硬的顶板由于支柱承受不了强大的水平推力而不相适应。破碎顶板条件下，必须采取护顶措施，才能得到良好的使用效果。通风断面大、行人方便、结构简单，在高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1.5m以上，直接顶3、4类，底板Ⅲ类以上，煤层倾角小于20°的长壁工作面。六、液压支架支护方式分析第二节采场支架类型与力学特性1）支撑式

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（四连杆式）六、液压支架支护方式分析第二节采场支架类型与力学特性1）掩护式单铰式掩护支架托梁铰接点做圆弧线运动，双铰式掩护支架的托梁铰接点做双纽线运动。

VOB—HP116型掩护支架外形（单铰式）T13K11掩护液压支架（双铰式）六、液压支架支护方式分析第二节采场支架类型与力学特性2）掩护式掩护支架的优点：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，可以考虑不接顶。

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。缺点：支架工作空间小，因而通风断面小，行人也不方便。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。六、液压支架支护方式分析第二节采场支架类型与力学特性2）掩护式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。我国综采面架型90％以上为支撑掩护式。综采面割煤、移架、推溜（刮板输送机）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六、液压支架支护方式分析第二节采场支架类型与力学特性3）支撑掩护式七、几种新型液压支架第二节采场支架类型与力学特性支架型号工作阻力/kN支护强度/MPa支护高度/m重量/tZYY6715/21/45KD67150.852.1-4.521.0ZYY7625/22/43KD76250.952.2-4.321.0ZYY8670/24/50KD86701.052.4-5.023.5ZYY7432/22/45KD74320.912.2-4.522.6ZYY8638/24/50KD86381.062.4-5.025.0研发了五种型号的大采高强力掩护式液压支架，使长壁推进度达到6000m(一般推进长度为1000-2000m)，推进速度达到20-30m/d，满足了高度的开采要求。神东矿区液压支架推进速度七、几种新型液压支架第二节采场支架类型与力学特性七、几种新型液压支架第二节采场支架类型与力学特性七、几种新型液压支架第二节采场支架类型与力学特性八、单体支柱支护方式分析第二节采场支架类型与力学特性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1）单体支柱载荷的分布八、单体支柱支护方式分析第二节采场支架类型与力学特性1）单体支柱载荷的分布有排柱放顶支柱支撑力分布无排柱放顶支柱支撑力分布排放柱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：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。带帽点柱的布置方式八、单体支柱支护方式分析第二节采场支架类型与力学特性2）单体支柱布置方式连锁式及对接式走向棚棚子支护直接顶为中等稳定或比较破碎时采用；顶板破碎，木背板、竹笆或荆笆等护顶措施。倾斜棚

八、单体支柱支护方式分析第二节采场支架类型与力学特性2）单体支柱布置方式单体柱＋铰接顶梁布置正悬臂：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。八、单体支柱支护方式分析第二节采场支架类型与力学特性3）悬臂支架的布置方式HDJA型金属顶梁正悬臂倒悬臂齐梁直线柱布置八、单体支柱支护方式分析第二节采场支架类型与力学特性4）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。一般都采用正悬臂式支护根据截深与顶梁长度的关系，分：①与顶梁长度相同；②顶梁长度之半。错梁直线柱布置八、单体支柱支护方式分析第二节采场支架类型与力学特性4）支架的布置方式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丛柱排柱（密集）抬棚八、单体支柱支护方式分析5）特种支架的布置方式第二节采场支架类型与力学特性特种支架的主要作用：增加支撑力和提高稳定性

木垛斜撑（戗柱）直线木垛八、单体支柱支护方式分析第二节采场支架类型与力学特性5）特种支架的布置方式确保金属支柱的工作性能，失效支柱应及时运至地面检修；在支设金属支柱时，应采用升柱器，使之具有一定的初撑力；严禁在一个工作面使用两种或两种以上不同性能的基本支柱；金属支柱必须与金属铰接顶梁配套使用；不宜让支柱受偏心载荷；必须保证支柱的支设质量。不能将支柱打在浮矸上。工作面严禁采用木支柱、金属摩擦支柱支护方式。九、架设金属单体支柱的技术要求第二节采场支架类型与力学特性倾角大于30°的煤层冲击地压煤层。严禁单体液压支柱放顶煤

