采場頂板支護方法-2.ppt

第五章 采場頂板支護方法,礦山壓力與巖層控制,第一節(jié) 頂板分類與底板特征,一、采場礦山壓力控制的概念,為了保證回采工作面的正常生產(chǎn)和人員安全，必須對工作面礦山壓力加以控制。,對于全部冒落法處理采空區(qū)： “ 煤壁支架采空區(qū)已冒落的矸石 ”構(gòu)成對采場上覆巖層的支撐體系。 一定的條件下，上述支撐體系的支撐性能將主要取決于支架的支撐特性，即主要取決于支架的支撐力與支架可縮量的關(guān)系特征。 而采場支架并不是孤立存在的，而是處在一個由圍巖組成的系統(tǒng)中：“老頂直接頂支架底板”。,由于采場支撐體系（小結(jié)構(gòu)）必須與開采后形成的上覆巖層大結(jié)構(gòu)相適應，采場支架必須具備下列兩個特性： 必須具備一定的可縮量； 必須具備一定的支撐性能,即一定的支撐阻力。 采場圍巖：直接頂、老頂、直接底巖層。這三者對礦壓顯現(xiàn)及支護方式的選擇有著顯著的影響。因而需對三者加以分類。,直接頂是支架直接維護的對象，支架通過它對老頂進行控制。直接頂?shù)耐暾潭戎苯佑绊懝ぷ髅姘踩椭ёo方式的選擇。 影響直接頂完整性的兩個因素： 巖層的力學性質(zhì)：抗拉、抗壓強度，彈模等 巖層內(nèi)節(jié)理裂隙的發(fā)育情況：原生裂隙、構(gòu)造裂隙、壓裂裂隙。,二、對直接頂?shù)姆诸?一旦直接頂冒空將導致支架頂梁接頂情況惡化，導致支架不能防止老頂巖塊的失穩(wěn)，從而造成工作面頂板事故和一系列問題。 支架為了對直接頂進行支護,應保證支架能支撐住全部直接頂重量,同時能護住破碎的直接頂。即所謂的“支護”,直接頂?shù)姆诸?以直接頂?shù)某醮慰迓洳骄郘0作為分類指標，分為4類。 1類 L08m 不穩(wěn)定頂板 2類 8mL018m 中等穩(wěn)定頂板 3類 18mL028m 穩(wěn)定頂板 4類 28mL050m 非常穩(wěn)定頂板,以直接頂端面破碎度E作為分類指標，分為3類。 當端面距為1m時的端面破碎度稱為頂板冒落靈敏度。 1類 E 30% 不穩(wěn)定頂板 2類 11% E 30% 中等穩(wěn)定頂板 3類 E 10% 穩(wěn)定頂板,圖53 頂板端面破碎度 的計算示意圖,FA端面破碎面積 F支架梁端到煤壁面積,三、老頂?shù)姆诸?直接頂厚度對老頂來壓顯現(xiàn)劇烈程度影響較大； 采空區(qū)冒落充填越滿，老頂破斷后形成結(jié)構(gòu)越易穩(wěn)定，對工作面礦壓顯現(xiàn)影響越小，在“ 煤壁支架采空區(qū)已冒落的矸石 ”支撐中，支架承載越小。,按直接頂厚度與采高比值 N=h/m，并參照老頂初次來壓步距L，將老頂分為4級。,級 N35, 來壓不明顯 級 0.3 50m 來壓強烈 N0.3 , L=2550m 級 N0.3 , L 50m 來壓極強烈,Pe= 241.3ln(L0)-15.5N+52.6m 式中， Pe,老頂初次來壓當量； L0，老頂初次來壓步距； N=h/m，直接頂厚度與采高之比。 按老頂初次來壓當量將老頂分為如表5-2的4級。,四、底板特征與分類,采場支護系統(tǒng)的剛度是由“底板支架頂板”所組成，因此底板巖層的剛度將直接影響到支架性能的發(fā)揮。,圖544 支架與圍巖體系剛度模型,若底板太軟（剛度太?。?，支架會鉆底，從而影響對頂板的控制。 底板比壓：支架底座對單位面積底板上所 造成的壓力。 極限底板比壓：支架鉆底時所允許的最大底板 比壓。 支柱鉆底的破壞形式有以下三種：,整體剪切,局部剪切,其它剪切,按極限底板比壓將底板分為5類：,第二節(jié) 采場支架類型與支架力學特性,根據(jù)支柱與頂梁的配合關(guān)系，將采場支架分為兩大類。