采场顶板支护.ppt

采场顶板支护方法 本章介绍：顶板分类 支架类型与特性 采场支架与围岩相互作用原理 综合机械化工作面顶板控制设计 单体液压支柱工作面顶板控制设计,第一节 顶板分类与底板特征一、对直接顶的分析：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,按稳定状态,原生裂隙构造裂隙压裂裂隙,按裂隙类型,张裂隙剪裂隙,2、定量分析：按直接顶初次垮落步距分,不稳定顶板中等稳定顶板稳定顶板,3、雅格比分类法：端面破碎度端面破碎面积与梁端无支护面积之比。,冒落敏感度 E端面距为1米时 的端面破碎度。,一类二类三类,二、对老顶分析：老顶的影响主要体现为来压影响，原分类与来压有关。,无来压 来压明显 来压严重 坚硬顶板 塑性顶板,厚高比：（5，52，2）,三、顶板分类方案：（P122）1、分类目的：规范化、科学化、系列化 2、分类方案：依据直接顶的稳定性（强度、初垮步距）分为四类；依据直接顶厚高比、老顶来压步距将老顶分为4级。直接顶：分为四类，其中1、2类各分为两个亚类；（不稳定、中稳、稳定、非常稳定）老 顶：依据老顶初次来压当量（初次来压步距、直接顶充填系数、采高有关）将老顶分为4级。（来压不明显、明显、强烈、非常强烈）,顶板分类名称含义：直接顶：一类 二类 三类 四类 不稳定 中等稳定 稳定 坚硬老 顶：1级 2级 3级 4级 来压不明显 来压明显 来压强烈 来压极强烈,举例：二类2级顶板直接顶中等稳定，老顶来压明显。,四、底板特征：1、底板的力学特征 2、底板比压底板单位面积所受支架的压力 支柱插入底板的破坏形式,受支承压力影响，产生变形。受支柱压力作用，被压入。,整体剪切局部剪切其它剪切,整体剪切 局部剪切 其它剪切 穿鞋破坏,整体剪切当载荷达到某一值后（极限抗压入强度），突然下降。局部剪切没有明显的突破点，随载荷增加，压入深 度的变形率增长较快。其它剪切界于二者之间，有突破点但不明显，载 荷超过突破点后，压入深度明显增大。,木柱鞋抗压强度较低，不宜使用,第二节 采场支架类型与支架特性一、支架类型：木支架木柱+木梁 摩擦金属支架摩擦柱+铰接金属梁 单体液压支架液压柱+铰接金属梁 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,液压支架的应用范围正在逐步扩大,二、支架的工作特性：单体支架特性应为支架与顶梁的共同特性，当顶梁为刚性材料时，支架特性主要由支柱特性决定。液压支架特性不仅与支柱特性有关，而且与支架结构有关。1、支柱特性：支柱力学特性受顶板压力作用，支柱变形（下缩）性质。,急增阻 微增阻 恒 阻,2、支柱的工作阻力：支柱的工作阻力支柱受顶板压力作用而产生的反抗力。（撑力主动力；阻力被动力）初撑力支柱刚架设时对顶板支撑力；始动阻力顶板压力下，支柱开始下 缩时的阻力；初工作阻力阻力由急剧增长到缓慢 增长的转折点处阻力；额定工作阻力支柱所能承受的最大载荷。,3、支撑系统工作特性：支撑系统围岩与支撑物所构成的力学系统。支撑系统=顶板+插背物+顶梁+支柱+（浮煤矸）+柱鞋+底板 支撑系统特性支撑系统受力作用而呈现的变形性质。在对顶板的支撑中，实际是支撑系统工作特性在起作用。支撑物的可缩性使支撑系统早期发生较大变形，阻力上不去，顶板离层。支柱插入底板可导致顶板管理恶化。,正常情况,插入底板,安全规程规定：禁止将支柱架设在浮煤、浮矸上。技术要求：柱顶要插严背实；煤底或软岩底时，支柱要穿鞋（液柱铁鞋）,三、液压支柱：1、类型：内注液式：NDZ 外注液式：DZ 2、结构：,3、DZ系列：4、型号：DZ 2230/100,DZ普通单体液压支柱PDZ炮采单体液柱SDZ三柱套（薄煤层）,DZ系列 系列高度22分米额定阻力30吨/油缸内经100毫米,5、初撑力：式中：泵站工作压力；活柱直径；管路压力损失系数。