修改版 神东煤炭集团顶板管理研讨提纲20131009(吴)

1采煤工作面

顶板管理理论和技术山东科技大学2013年10月9日1采煤工作面顶板管理概述1.1采煤工作面顶板管理的概念

采煤工作面顶板管理：即是采煤工作面工作空间支护和采空区处理工作的总称。支—顶住顶板，可控的顶板下沉量护—保持顶板的完整性21.2采煤工作面顶板管理的意义

采煤工作面顶板管理是煤矿生产技术管理的重要和基础工作。搞好顶板管理，增强采煤工人和技术及管理人员的顶板管理安全意识，认真贯彻落实“安全第一，预防为主”的方针，杜绝重大伤亡及其严重影响工作面正常生产效率的冒顶事故的发生，是打造本质安全型矿井的重中之重。31.3采煤工作面顶板管理的目标及要求1.3.1顶板管理的目标（1）能最大限度地消除压、漏、推冒顶隐患，防止发生各种类型的冒顶事故；（2）能保持顶底板移近量、台阶下沉量以及端面冒高等顶板状态参数在一定限度之内，保证顶板处于良好状态；（3）所需的费用少。4

1.3.2顶板管理的要求

在明确采场采动环境、顶底板岩层特征和顶板运动规律的基础上，按照矿压控制的理论要求，提出并认真实施针对性的矿压控制技术和措施，生产过程中不出现灾变性的矿压显现，保证工作面生产过程中的高产高效生产效果。51.4采煤工作面顶板管理的内容1.4.1采空区处理方法

（1）

自然垮落法

（2）

缓慢下沉法

（3）煤柱支撑法

（4）

充填法

61.4.2采煤工作空间的支支——支架工作阻力要和顶板压力完全抗衡。1.4.2.1顶板初次运动阶段

（1）直接顶初次垮落

支架至少承担一半直接顶重量（2）老顶初次来压支架承担直接顶全部重量和部分老顶的重量71.4.2.2正常开采阶段工作面顶板压力同样由直接顶和老顶两部分岩重产生，见下式：

81.4.2.3末采阶段工作面顶板压力同样由直接顶和老顶两部分岩重产生。主回撤的锚杆支护不作为顶板支护力源。910图1.115104综采工作面回撤区顶板结构（万利一矿）1.4.3采煤工作空间的护

护——主要依靠合理的架型和高质量的顶板管理工程质量。112采场矿压的基本概念与理论2.1顶板的分类和分级直接顶分类和老顶分级。20世纪80-90年代煤炭管理部门颁发的全国性的顶板管理文件。对顶板进行分类和分级，是采场顶板管理的一个基本工作，对顶板特性的认识和顶板管理有重要作用。12直接顶的定义不同的定义山东科技大学宋振骐院士的定义：及时冒落，不能传递自身的力，支架要全部承担其作用力。13

（a）直接顶（b）基本顶1415图2.122202工作面正常开采阶段顶板结构模型（大柳塔矿）2.1.1直接顶分类16直接顶分类表指标（LOZ/m)岩性描述直接顶类别LOZ≤44＜LOZ≤8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1a1b不稳定8＜LOZ≤18致密泥岩、粉砂岩、砂质泥岩节理裂隙不发育2中等稳定18＜LOZ≤28砂岩、灰岩，节理裂隙很少3稳定28＜LOZ≤50致密砂岩、灰岩，节理裂隙极少4坚硬顶板172.1.2基本顶分级定义：不同的定义。宋院士老顶的定义，直接顶上方，传递自身及其上方岩层的力，支架承担自身一部分作用力。分级指标：基本顶初次来压当量(pe)，参数：基本顶初次来压步距(C0)、直接顶充填系数(N)和煤层采高(hm)。

pe=241.3ln(C0)-15.5N+52.6hm式中，pe—基本顶初次来压当量，kN／m2。18基本顶分级表192.2顶板运动参数2.2.1直接顶运动参数

（1）直接顶的厚度和岩性（2）初次垮落步距（3）正常推进阶段直接顶悬顶距和悬顶系数2021直接顶悬顶距和悬顶系数2.2.2老顶的运动参数

（1）老顶的厚度（2）老顶的断裂步距

①老顶初次来压步距

②老顶周期来压步距222.3矿山压力与矿山压力显现2.3.1矿山压力2.3.1.1矿山压力概念

矿山压力：采动后作用于岩层边界上或存在于岩层中的这种促使围岩向已采空间运动的力（即采动后促使围岩运动的力），称为矿山压力。23所谓的“矿山压力”既是指分布于岩层内部各点的力，又包括作用于围岩上的任何一部分边界上的外力。242.3.1.2矿山压力的来源