煤层开采后，上覆岩层形成的“大结构”是由“煤体－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”。第三节采场支架与围岩相互作用原理一、支架与围岩的相互作用煤体、垮落矸石为平衡结构支点（拱脚），需承受更多载荷“煤体—支架—垮落矸石”支撑系统为静不定系统，刚度大的承受载荷也大；一、支架与围岩的相互作用第三节采场支架与围岩相互作用原理1）横向：“煤体—支架—垮落矸石”支撑系统煤体刚度大于垮落矸石及支架，为主要承载体；支架受到保护，刚度较小，承载较小。老顶直接顶支架底板老顶以上岩层为载荷；直接顶、底板的刚度直接影响支架特性支架特性为插背物、顶梁、支柱、柱鞋的综合性质；当其它结构物刚度很大时，支撑系统的特性即为支柱的刚度；在整个支架群中，该支撑系统的特性影响到支架所受载荷的大小。一、支架与围岩的相互作用第三节采场支架与围岩相互作用原理2）纵向：“老顶—直接顶—支架—底板”支撑系统作用力与反作用力关系；（宜均匀分布，且与顶板压力共线）支架受力大小及其在回采工作面的分布规律与支架性能有关，还与支架与围岩支撑系统的总特性有关。支架结构及尺寸对顶板压力具有影响。（支撑式大，掩护式小）

刚性急增阻微增阻恒阻一、支架与围岩的相互作用第三节采场支架与围岩相互作用原理3）支架—围岩相互作用的特点平时来压一、支架与围岩的相互作用第三节采场支架与围岩相互作用原理4）支架P－△L关系曲线不稳定状态合理的工作阻力稳定状态不同顶板条件，P－△L曲线不同，但都呈双曲线关系合理工作阻力为拐点对应的工作阻力。高于此值，提高支架工作阻力对顶板下沉量影响较小；低于此值则影响极大。工作阻力不能改变上覆岩层“大结构”的总体活动规律，控制顶板下沉量是有一定限度的。一、支架与围岩的相互作用第三节采场支架与围岩相互作用原理4）支架P－△L关系曲线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，其受力状态和控制围岩的效果也不同。支架性能和结构对支架受力和围岩运动是怎样影响，在各种围岩条件下支架的反映呢？第三节采场支架与围岩相互作用原理二、支架与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。该系统受力与变形的协调方程为：

K－系统的组合刚度；△S－系统总变形量；△P－系统阻力增量；P0－系统初撑力二、支架与围岩支护系统的力学分析第三节采场支架与围岩相互作用原理第三节采场支架与围岩相互作用原理在顶板下沉量△S一定时，K越大，支架的载荷越大。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。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，则支架的变形量越大。二、支架与围岩支护系统的力学分析直接顶的刚度：

似刚体中间型刚体似零刚体二、支架与围岩支护系统的力学分析第三节采场支架与围岩相互作用原理支架的刚度：式中：KS

——支架的刚度（并联）；N——支架立柱数；K

——支架立柱的刚度；β——支架立柱与竖直方向的夹角式中：E——直接顶弹性摸量；

m——直接顶高度与支架承载宽度比值。支架的工作状态:给定载荷——直接顶刚度小，老顶的“回转变形压力”由直接顶变形所吸收，支架承受的载荷为直接顶载荷。（直接顶离层）给定变形——直接顶刚度大，老顶的“给定变形”全部通过直接顶传到支架上。支架给定载荷给定变形第三节采场支架与围岩相互作用原理二、支架与围岩支护系统的力学分析增增大稳定性大支撑力、可缩性确定支架类型单体支架液压支架支撑式掩护式支撑掩护式确定架型后主要是选定支架高度和可缩量。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,设计支架最大可缩量第四节采场支护设计一、支架规格的选定采煤工艺顶板最大下沉量估算：第四节采场支护设计一、支架规格的选定支柱的最大高度Hmaxb－顶梁厚度支柱的最小高度Hmina－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Hmin确定支柱规格。液压支架规格的选定方法第四节采场支护设计一、支架规格的选定确定最大采高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a－支架卸载高度,一般取50mm对支架－围岩系统而言：第四节采场支护设计二、支架合理的工作阻力提高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。要保证支架对顶板的有效支护，要有一合适的初撑力。合理工作阻力的确定包括初撑力P0与最大工作阻力的确定。式中：P－支架工作阻力；P0－初撑力第四节采场支护设计二、支架合理的工作阻力1.初撑力合理