6、液压支柱工作原理：,升柱；工作；降柱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主进油路；8操纵阀,带帽点柱的布置方式,a矩形排列；b三角形排列,四、单体支架布置方式：1、带帽点柱矩形、三角形布置,连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对接式,2、棚子支护顺板（两柱、三柱）（倾斜棚）横板（两柱）连锁（上行式、下行式、混合式）,倾斜棚,机组工作面的悬臂支护a正悬臂；b倒悬臂,3、悬臂梁支护正悬臂、倒悬臂,齐梁直线柱布置,错梁直线柱布置,4、悬臂梁支架的布置方式：,常用错梁直线柱,5、特种支架：,丛柱 排柱（密集）直线木垛,三角木垛 斜撑（戗柱）抬棚,特种支架的主要作用：增加支撑力丛柱、排柱、抬棚 增强稳定性木垛、斜撑（戗柱）、抬棚,6、架设金属单体支架的技术要求：1)确保金属支柱的工作性能，失效支柱应及时运至地面检修；2)在支设金属支柱时，应采用升柱器，使之具有一定的初撑力；3)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；4)金属支柱必须与金属铰接顶梁配套使用；5)不宜让支柱受偏心载荷；6)必须保证支柱的支设质量。不能将支柱打在浮矸上。,五、液压支架：1、分类：按支撑面积与掩护面积比值分类,支撑式支撑掩护式掩护支撑式掩护式,支撑式,掩护支撑式,支撑掩护式,掩护式,支撑式 按支架结构分类：掩护式 支撑掩护式2、支撑式支架支护分析：工作特点：支撑力大，适宜坚硬有来压顶板；反复支撑次数多，不适宜破碎顶板；框式结构，不能承受水平推力。优点：通风断面大、行人方便、结构简单、重量轻；适用于：顶板稳定，有来压，瓦斯大的工作面。,3、支掩式掩护支架分析：工作特点：（支柱支撑在掩护梁上）控顶距小，减少了对顶板的反复支撑次数 结构可承受一定水平推力；适应破碎顶板（挡矸，冒顶时可不勾顶）缺点：支架空间小、通风断面小、行人不便、重量大,单铰式,双铰式,第三节 回采工作面支架与围岩相互作用原理一、支架与围岩的相互作用：1、支架与围岩相互作用体系：1）横向：“煤体支架垮落矸石”支撑系统,煤体,支架,垮落矸石,“煤体支架垮落矸石”支撑系统：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；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。,2）纵向：“老顶直接顶支架底板”支撑系统,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的发挥；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。,2、支架与围岩相互作用的特点：1）支架与围岩间的作用是作用力与反作用力关系；（支撑力宜均匀分布，且与顶板压力共线）2）支架受力的大小及其在回采工作面分布规律与支架性能有关；（在同一工作面，不允许同时使用特性不同的支架）,刚性 急增阻 微增阻 恒阻,3）支架结构及尺寸对顶板压力具有影响：支架受力=顶板压力；支架结构影响其特性，继而影响其受力大小；（支撑式大，掩护式小）；支架受力大小与分布即 为顶板压力的大小与分布。（支撑式大，作用力靠后；掩护式小，作用力靠前）,3、支架工作阻力与顶板下沉量的关系：（支架与围岩相互作用关系，PL）由调压实验得到：,平 时,周期来压时,2）由 曲线：结论：关系为双曲线关系；在某一工作阻力以上，而 减少甚微；在某一工作阻力以下，则 急剧增加；（该工作阻力称为与顶板下沉量相适应的合理工作阻力）以提高工作阻力控制顶板下沉量是有一定限度的；不同工作面，曲线不同。合理工作阻力为拐点对应的工作阻力,二、采场支架的工作状态：1、支架与围岩体系的刚度：1）组合刚度：并联：串联：,并联 串联,2）支架的刚度：式中：支架的刚度（并联）；支架立柱数；支架立柱的刚度；支架立柱与竖直方向的夹角。3）直接顶的刚度：式中：直接顶弹性摸量；直接顶高度与支架承载宽度比值。,似刚性中间型刚度似零刚度,4）底板的刚度：（通过分析底板比压获得）5）支架与围岩体系的刚度：当底板影响小时（穿鞋或坚硬）：当直接顶刚度 时：当直接顶为中间型刚度时，与支架组成系统刚度。,2、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，因此顶板的下沉量由老顶的回转量决定。给定载荷增大稳定性；支架 给定变形增大支撑力、可缩性。,第四节 综采面顶板控制设计一、概述 1、选型步骤：1）确定顶、底板类型（直接顶、老顶、直接底）；2）估算支架所需支护强度（实测、来压步距）；3）初定额定支护强度、初选架型；4）修正架型及参数（断面、风量、倾角）；5）确定顶梁、护帮及侧推结构；6）确定底座参数；7）进行支架参数优化。重要内容：支架额定强度、架型,2、架型选择：分析比较法：依据顶底板状况、采高、倾角、瓦斯、煤层稳定程度、开采方法等因素确定支架额定工作阻力、几何尺寸、立柱数量位置、移架方式、顶板覆盖率等参数。