采动前原岩中各点的应力，就其来源主要有以下三个方面：（1）覆盖岩层的重力；（可以定量计算，主要的力）（2）构造运动的作用力；（3）岩体膨胀的作用力，包括岩体因温度升高或遇水膨胀而产生的力等。252.3.2矿山压力显现2.3.2.1矿山压力显现的概念

采动后，在矿山压力作用下通过围岩运动与支架受力等形式所表现出来的矿山压力现象，统称为“矿山压力显现”。262.3.2.2矿山压力显现的基本形式1）围岩的明显运动

（1）

两帮运动

（2）

顶板运动

（3）

底板运动

2）支架受力272.3.3矿山压力与矿山压力显现间的关系

根据宋振骐院士的实用矿山压力理论，矿山压力的存在是客观的，绝对的，它存在于采动空间的周围岩体中，但矿山压力的显现是相对的，有条件的，它是矿山压力作用的结果。282.4工作面上覆岩层运动规律

采动后，促使围岩运动的矿山压力取决于悬露岩层的面积、厚度及压力传递情况。随采场不断推进，矿山压力的大小和分布不断变化。巷道和采场支架上的受力是围岩运动的结果，受力的性质、大小和发展变化的规律与上覆岩层运动更是不可分割。292.4.1上覆岩层运动和破坏的基本形式302.4.1.1弯拉破坏(矿压较小）弯拉破坏的基本形式(a)(b)（c）（d）（e）2.4.1.2剪切破坏（矿压较大）

岩层剪切破坏的发展过程：岩层悬露后产生很小的弯曲变形，悬露岩层顶部开裂→在岩层中部为开裂（或开裂很少）的情况下，突发性整体切断垮落。312.4.1.3岩层破坏形式的转化

岩层破坏的弯拉破坏和剪切破坏两种形式是随地质条件和采动条件的变化而相互转化的。（1）当工作面推至端部开裂位置附近，提高推进速度可能会使原来呈弯拉破坏运动的岩层转变为剪断破坏。32（2）改变开采程序。（3）强制放顶改变坚硬岩层的厚度，可以排除整体切断跨落的威胁，从而使破坏形式转化为弯拉破坏形式。（4）在推进方向遇到岩层，弯拉破坏的岩层可能向整体切断的运动形式转化。因为断层破坏了岩层的延续性。当工作面推进到断层部位，岩层悬露尚未达到中部裂断所必需的跨度，可能出现整体切断的危险。332.4.1.4上覆岩层在推进方向上的运动发展规律

（a）直接顶初次垮落（b）老顶初次来压（c）老顶周期来压上覆岩层在推进方向上的运动发展过程示意图342.4.1.4上覆岩层纵向运动发展的基本规律

岩层的纵向运动：在重力作用下弯曲沉降→发生离层后在运动中重新组合成同时运动（或近乎同时运动）的“假塑性”传递岩梁→沉降值超过允许的限度，发生垮落。352.5工作面顶板结构36图2.122202工作面正常开采阶段顶板结构模型（大柳塔矿）图2.26上105工作面正常开采阶段顶板结构模型（酸刺沟矿）2.6工作面支架工作阻力2.6.1支架受力它是一种最为典型的工作面矿压显现。2.6.1.1支架受力包括支架工作循环内支架的实时受力和循环内受力实时受力——支架在工作循环内某一特定时刻的受力，对应某个时间点，即时刻。37综采支架上安装的压力表可以直读，单位一般为MPa。工作循环内受力——按照支架从拉架结束后的升架开始，直至采煤机完成一个割煤循环重新拉架过程中，支架在完整的工作循环内支架的受力特征。38支架的循环工作阻力不能从压力表上直接读取，需要从分间隔记录的实时压力曲线中选取。单位为kN或者MPa。一般用kN表示。2.6.1.2支架受力又分为立柱受力和整个支架受力。立柱受力的单位一般为MPa。392.6.1.3循环工作阻力又分为3个值。初撑力（P0）——升架后2分钟内的支架工作最大阻力。末阻力（Pm）——拉移支架前2分钟内支架的最大工作阻力。加权循环工作阻力（Pt）——工作循环内分时段加权平均阻力。现在一般较少使用。402.6.1.4初撑力和末阻力的作用支架初撑力是由泵站压力、供液持续时间、管路损失和顶板的状况、支架接顶情况等参数综合决定，是一个比较难以完全控制的支架工作参数。但初撑力对工作面的顶板控制效果起到首要作用。一般要求达到工作阻力的80%。41末阻力是由支架初撑力、采煤循环过程的顶板下沉、支架安全阀开启压力、支架的接顶情况和支架液压系统的保压性能参数等综合决定。它表征着支架的实际控顶能力和效果。一般要求支架的末阻力要基本达到支架的额定工作阻力，表明支架选型是合理的。过大或过小均不合理。422.6.2支架的额定初撑力和额定工作阻力它是和支架实际工作阻力密切相关的支架设计参数。对于支架而言，除了支架的驾型外，支架的额定阻力是支架的最重要参数。43