,一、幾個概念,圖57 支柱的幾種典型特性曲線,二、單體液壓支柱的結(jié)構(gòu)與特性,三、液壓支架的分類,從支架結(jié)構(gòu)及其支撐特點出發(fā)，我國將液壓支架分為三類：,支撐式：結(jié)構(gòu)上沒有掩護梁，對頂板的作用是支撐。,2、掩護式： 結(jié)構(gòu)上有掩護梁，單排立柱連接掩護梁或直接支撐頂梁對頂板起支撐作用。,3、支撐掩護式：結(jié)構(gòu)上有掩護梁，雙排或多排立柱大部或全部通過頂梁對頂板起支撐作用。,四、液壓支架支護方式分析,（一）支撐式液壓支架支護方式分析,支撐式支架頂梁后端支撐力大于前端，支撐力合力遠離前梁端部。 因此，支撐式支架適應直接頂較完整的條件，若周期來壓又較強烈則更適應。 由于支架結(jié)構(gòu)不能抗水平推力，當頂板特別堅硬時破斷形成的強大的水平推力又會損壞支撐式支架。不適用于破碎頂板條件。,（二）掩護式液壓支架支護方式分析,按掩護梁與底座間聯(lián)結(jié)方式分為：,適用于直接頂破碎，來壓不明顯的條件。不適用于直接頂堅硬而老頂周期來壓強烈的條件。,（三）支撐掩護式液壓支架支護方式分析,同時兼有支撐式與掩護式支架的優(yōu)點，是支撐與掩護式兩種架型的組合。 我國目前綜采面液壓支架架型90以上為支撐掩護式。 綜采面割煤、移架、推移、輸送機三個主要工序按不同順序有兩種配合方式： 及時支護方式 滯后支護方式,五、單體支架支護方式分析,單體支架從支上到回柱，經(jīng)歷了回采面頂板下沉的全過程。支柱的布置方式有以下幾種：,1.帶帽點柱支護 無頂梁 直接頂比較完整時使用。但目前已少用。,圖535 帶帽點柱的布置方式,2.單體柱鉸接頂梁布置,圖539 機組工作 面的懸臂支護,圖538 HDJA型金屬頂梁,正懸臂： 機道可以支護，安全好，采空區(qū)側(cè)不易損折。 倒懸臂： 回柱時不易被矸石埋住，回柱較安全，但機道無支護。 單體面特種支架： 木垛、抬棚、叢柱,第三節(jié) 采場支架與圍巖 相互作用原理,一、回采面支架與圍巖的相互作用,煤層開采后，上覆巖層形成的“大結(jié)構(gòu)”是由“煤壁支架采空區(qū)已冒落矸石”支撐體系所支撐。 在煤壁和采空區(qū)冒落矸石條件一定時，支架的支撐性能將對支架受力及對“大結(jié)構(gòu)”的控制效果起重要作用。 而采場支架并不是孤立存在的，而是處在一個由圍巖組成的系統(tǒng)中：“老頂直接頂支架底板”。,圖544 支架與圍巖體系剛度模型,支架的性能和結(jié)構(gòu)對支架受力和圍巖運動是怎樣影響的呢？以及在各種圍巖條件下支架呈現(xiàn)什么反映呢？這就是支架與圍巖關(guān)系研究的內(nèi)容.,不同種類的支架對圍巖的支護效果不一樣，相同的支架在不同的圍巖條件下，其受力狀態(tài)和對圍巖的支護效果也不同。,（一）支架圍巖相互作用的特點：,支架圍巖是相互作用的一對力。 支架受力大小及其在回采工作面分布的規(guī)律與支架性能有關(guān)。還與支架與圍巖支撐系統(tǒng)的總體特性有關(guān)。 支架結(jié)構(gòu)及尺寸不同對頂板壓力影響和維護效果不同。,支架的工作阻力P與頂板最大下沉量L之間存在一定的規(guī)律,即PL近似呈雙曲線關(guān)系。,（二）支架PL關(guān)系曲線,可以看出，支架圍巖關(guān)系具有一定的復雜性，但也具有一定的普遍規(guī)律。在長期實踐中發(fā)現(xiàn)：,從PL曲線可以得出一下結(jié)論：,不同的頂板條件，PL曲線的斜率不同，但都呈雙曲線關(guān)系。 