礦山壓力及其控制第五章課件

第五章回采工作面頂板控制與支護

本章介紹：

頂板分類支架類型與特性采場支架與圍巖相互作用原理綜合機械化工作面頂板控制設(shè)計單體液壓支柱工作面頂板控制設(shè)計

第五章回采工作面頂板控制與支護控制回采礦山壓力的重要性總體角度（礦井設(shè)計的問題）局部（支護和采空區(qū)處理）直接頂與老頂?shù)年P(guān)系控制工作面礦山壓力的方法掌握礦山壓力的規(guī)律回采工作面支架控制回采礦山壓力的重要性第一節(jié)頂板分類與底板特征一、對直接頂?shù)姆治觯?/p>

1、定性分析：破碎頂板————頁巖、再生頂、煤頂中等穩(wěn)定頂板——砂頁巖、粉砂巖完整頂板————砂巖、堅硬砂頁巖

按穩(wěn)定狀態(tài)原生裂隙構(gòu)造裂隙壓裂裂隙裂隙類型張裂隙剪裂隙第一節(jié)頂板分類與底板特征按穩(wěn)定狀態(tài)原生裂隙裂隙類型張（1）滑落失穩(wěn)節(jié)理面與工作面推進(jìn)方向一致時，結(jié)構(gòu)不易取得平衡，反之則易于平衡。（1）滑落失穩(wěn)節(jié)理面與工作面推進(jìn)方向一致時，結(jié)構(gòu)不易取得平衡直接頂初次垮落步距端面破碎度2、定量分析：L0≥16-20穩(wěn)定≤8不穩(wěn)定二者之間為中等穩(wěn)定頂板直接頂初次垮落步距2、定量分析：L0≥16-20穩(wěn)定二、對老頂分析：

老頂?shù)挠绊懼饕w現(xiàn)為來壓影響，原分類與來壓有關(guān)。

無來壓來壓明顯來壓嚴(yán)重堅硬頂板塑性頂板厚高比：（5，5~2，2）二、對老頂分析：無來壓來壓明顯三、頂板分類方案：（P125）

1、分類目的：規(guī)范化、科學(xué)化、系列化

2、分類方案：

依據(jù)直接頂?shù)姆€(wěn)定性（強度、初垮步距）分為四類；依據(jù)直接頂厚高比、老頂來壓步距將老頂分為4級。直接頂：分為四類，其中1、2類各分為兩個亞類；

（不穩(wěn)定、中穩(wěn)、穩(wěn)定、非常穩(wěn)定）老頂：依據(jù)老頂初次來壓當(dāng)量將老頂分為4級。

（來壓不明顯、明顯、強烈、非常強烈）三、頂板分類方案：（P125）頂板分類名稱含義：直接頂：一類二類三類四類

不穩(wěn)定中等穩(wěn)定穩(wěn)定堅硬老頂：1級2級3級4級

來壓不明顯來壓明顯來壓強烈來壓極強烈舉例：二類2級頂板——直接頂中等穩(wěn)定，老頂來壓明顯。頂板分類名稱含義：舉例：四、底板特征：

1、底板的力學(xué)特征

2、底板比壓——底板單位面積所受支架的壓力支柱插入底板的破壞形式受支承壓力影響，產(chǎn)生變形。受支柱壓力作用，被壓入。整體剪切局部剪切其它剪切

整體剪切局部剪切其它剪切穿鞋破壞四、底板特征：受支承壓力影響，產(chǎn)生變形。整體剪切

整體剪切——當(dāng)載荷達(dá)到某一值后（極限抗壓入強度），突然下降。局部剪切——沒有明顯的突破點，隨載荷增加，壓入深度的變形率增長較快。其它剪切——界于二者之間，有突破點但不明顯，載荷超過突破點后，壓入深度明顯增大。木柱鞋抗壓強度較低，不宜使用整體剪切——當(dāng)載荷達(dá)到某一值后（極限抗壓入強度），突然第二節(jié)采場支架類型與特性一、支架類型：

木支架——————木柱+木梁摩擦金屬支架———摩擦柱+鉸接金屬梁單體液壓支架———液壓柱+鉸接金屬梁

支撐式掩護式支撐掩護式

單體支架液壓支架普通支架端頭支架大采高支架放頂煤支架液壓支架的應(yīng)用范圍正在逐步擴大第二節(jié)采場支架類型與特性單體支架液壓支架普通支二、支架的工作特性：