2.6.2.1支架初撑力是指按支架立柱的压力为设计泵站压力时产生的支架工作阻力。单位kN。

2.6.2.2额定工作阻力是指支架立柱达到安全阀开启压力时支架的工作阻力。单位kN。442.6.3支架的合理工作阻力2.6.3.1支架的合理工作阻力的概念

支架的合理工作阻力是指既能使支架充分发挥作用，又能达到很好的顶板控制效果的支架主动承担顶板的力。

452.6.3.2支架合理工作阻力的确定

1）支架合理工作阻力确定的要求

（1）支架充分发挥作用

（2）达到良好的顶板控制效果46

2）支架合理工作阻力的确定方法

（1）

经验估算法

（2）

现场实测法

（3）

垮落带法

（4）

顶板结构分析法

（5）

“四一法则”473采煤工作面顶板管理的途径3.1工作面顶板管理的技术（1）选择合理的采煤方法和顶板处理方法（2）工作面优化布置（位置和开采时间等）（3）选择合理的液压支架架型和工作阻力（4）正确使用液压支架（5）加强地质预报和矿压观测及其成果应用推广等483.2工作面顶板管理的技术途径对采煤工作面的顶板资料，开采参数，矿压规律资料等进行充分的研究，掌握工作面的顶板运动和顶板压力分布规律，采取技术上可行，经济上合理的技术和方法，达到安全生产的顶板控制效果。3.3工作面顶板管理的组织和投入保证专门的队伍，必要的设备投入。神东现在不够。

3.2工作面顶板管理的技术途径

494采煤工作面矿压预测预报4.1矿压预测的定义

矿压预测就是利用矿压仪表实测回采工作面及巷道的围岩应力分布特征、围岩变形、位移、顶底板破坏特征、支架受载及压缩等一系列矿山压力显现现象，并采用合理数学方法对各种矿山压力显现监测信息进行汇总分析，总结回采工作面矿压显现规律，预报矿压显现的发展趋势。504.2矿压预测的意义指导回采工作面的安全开采，最大限度的预防回采工作面顶板事故的发生，并为工作面的正常推进提供工艺参数参考和顶板控制预防技术和措施等方面的决策参考。514.3矿压预测的内容

（1）预测影响采场矿压显现的岩层范围，包括直接顶厚度老顶岩梁的数目及各岩梁的厚度进行预计。52

（2）对直接顶垮落及老顶各岩梁断裂步距及参数进行估算。（3）在采场推进过程中，提前预报顶板大面积来压的位置、时间和强度。（4）预测顶板破碎情况。534.4采场矿压观测的目的和任务

（1）掌握回采工作面上覆岩层运动规律，确定需控岩层范围，建立回采工作面支架与顶板相互关系。

（2）划分回采工作面煤层直接顶的类别和基本顶的级别，为支架选型和确定其合理技术参数提供依据。54

（3）对正在使用的新型支护的适应性进行考察。

（4）研究分析回采工作面底板破坏规律。

（5）研究掌握采动影响和支承压力分布规律。（7）对采用采掘新工艺、新技术进行资料积累，从矿压角度对应用效果提出评定性建议。（8）为解决矿山压力与围岩运动控制方面的难题提供决策参考。