在一定工作阻力以上，支架工作阻力增加對頂板下沉量影響較小，但低于此值則提高支架工作阻力將減少頂板下沉量。 支架的工作阻力并不能改變上覆巖層“大結(jié)構(gòu)”的總體活動規(guī)律。 回采工作面支架應具備以下兩個基本特性： 一是必須具備一定的可縮量；二是必須具備有良好的支撐性能，即一定的工作阻力。 因而在支架選型與支護設計中，最主要是確定支架的最大可縮量與最大工作阻力。,二、支架圍巖支護系統(tǒng)的力學分析,系統(tǒng)中各部分可近似看成變剛度的彈簧，各彈簧成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，各自受力相等，總變形按各自剛度進行分配。,可見： （1）在頂板下沉量S一定時，K越大，支架的載荷越大。 （2）K小于Kr,Ks,Kf，為了提高系統(tǒng)剛度，必須同時提高Kr,Ks,Kf 。相同支柱，由于Kr,Kf不同，且受力大小也不同。 （3）支架變形量在系統(tǒng)總體變形中所占比重，取決于頂?shù)装鍎偠扰c支架剛度的相對大小，支架剛度相對越小，則支架的變形量越大。,第四節(jié) 采場支護設計,確定支架類型:,一、支架規(guī)格的選定,確定架型后主要是選定支架高度和可縮量。,1.單體支架規(guī)格選定的方法及步驟: 首先確定煤層的最大采高Mmax及最小采高Mmin 確定頂板在最大控頂距處的平均最大下沉量SL, 支架最大可縮量必須大于此值。,SLML SL 工作面頂板下沉量； 下沉系數(shù)，一般為0.0250.05； M 煤層采高； L 控頂距。,頂板最大下沉量可用下式估算：,求支柱最大高度Hmax Hmax=Mmaxb b頂梁厚度； 求支柱的最小高度Hmin HminMminSLba a支柱回柱放頂時必要的卸載高度,一般取50mm,根據(jù)頂板最大下沉量SL,確定支架的型號,根據(jù) Hmax及Hmin確定支柱規(guī)格。 2.液壓支架規(guī)格的選定方法 確定最大采高Mmax，最小采高Mmin； 確定支架在最大采高時前柱的頂板下沉量S1； 確定在最小采高時，后柱頂板最大下沉量S2； 確定支架最大、最小高度 Hmax=MmaxS1 HminMminS2a a支架卸載高度,一般取50mm,對支架圍巖系統(tǒng)而言： PP0KS P支架工作阻力 P0初撐力 可見，提高P0有利預先壓實頂?shù)装?，提高系統(tǒng)剛度，提高工作阻力P，降低頂板下沉量S. 因此，要保證支架對頂板的有效支護，要有一合適的初撐力。工作面合理工作阻力的確定應包括P0與最大工作阻力的確定。下面分別加以介紹。,二、支架合理工作阻力,1.初撐力合理值確定,支架設計的初撐力一般為支架額定工作阻力的80左右。采場支架的初撐力應能平衡冒落帶直接頂巖層重量。對單體支架工作面： 即： P0rh/n h直接頂厚度 n支護密度 n1/ab a排距;為采煤進度或采煤機截深的整數(shù)倍.如截深為0.5或1m,a1m;截深為0.8m,a=0.8m;截深為0.6m，a1.2m。 b柱距，一般0.5mb1m,當煤層為傾斜煤層時（傾角為），則支架初撐力不僅應能平衡冒落帶直接頂重量，還應能防止頂板沿傾向滑動失穩(wěn)，此時初撐力P0滿足： P0rh（cos-sin/f）/n f頂板巖層間摩擦系數(shù)，一般取0.3 為保證工作面支架初撐力達到設計值，必須保證： 使用的乳化液泵出口壓力滿足要求; 支護系統(tǒng)的剛度要滿足要求,底軟鉆底需穿鞋; 操作質(zhì)量必須保證。,2. 工作阻力的確定,(1)以采高的倍數(shù)進行估算 PH