（目前多用）综合评分法：在特定的地质、开采技术条件下，对预选的各种支架对围岩的适应性及力学特性进行评价打分，综合分数时考虑各项内容的重要程度，选择分数最高者，确定支架结构，然后确定支架的初撑力、工作阻力，并对支架参数进行优化。,二、液压支架参数：1、工作阻力：载荷估算法：实测统计法：若允许3%支架时间加权平均阻力大于额定工作阻力，k=2；若以最大工作阻力 为统计值，则 k=11.3，此时,经验公式：（煤炭科学研究总院，煤炭部行业标准）级老顶支护强度：级老顶：,（额定支护强度；采高；周压步距；控顶高度；直接顶厚度/采高）,老顶初压步距；备用系数,理论分析法：式中：合理支护强度；岩块间摩擦角；岩块破断角；老顶岩层厚度；B 岩块回转下沉量；B 岩块的重量及载荷；控顶距。,液压支架额定工作阻力：式中：额定工作阻力；液压支架中心距；液压支架支撑效率；控顶长度；支护强度。,支撑式0.90.95支掩式 0.650.75支顶式0.80.9支撑掩护0.80.95,2、初撑力：提高初撑力可 初撑力确定,减少顶板离层，增强顶板强度和稳定性提高对机道支撑，减少端面破碎度和煤壁片帮压实顶梁上及底座下浮矸，提高支撑系统刚度充分利用额定支撑能力，减少顶板下沉量。,实测初撑力为额定阻力的0.714合理初撑力为额定阻力的0.60.851、2类顶板初撑力为额定阻力的0.750.852、3类顶板初撑力为额定阻力的0.60.75,第五节 单体液压支柱工作面顶板控制 一、顶板控制的原则：1、目标 2、原则,消除冒顶隐患，防止冒顶事故；将顶板下沉量控制在一定限度内；费用最少。,初撑力可平衡垮落带岩层重量；可缩量能适应裂隙带岩层的下沉；可切断近距薄层老顶；能防止顶板岩层的失稳性破坏；保证顶板处于良好状态。,二、单体支架工作面顶板控制设计：（设计内容包含：支柱类型、规格选择，支柱的额定阻力、初撑力确定，支架顶梁选择，支架布置形式，支护强度及支柱密度，排柱距及特殊支架布置等）,1、支柱初撑力：增加初撑力，可预防直接顶离层，使支柱更快达到工作阻力以平衡垮落带岩重。应使初撑力尽量等于额定工作阻力；一般条件下，初撑力应不低于额定阻力的70%80%。,2、支柱密度及柱距确定：,排距 a 与截深匹配；柱距 b,排距为0.8时，k=1.2;排距为1m时，k=1.1排距为1.2时。K=1.0,用单体支柱+铰接顶梁时，柱距不小于0.5米；破碎顶板、网下开采时，任何梁，柱距不小于0.7米。,（1）工作面合理支护强度的确定：一般按老顶初次来压最不利状态进行计算：,（支架承受直接顶重量及老顶重量的一半）其中：,考虑支撑合力作用位置及附加载荷后的悬顶系数。,（2）支柱有效支撑能力的确定：支柱有效支撑能力在允许的顶板下沉量范围内，所有支 柱所能达到的工作阻力的平均值。（有效支撑能力额定工作阻力）1）支柱不钻底，支护质量正常时：式中：支柱承载不均匀系数（0.80.9）；增阻系数(0.90.95)；支柱回撤前所能达到的理论工作阻力，kN/柱。,2）支柱发生钻底时：式中：与底板抗压入强度相对应的支柱工作阻力；考虑支柱钻底式的不均匀系数，增阻系数。,3、支护系统刚度：(1)支护系统刚度：单位顶底板相对移近量所对应的支柱 工作阻力增量。(2)取决于：顶梁和背顶材料的刚度、支柱本身刚度、底板岩层刚度 从有效控制顶板角度看，支护系统刚度越大越好。（支柱钻底超过100mm，则需要穿铁鞋）,插背物目前的背顶材料，压缩率可达50%，一般在 50kN前即可完成，压缩量大，刚度小；顶 梁金属顶梁不可压缩，可认为是刚性；底 板砂页岩、砂岩等中硬、坚硬岩层刚性较大，煤、泥岩、页岩等较软岩层刚度小，影响系 统刚度；支 柱单体液柱刚度比较理想；（初撑力高，可压缩背顶物等材料，使系统刚度增加）,增大工作面支护强度则可减少 顶底板相对移近量；端面冒高；顶板台阶下沉量。,提高支柱初撑力提高支柱密度提高支护系统刚度,均可提高支护强度,三、单体支柱工作面支护强度的实测统计：（可选用）（依据统计公式定量确定支护强度、支柱密度）1、单体支柱的支护强度下限：式中：备用系数，一般取1.21.4；,单体工作面支护强度 下限,2、单体支柱密度选择：1）按直接顶稳定性确定支柱密度：,各类直接顶的支柱密度,2）按必需的支护强度验算支柱密度：式中：单体支柱工作阻力；支护强度；支柱密度。,单体支柱工作阻力,实测阻力与初撑力相近，可用初撑力 代替。,必需的初撑支护强度 由 替代：支柱密度验算：单体支架工作面 可通过调整支架密度来增大支护强度,