554.5采场工作面矿压预测的案例以神东煤炭集团大柳塔22202工作面及回撤通道矿压监测及岩层控制为例说明。案例可以反映工作面矿压预测预报及顶板管理的理论、实践及其成果。56研究的背景—房采采空区下矿压监测和顶板控制4.5.1.1工作面监测区域划分22202工作面共布置185台支架，支架额定工作阻力12000kN。将工作面面长方向划分为5个监测区，从机头到机尾依次为（1）机头房采巷道区；（2）房采小煤柱区；（3）房采中间隔离煤柱区；（4）房采大煤柱区和（5）机尾集中煤柱区。4.5.122202工作面测区划分及布置山东科技大学574.5.1.2工作面支架矿压测线布置

根据工作面各区域的特点，选取20#、40#、60#、70#、80#、90#、100#、125#、129#、161#、170#和180#支架共13条测线，22202工作面13条测线与上方采空区对应位置如图4.1所示。4.5.1.3回撤通道测区布置在主回撤通道内布置3个测站，每个测站安装1台监测仪，自动记录支架工作阻力和顶板下缩量。测站布置如图4.2所示。58图4.122202工作面13条测线与上方采空区对应位置59图4.2主回撤通道矿压测点布置图1—胶运顺槽2—回风顺槽3—主回撤通道4—副回撤通道5—贯通调节巷604.5.222202工作面矿压监测数据统计分析4.5.2.1周期来压步距

工作面4个区域内顶板周期来压步距统计见表4.1。工作面开采区域变化范围/m平均值/m均方差/m机头房采巷道区（1）10.6~23.116.54.2房采小煤柱区（2）10.4~22.716.03.6房采中间隔离煤柱区（3）8.4~22.317.34.2房采大煤柱区（4）9.7~22.817.63.1平均值——16.93.8表4.14个区域顶板周期来压步距c统计（4月16日~5月7日）614.5.2.2显著运动步距

工作面4个区域内顶板显著运动步距统计见表4.2。工作面开采区域变化范围/m平均值/m均方差/m机头房采巷道区（1）2.6~6.34.31.2房采小煤柱区（2）1.6~12.04.92.3房采中间隔离煤柱区（3）2.3~12.76.13.1房采大煤柱区（4）1.6~7.84.11.5平均值——4.92.0表4.24个区域顶板显著运动步距a统计（4月16日~5月7日）624.5.2.3相对稳定步距工作面4个区域内顶板相对稳定步距统计见表4.3。工作面开采区域变化范围/m平均值/m均方差/m机头房采巷道区（1）6.5~18.212.13.7房采小煤柱区（2）3.9~17.511.13.1房采中间隔离煤柱区（3）6.1~17.011.23.7房采大煤柱区（4）6.8~19.713.73.5平均值——12.03.5表4.34个区域顶板相对稳定步距b统计（4月16日~5月7日）634.5.2.44个来压明显区支架受力

工作面来压时4个区域支架工作阻力分布统计见表4.4。

工作面来压时，4个监测区域支架均值阻力为10476~10816/10701kN，支架均值阻力占支架额定工作阻力的87.3%~90.1%/89.2%，此时支架利用率较高。64工作面开采区域左柱/bar右柱/bar整架/kN占额定工作阻力比例/%均值均方差均值均方差均值均方差机头房采巷道区（1）406524285310476130187.3房采小煤柱区（2）432424294110816101690.1房采中间隔离煤柱区（3）43140426411076499889.7房采大煤柱区（4）421494204510562115288.0平均值426454264310701108489.2表4.44个区域顶板来压时支架末阻力统计65

4.5.2.54个监测区域动载系数

顶板运动引起了支架工作阻力及其变化，可以用来压前和来压时支架上的顶板压力差异来描述顶板运动对支架工作阻力的影响。4个监测区域支架动载系数统计见表4.5。以支架整架工作阻力衡量顶板来压引起的支架动载系数，4个监测区域支架动载系数平均值1.37；房采小煤柱区支架动载系数最大为1.38，房采大煤柱区支架动载系数最小为1.35。66阻力分档工作面开采区域机头房采巷道区（1）房采小煤柱区（2）房采中间隔离煤柱区（3）房采大煤柱区（4）平均均方差整架/kN来压时10476108161076410562107011084来压前76747831787478437823641动载系数1.371.381.371.351.370.01表4.5动载系数分布统计（4月16日~5月7日）