單體支架特性應(yīng)為支架與頂梁的共同特性，當(dāng)頂梁為剛性材料時，支架特性主要由支柱特性決定。液壓支架特性不僅與支柱特性有關(guān)，而且與支架結(jié)構(gòu)有關(guān)。1、支柱特性：支柱力學(xué)特性——受頂板壓力作用，支柱變形（下縮）性質(zhì)。急增阻微增阻恒阻二、支架的工作特性：急增阻2、支柱的工作阻力：

支柱的工作阻力——支柱受頂板壓力作用而產(chǎn)生的反抗力。

（撐力——主動力；阻力——被動力）

初撐力——支柱剛架設(shè)時對頂板支撐力；

始動阻力——頂板壓力下，支柱開始下縮時的阻力；

初工作阻力——阻力由急劇增長到緩慢增長的轉(zhuǎn)折點處阻力；

額定工作阻力——支柱所能承受的最大載荷。2、支柱的工作阻力：3、支撐系統(tǒng)工作特性：支撐系統(tǒng)——圍巖與支撐物所構(gòu)成的力學(xué)系統(tǒng)。

支撐系統(tǒng)=頂板+插背物+頂梁+支柱+（浮煤矸）+柱鞋+底板

支撐系統(tǒng)特性——支撐系統(tǒng)受力作用而呈現(xiàn)的變形性質(zhì)。

在對頂板的支撐中，實際是支撐系統(tǒng)工作特性在起作用。

支撐物的可縮性使支撐系統(tǒng)早期發(fā)生較大變形，阻力上不去，頂板離層。支柱插入底板可導(dǎo)致頂板管理惡化。正常情況插入底板3、支撐系統(tǒng)工作特性：正常情況插入底板

安全規(guī)程規(guī)定：

禁止將支柱架設(shè)在浮煤、浮矸上。

技術(shù)要求：

柱頂要插嚴(yán)背實；

煤底或軟巖底時，支柱要穿鞋（液柱鐵鞋）安全規(guī)程規(guī)定：三、液壓支柱：

1、類型：內(nèi)注液式：NDZ

外注液式：DZ2、結(jié)構(gòu)：

3、DZ系列：

4、型號：DZ22—30/100DZ——普通單體液壓支柱PDZ——炮采單體液柱SDZ——三柱套（薄煤層）DZ系列系列高度22分米—額定阻力30噸/油缸內(nèi)徑100毫米三、液壓支柱：DZ——普通單體液壓支柱DZ系列系列高度2

5、初撐力：式中：——泵站工作壓力；

——活柱直徑；

——管路壓力損失系數(shù)。

6、液壓支柱工作原理：Ⅰ—升柱；Ⅱ—工作；Ⅲ—降柱1—活柱；2—柱體；3、9、10—管路；4—安全閥；5—單向閥；6—主回油路；7—主進(jìn)油路；8—操縱閥升柱工作卸載5、初撐力：Ⅰ—升柱；Ⅱ—工作；Ⅲ—降柱升柱工作卸載四、液壓支架：

1、分類：按支撐面積與掩護面積比值分類支撐式支撐掩護式掩護支撐式掩護式支撐式掩護支撐式支撐掩護式掩護式四、液壓支架：支撐式支撐式掩護支撐式支撐掩護式掩護式

支撐式

按支架結(jié)構(gòu)分類：掩護式支撐掩護式2、支撐式支架支護分析：工作特點：

支撐力大，適宜堅硬有來壓頂板；反復(fù)支撐次數(shù)多，不適宜破碎頂板；框式結(jié)構(gòu)，不能承受水平推力。優(yōu)點：通風(fēng)斷面大、行人方便、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕；

適用于：頂板穩(wěn)定，有來壓，瓦斯大的工作面。

3、支掩式掩護支架分析：工作特點：（支柱支撐在掩護梁上）

控頂距小，減少了對頂板的反復(fù)支撐次數(shù)結(jié)構(gòu)可承受一定水平推力；適應(yīng)破碎頂板（擋矸，冒頂時可不勾頂）

缺點：支架空間小、通風(fēng)斷面小、行人不便、重量大單鉸式雙鉸式3、支掩式掩護支架分析：單鉸式雙鉸式帶帽點柱的布置方式

a—矩形排列；b—三角形排列

五、單體支架布置方式（取決于直接頂?shù)姆€(wěn)定性及來壓時的危害）1、帶帽點柱——矩形、三角形布置直接頂比較穩(wěn)定時帶帽點柱的布置方式a—矩形排列；b—三角形排列五、單連鎖式及對接式走向棚a—連鎖上行式；b—連鎖下行式；c—連鎖混合式；d—對接式2、棚子支護——順板（兩柱、三柱）（傾斜棚）橫板（兩柱）連鎖（上行式、下行式、混合式）連鎖式及對接式走向棚2、棚子支護——順板（兩柱、三柱）傾斜棚

機組工作面的懸臂支護a—正懸臂；b—倒懸臂3、懸臂梁支護——正懸臂、倒懸臂傾斜棚機組工作面的懸臂支護3、懸臂梁支護——正懸臂、倒懸齊梁直線柱布置

錯梁直線柱布置4、懸臂梁支架的布置方式：

常用錯梁直線柱齊梁直線柱布置錯梁直線柱布置4、懸臂梁支架的布置方式：5、特種支架：

叢柱排柱（密集）直線木垛

三角木垛斜撐（戧柱）抬棚5、特種支架：叢柱特種支架的主要作用：

增加支撐力——叢柱、排柱、抬棚

增強穩(wěn)定性——木垛、斜撐（戧柱）、抬棚特種支架的主要作用：6、架設(shè)金屬單體支柱的技術(shù)要求：1)確保金屬支柱的工作性能，失效支柱應(yīng)及時運至地面檢修；2)在支設(shè)金屬支柱時，應(yīng)采用升柱器，使之具有一定的初撐力；3)嚴(yán)禁在一個工作面使用兩種或兩種以上不同性能的基本支柱；4)金屬支柱必須與金屬鉸接頂梁配套使用；5)不宜讓支柱受偏心載荷；6)必須保證支柱的支設(shè)質(zhì)量。不能將支柱打在浮矸上。

(五)工作面嚴(yán)禁采用木支柱、金屬摩擦柱支護方式。有下列情形之一的，嚴(yán)禁采用單體液壓支柱放頂煤開采：(一)傾角大于30°的煤層(急傾斜特厚煤層水平分層放頂煤除外)。(二)沖擊地壓煤層。6、架設(shè)金屬單體支柱的技術(shù)要求：(五)工作面嚴(yán)禁采用木支柱、第三節(jié)回采工作面支架與圍巖相互作用原理一、支架與圍巖的相互作用：1、支架與圍巖相互作用體系：

1）橫向：“煤體—支架—垮落矸石”支撐系統(tǒng)煤體支架垮落矸石第三節(jié)回采工作面支架與圍巖相互作用原理煤體支架垮落矸“煤體—支架—垮落矸石”支撐系統(tǒng)：

煤體、垮落矸石為平衡結(jié)構(gòu)支點（拱腳），需承受更多載荷；“煤體—支架—垮落矸石”支撐系統(tǒng)為靜不定系統(tǒng)，剛度大的承受載荷也大；

煤體剛度大于垮落矸石及支架，為主要承載體；支架受到保護，剛度較小，承載較小?！懊后w—支架—垮落矸石”支撐系統(tǒng)：

2）縱向：“老頂—直接頂—支架—底板”支撐系統(tǒng)老頂直接頂支架底板

老頂以上巖層為載荷；直接頂、底板的剛度直接影響支架特性的發(fā)揮；支架特性為插背物、頂梁、支柱、柱鞋的綜合性質(zhì)；當(dāng)其它結(jié)構(gòu)物剛度很大時，支撐系統(tǒng)的特性即為支柱的剛度；在整個支架群中，該支撐系統(tǒng)的特性影響到支架所受載荷的大小。2）縱向：“老頂—直接頂—支架—底板”支撐系統(tǒng)老頂直2、支架與圍巖相互作用的特點：