674.4.2.6支架工作阻力4个统计值68694.5.322202工作面末采矿压预测

以4号区域（大煤柱区，50个支架，85m）矿压测区为例说明

1）工作面来压时，来压区域大部分支架安全阀开启。故工作面在大煤柱下和小煤柱下支架显现出的工作阻力相差不大。工作面煤壁片帮不大。差别主要体现在工作面矿压显现上，比如工作面顶板下沉量和端面顶板冒落。70

2）房采小煤柱区下工作面来压时工作面顶板下沉量最大132mm，平均96mm；3）在房采第1个大煤柱区，工作矿压显现强烈，有冒顶，冒高较大。顶板下沉量平均246mm。4）在房采第2个大煤柱区，工作矿压显现强烈，有冒顶，冒高较大。顶板下沉量平均334mm，最大392mm。715）工作面贯通时工作面来压步距预测（4号区）4号区实测5月21日2时来压开始，此时，工作面距回撤通道正帮42.5

m；此前3个周期来压步距20.3

~25.0m/22.6m，均方差2.4m；步距均匀，离散性不大，可以按步距均值预测后续来压时间。按前3个周期的平均值，预测末采最后两次来压位置。距回撤通道分别为22.2m和0m时工作面来压。若剩余13m挂网，预测工作面不会来压；贯通时工作面来压临界状态，或来压或不来压。726）工作面挂网时工作面支架工作阻力预测

按照在小煤柱下开采矿压规律，预测挂网时工作面不来压，工作面支架工作阻力7840kN，均方差689kN。工作面顶板下沉量不大。7）工作面贯通时工作面支架工作阻力预测若工作面来压，贯通时时顶板压力10685kN，均方差1079kN。若工作面不来压，贯通时时顶板压力7797kN，均方差661kN。此时类比得到小煤柱进入大煤柱区工作面顶板下沉量平均值为246mm~334mm。735支架合理工作阻力的确定5.1支架合理合理工作阻力的确定思路（1）工作面顶板运动决定顶板压力，工作面顶板压力决定支架支护强度；（2）工作面支架工作阻力和宏观矿压显现是工作面顶板压力的显现形式，也是工作面顶板控制效果的主要评判指标。（3）已采工作面实测支架工作阻力和宏观矿压显现可以作为工作面合理支架工作阻力核定的基本依据。

745.2支架合理工作阻力确定的“四一法则”

5.2.1“四一法则”的目标

采用类比法估算新开采用类比法估算新开工作面的顶板压力和支护强度时，首先应该明确作为类比原始对象（工作面）合理的支架工作阻力。“四一法则”通过对已采工作面推进过程中足量采煤循环内支架末阻力的统计，计算得到来压时支架3个工作阻力统计值，加上支架额定工作阻力共4个工作阻力值，结合已采工作面宏观矿压显现，采用“四取其一”的方法，核定已采工作面合理工作阻力。以核定的已采工作面合理支架工作阻力作为基准，类比新开工作面合理的支架工作阻力。755.2.2“四一法则”的定义

正常情况下，已采工作面支架工作阻力的3个统计值，即来压时均值阻力、均值偏阻力和均值上阻力，加上支架额定工作阻力共4个值，并考虑相应的控顶效果，取其一可作为已采工作面合理的支架工作阻力R，即“四取其一”的方法，该方法也称已采工作面支架合理工作阻力核定的“四一法则”。765.2.3“四一法则”的基本参数

5.2.3.1

支架工作阻力统计指标

工作面矿压显现实测值一般包括采煤（拉架）循环内支架的初撑力和循环末阻力（r）等，其中r是支架控顶能力的主要体现。通过对工作面推进过程中足量采煤循环内r值的统计，可以得到来压时支架循环末阻力均值（，简称均值阻力）和循环末阻力均方差（，简称均方差），以这两个数据为基准计算得到均值阻力+1倍均方差阻力（+，简称均值偏阻力），均值阻力+2倍均方差阻力（+2，简称均值上阻力）。来压时均值阻力、均值偏阻力、均值上阻力和支架额定工作阻力构成支架工作阻力4值，在矿压理论和实践研究中，4值均可作为评价已采工作面矿压显现程度的重要指标参数，用以指导已采工作面支架合理工作阻力的确定。对于特定的支架和不同工作面条件，3个实测值会有变化，为定值。775.2.3.2支架工作阻力统计指标值的含义

（1）额定工作阻力液压支架正常工作并达到安全阀开启压力时，对顶板的最大支撑力。为支架立柱最大工作阻力之和。

(5-1)