1）支架與圍巖間的作用是作用力與反作用力關(guān)系；

（支撐力宜均勻分布，且與頂板壓力共線）

2）支架受力的大小與支架本身特性有關(guān)；

（在同一工作面，不允許同時使用特性不同的支架）

3）支架支撐力在工作面的分布狀態(tài)與支架性能有關(guān)；

剛性急增阻微增阻恒阻2、支架與圍巖相互作用的特點：剛性4）支架結(jié)構(gòu)及尺寸對頂板壓力具有影響：

支架受力=頂板壓力；

支架結(jié)構(gòu)影響其特性，繼而影響其受力大?。唬ㄖ问酱?，掩護式?。?；

支架受力大小與分布即為頂板壓力的大小與分布。

（支撐式大，作用力靠后；掩護式小，作用力靠前）4）支架結(jié)構(gòu)及尺寸對頂板壓力具有影響：3、支架工作阻力與頂板下沉量的關(guān)系：

（支架與圍巖相互作用關(guān)系）

由調(diào)壓實驗得到：

平時來壓時3、支架工作阻力與頂板下沉量的關(guān)系：平時來壓時礦山壓力及其控制第五章2）由曲線：結(jié)論：

關(guān)系為雙曲線關(guān)系；在某一工作阻力以上，而減少甚微；在某一工作阻力以下，則急劇增加；

（該工作阻力稱為與頂板下沉量相適應(yīng)的合理工作阻力）以提高工作阻力控制頂板下沉量是有一定限度的；不同工作面，曲線不同。

合理工作阻力為拐點對應(yīng)的工作阻力2）由曲線：二、采場支架的工作狀態(tài)：

1、支架與圍巖體系的剛度：

1）組合剛度：并聯(lián)：串聯(lián)：并聯(lián)串聯(lián)

二、采場支架的工作狀態(tài)：并聯(lián)2）支架的剛度：式中：——支架的剛度（并聯(lián)）；

——支架立柱數(shù)；

——支架立柱的剛度；

——支架立柱與豎直方向的夾角。

3）直接頂?shù)膭偠龋?/p>

式中：——直接頂彈性模量；

——直接頂高度與支架承載寬度比值。似剛性中間型剛度似零剛度2）支架的剛度：似剛性4）底板的剛度：

（通過分析底板比壓獲得）5）支架與圍巖體系的剛度：當(dāng)?shù)装逵绊懶r（穿鞋或堅硬）：當(dāng)直接頂剛度時：當(dāng)直接頂為中間型剛度時，與支架組成系統(tǒng)剛度。4）底板的剛度：2、支架的工作狀態(tài)：

給定載荷——直接頂剛度小，老頂?shù)摹盎剞D(zhuǎn)變形壓力”由直接頂變形所吸收，支架承受的載荷為直接頂載荷。（直接頂離層）

給定變形——直接頂剛度大，老頂?shù)摹敖o定變形”全部通過直接頂傳到支架上。

給定載荷——增大穩(wěn)定性；支架給定變形——增大支撐力、可縮性。2、支架的工作狀態(tài)：第四節(jié)綜采面頂板控制設(shè)計一、概述

1、選型步驟：

1）確定頂、底板類型（直接頂、老頂、直接底）；

2）估算支架所需支護強度（實測、來壓步距）；

3）初定額定支護強度、初選架型；

4）修正架型及參數(shù)（斷面、風(fēng)量、傾角）；

5）確定頂梁、護幫及側(cè)推結(jié)構(gòu)；

6）確定底座參數(shù)；

7）進(jìn)行支架參數(shù)優(yōu)化。重要內(nèi)容：支架額定強度、架型第四節(jié)綜采面頂板控制設(shè)計礦山壓力及其控制第五章2、架型選擇：

分析比較法：依據(jù)頂?shù)装鍫顩r、采高、傾角、瓦斯、煤層穩(wěn)定程度、開采方法等因素確定支架額定工作阻力、幾何尺寸、立柱數(shù)量位置、移架方式、頂板覆蓋率等參數(shù)。（目前多用）

綜合評分法：在特定的地質(zhì)、開采技術(shù)條件下，對預(yù)選的各種支架對圍巖的適應(yīng)性及力學(xué)特性進(jìn)行評價打分，綜合分?jǐn)?shù)時考慮各項內(nèi)容的重要程度，選擇分?jǐn)?shù)最高者，確定支架結(jié)構(gòu)，然后確定支架的初撐力、工作阻力，并對支架參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。2、架型選擇：二、液壓支架參數(shù)：