式中—支架立柱内径，mm；

—立柱根数；

—立柱安全阀开启压力，MPa。78（2）均值阻力周期来压阶段工作面顶板来压时（也称显著运动过程）支架循环末阻力r的平均值。

(5-2)

式中—来压时支架末阻力，kN；

—统计来压时循环数。结合工作面宏观矿压显现，是衡量工作面顶板压力的基本指标。79（3）均方差是总体各单位标志值（）与其平均数（）离差平方的算术平均数的平方根，能反映一个数据集的离散程度。这里指来压时支架循环末阻力r偏离均值阻力的程度。

（5-3）

式中n—统计来压时循环数。80（4）均值偏阻力来压时均值阻力+1倍均方差所得到的阻力。（5-4）（5）均值上阻力来压时均值阻力+2倍均方差所得到的阻力。（5-5）同样，和是衡量工作面顶板压力的重要指标。81

5.2.3.3合理工作阻力“四取其一”的依据和使用条件

“四一法则”作为已采工作面合理的支架工作阻力的核定原则和方法，隐含了已采工作面在使用既定支架条件下，能保证控顶效果达到中等以上，因此工作面实测矿压参数是支架支护强度能抗衡工作面顶板压力的真实反映。此时，已采工作面来压时支架统计的均值阻力

、均值偏阻力和均值上阻力，加上支架额定工作阻力，必然会涵盖绝大部分顶板压力实测值，因此，支架工作阻力4值中也必定有一个值最接近已采工作面合理的支架工作阻力R。825.2.3.4相关参数的确定

1)R取值过程及原则（1）工作面顶板下沉量的计算以经过实践检验的已采工作面来压时支架均值阻力（）和实测的工作面顶板下沉量（）为基准，根据“支架—围岩”关系式定量计算、和工作阻力条件下顶板下沉量（）。（2）控顶效果级别确定按照阈值区间对顶板控制效果（e）进行级别划分。83（3）根据计算或实测得到的顶板控制效果（e）级别，挑选4值中一值作为工作面支架合理工作阻力R，且应满足工作面支架末阻力r超限R值的比例较小。（4）支架合理工作阻力R的验证和优选如果控顶效果不满足要求，调整均方差系数B1、B2，重新筛选R值。（5）支架合理工作阻力值不是唯一的，应该结合不同矿井工作面顶板控制效果要求（标准）综合确定。84

2）

顶板控制效果（e）级别划分

（1）理论标准及四级划分我们定义回采工作面顶板控制效果为e。工作面顶板下沉量可以作为工作面控顶效果（e）的主要判别指标。神东矿区工作面顶板控制效果可划分为四级，分别为e=“极好”、“好”、“中等”和“差”。上湾矿12煤12106工作面顶板控制效果理论标准见表5.1。我们称以3个顶板下沉量阈值（=100mm、250mm和400mm）划分的顶板控制效果标准为顶板控制效果理论标准。顶板控制理论标准对应的顶板下沉量见图5.1。8586（2）操作标准及四级划分考虑到采煤过程中顶板下沉量的小幅变化对顶板控制效果评定等级的影响，为便于四级标准应用，我们对四个等级的阈值进行宽泛处理。87883）

工作面顶板下沉量计算工作面顶板下沉量可以根据支架限定变形工作状态下传统的“支架—围岩”关系式定量计算。

式中—支架支护强度，MPa；

—直接顶作用力，MPa；

—位态常数，MPa；

—老顶自由沉降至最低位态时工作面顶板最大下沉量，mm；

—控制的工作面顶板下沉量，mm。89

回采工作面顶板控制位态示意图90

由于（S为支架的支护面积），因此，在实际应用中，上式可变换为：

（5-7）式中—工作面来压时支架工作阻力，kN；

—工作面顶板来压前实测支架工作阻力，kN；

—顶板位态常数，kN。我们定义工作面支架阻力4值对应的顶板下沉量分别为~。其中，对应，对应，对应，对应。91老顶（岩梁）处于最低位态时工作面最大控顶距处的顶板下沉量按下式计算：

（5-8）式中—工作面采高，m；

—直接顶厚度，m；

—工作面实测周期来压步距，m；

—直接顶碎胀系数；

—工作面最大控顶距，m。92

可根据已采工作面顶板结构特征参数计算工作面顶板最大下沉量，进一步根据工作面支架均值阻力（）、工作面实测来压前支架工作阻力（）和实际的顶板下沉量（），反算出工作面特定围岩结构状态下的顶板位态常数

。根据已经确定的“支架-围岩”公式，将统计的支架2个阻力值（和），和支架额定工作阻力代入可计算相应的顶板下沉量、和，即通过实测求取、和。935.2.4“四一法则”的使用流程（1）统计工作面支架工作阻力4值；（2）顶板控制效果理论标准及操作标准的确定和控顶效果4级划分；（3）顶板下沉量计算和控顶效果判别；（4）末阻力超限比例统计和四取其一的R值确定；（5）R值的检验和优选945.3“四一法则”在上湾煤矿的应用我们以“四一法则”核定布尔台矿42103综采工作面的支架合理工作阻力为例，展示“四一法则”核定已采工作面支架合理工作阻力R的具体过程。955.3.1支架工作阻力4个统计值（指标）图3.3为布尔台矿42103综放工作面在推进567m～699m过程中（8月3日~8月17日），工作面6个重点支架5种支架工作阻力关系。图中共包含5条曲（直）线。第1条折线为支架循环末阻力变化曲线r，第2条直线为支架额定工作阻力

（13062kN），第3条直线为来压时5个支架均值阻力

（11830kN），第4条直线为来压时5个支架均值偏阻力

（12928kN），第5条直线为来压时5个支架均值上阻力

（14355kN）。其中4条直线量值的关系为：

>>>。9697985.3.2顶板控制效果级别判定根据式（5-8）计算得到老顶自由沉降至最低位态时工作面顶板最大下沉量，将工作面支架均值阻力

、工作面来压前实测支架工作阻力

和实测正常情况下，来压时顶底板移近量300~500/462mm代入式（5-7)，计算得到位态常数。将

、

和

代入式（3-7）计算出相应的顶板下沉量。依据表3.1操作标准得到支架工作阻力4值相对应的顶板控制级别见表3.3。99100由表3.3可知：（1）当支架工作阻力为、

、

时，工作面顶板下沉量分别为

=341mm、

=462mm和

=350mm，控顶效果均为e=“中”。（2）当支架工作阻力为

时，工作面顶板下沉量为

=267mm，工作面控顶效果为e=“好”。（3）如果以控顶效果“好”为支架合理工作阻力核定标准，则R=。5.3.3工作面来压时支架末阻力超过支架工作阻力4个统计值的比例已采42103工作面来压时6个重点支架循环末阻力超过

、

、

和

的超限循环数比例见表3.4。按两种统计口径，一种是超限值占10~12个来压持续过程统计循环数（n）比例A1，另一种是超限值占统计工作面推进131.1m总循环数（N）比例A2。101102综上所述，考虑顶板控制效果e和支架工作阻力的超限比例

，就42103工作面而言，当额定工作阻力、均值阻力

及均值偏阻力

时，工作面顶板下沉量较大，工作面顶板控制效果均为e=“中”，且都存在超限比例大的问题，所以均不能做为已采42103工作面的合理工作阻力。而当为均值上阻力

时，顶板控制效果e=“好”，且超限比例量值较小，因此，建议采用均值上阻力

作为工作面支架合理工作阻力，即核定R=。1036综放工作面顶板管理和控制研究实施的应用案例以山东科技大学承担的内蒙古伊泰集团酸刺沟煤矿综放工作面顶板控制技术研究为例说明。项目的实施时间为2011年6月-2013年1月。案例可以反映工作面顶板管理的理论、实践及其成果。1046.1

工作面概况及顶板赋存特征6.1.16上105-2工作面基本情况第1个综放工作面工作面位于6上105-2辅运顺槽和6上105胶运顺槽之间工作面走向长度1356m，倾向长度245m，平均埋深约200m顶板多为粗粒砂岩、细粒砂岩，局部为泥岩；底板多为泥岩、砂质粘土岩，局部为粗粒砂岩。煤层平均厚度7.135m，局部地段煤层大于12m

回风顺槽沿煤层顶板布置，进风顺槽沿煤层底板布置105106106图6.16上105-2工作面和巷道布置

平面图剖面图6.1.2顶板赋存特征6.1.2.1采场顶板岩层结构探测利用6上105-2工作面辅运顺槽钻孔取芯成果等4个不同部位的钻孔资料，研究分析工作面不同部位顶板岩层结构。本次研究在辅运顺槽布置ZZ1、ZZ2和ZZ3、ZZ4共4个取芯钻孔，进行了岩性描述。107108108图6.2工作面范围4个部位顶板岩层结构探测钻孔分布

1096上105-2工作面辅运顺槽钻孔取芯成果，不同部位的钻孔资料表明，6上105-2工作面区域顶板结构较复杂，煤层上方40m范围内顶板岩性总体为含砾粗砂岩和粗砂岩，分层总数8~12层。岩层分层明显，厚度相差较大。1106.1.2.2顶板岩层强度进行了8个岩性，47块顶板岩层的单轴抗拉强度试验。其中最大分层含砾粗砂岩抗拉强度1.07~7.20MPa，平均3.097MPa；次最大分层粗砂岩抗拉强度0.84~2.46MPa，平均1.44MPa。进行了8个岩性，45块顶板岩层的单轴抗压强度试验。其中主体岩层含砾粗砂岩抗压强度9.67~37.04MPa，平均17.89MPa；粗砂岩抗压强度6.74~30.88MPa，平均16.87MPa。1116.2工作面支架工作阻力统计

6.2.1工作面基本支架简介6上105-2综放工作面使用的支架分为3种类型，分别为基本支架，过渡支架和排头支架，中间支架（基本支架）额定工作阻力15000kN，额定初撑力31.4MPa（12778kN）。工作面共布置46条支架压力测线，统计其中有代表性的27条作为研究测线。分3阶段统计了工作面矿压参数，分别为阶段1（5月15日~6月20日）、阶段2（6月16日~7月15日）和阶段3（7月13日~7月29日）。111112将工作面分为4个区域进行研究分析，4个区域分别是下部（1~30#），中下部（31~70#），中上部（71~100#）和上部（101~140#）将压力较为突出的6个重点支架进行单独分析。6个重点部位支架指工作面从下部到上部的50#、60#、80#、90#、110#、120#支架。工作面采煤方法为综采放顶煤垮落法采煤方法，采放高度比1:1.95~1:2.28，采放步距比1：1和1：2，割煤步距0.7~0.8m，设计工作面推进度285.45m/月，月产62.98万t。2011年8月18日，工作面累计生产原煤328.36万t，工作面推进831m。调整支架安全阀开启压力42MPa至46.2MPa，初撑力至37MPa。1136.2.2支架初撑力统计分析（1）前柱初撑力

前柱初撑力9.3~21.1MPa，平均15~17MPa，约占额定值（37MPa）的41~46%。（2）后柱初撑力

后柱初撑力2.9~15.5MPa，平均6~7MPa，约占额定值（37MPa）的16~19%。（3）整架初撑力整架初撑力2698~6956kN，平均4200~4800kN，占额定初撑力（15056kN）的28~32%。1136.2.3支架循环末阻力统计分析（1）前柱末阻力前柱末阻力22.9~26.7MPa，占额定值（46.2MPa）的50~58%。6个重点部位支架前柱末阻力25~29MPa，占额定值（46.2MPa）的54~63%，其中15~35MPa所占比例约60%，35~50MPa所占比例约5~7%。114115（2）后柱末阻力后柱末阻力9~11MPa，占额定值（42MPa）的22~27%。6个重点部位支架后柱末阻力11~13MPa，占额定值（42MPa）的26~31%，其中0~5MPa所占比例约37~47%。（3）整架末阻力整架末阻力6517~7620kN，占额定值（17946kN）的36~43%。6个重点部位支架末阻力7119~8639kN，占额定值（17946kN）的40~48%，重点部位值比全工作面平均值大约20%。1151166.2.4支架工作阻力发挥程度的评述总体而言，工作面支架初撑力发挥程度不理想，尤其是后柱初撑力发挥程度不足20%。工作面支架循环末阻力发挥稍好，但仍小于60%，其中后柱小于30%。初撑力和工作阻力小，使得工作面顶板下沉量增大，不能满足工作面顶板控制目标要求。1166.3顶板运动特征和参数确定6.3.1直接顶厚度及参数4个钻孔部位反映的工作面直接顶厚度为8.06~11.46m，其中主体岩层均为含砾粗砂岩。根据岩层按拉弯破坏形式计算的含砾粗砂岩单层岩层的初次垮落步距和周期性