1、工作阻力：估算法：

實測法：

若允許3%支架時間加權(quán)平均阻力大于額定工作阻力，k=2；若以最大工作阻力為統(tǒng)計值，則k=1~1.3，此時L0-初次來壓步距Pt-時間加權(quán)平均工作阻力二、液壓支架參數(shù)：L0-初次來壓步距Pt-時間加權(quán)平均工作阻經(jīng)驗公式：

（煤炭科學(xué)研究總院）

Ⅰ~Ⅲ級老頂：

Ⅳ級老頂：（額定支護強度；采高；周壓步距；控頂高度；直接頂厚度/采高）老頂初壓步距；備用系數(shù)經(jīng)驗公式：（煤炭科學(xué)研究總院）（額定支護強度；采高；周壓步

理論分析法：式中：

——合理支護強度；

——巖塊間摩擦角；

——巖塊破斷角；

——老頂巖層厚度；

——B巖塊回轉(zhuǎn)下沉量；

——B巖塊的重量及載荷；

——控頂距。由公式4-9得到直接頂+老頂-摩擦力L2-B巖塊的長度理論分析法：由公式4-9得到直接頂+老頂-摩擦力L2-

液壓支架額定工作阻力：

式中：

——額定工作阻力；

——液壓支架中心距；

——液壓支架支撐效率；

——控頂長度；

——支護強度。

支撐式0.9~0.95支掩掩護0.65~0.75支頂式0.8~0.9支撐掩護0.8~0.95支撐式0.9~0.952、初撐力：

提高初撐力可

初撐力確定減少頂板離層，增強頂板強度和穩(wěn)定性提高對機道支撐，減少端面破碎度和煤壁片幫壓實頂梁上及底座下浮矸，提高支撐系統(tǒng)剛度充分利用額定支撐能力，減少頂板下沉量。減小安全閥開啟率實測初撐力為額定阻力的0.714合理初撐力為額定阻力的0.6~0.851、2類頂板初撐力為額定阻力的0.75~0.852、3類頂板初撐力為額定阻力的0.6~0.752、初撐力：減少頂板離層，增強頂板強度和穩(wěn)定性實測初撐力為額第五節(jié)單體液壓支柱工作面頂板控制

一、頂板控制的原則：

1、目標(biāo)

2、原則消除冒頂隱患，防止冒頂事故；將頂板下沉量控制在一定限度內(nèi)；費用最少。初撐力可平衡冒落帶巖層重量；可縮量能適應(yīng)裂隙帶巖層的下沉；可切斷近距薄層老頂；能防止頂板巖層的失穩(wěn)性破壞；保證頂板處于良好狀態(tài)。第五節(jié)單體液壓支柱工作面頂板控制消除冒頂隱患，防止冒二、單體支架工作面頂板控制設(shè)計：

（設(shè)計內(nèi)容包含：支柱類型、規(guī)格選擇，支柱的額定阻力、初撐力確定，支架頂梁選擇，支架布置形式，支護強度及支柱密度，排柱距及特殊支架布置等）

1、工作面合理支護強度的確定：

一般按老頂初次來壓最不利狀態(tài)進(jìn)行計算：二、單體支架工作面頂板控制設(shè)計：

合理支護強度：

（支架承受直接頂重量及老頂重量的一半）

其中：——考慮支撐合力作用位置及附加載荷后的懸頂系數(shù)。LkxnLzLsL-老頂巖梁斷裂步距合理支護強度：——考慮支撐合力作用位置及附加載荷后的懸頂2、支柱有效支撐能力的確定：支柱有效支撐能力——在允許的頂板下沉量范圍內(nèi)，所有支柱所能達(dá)到的工作阻力的平均值。

（有效支撐能力＜額定工作阻力）

1）支柱不鉆底，支護質(zhì)量正常時：

式中：——支柱承載不均勻系數(shù)（0.8~0.9）；

——增阻系數(shù)(0.9~0.95)；

——支柱回撤前所能達(dá)到的理論工作阻力，kN/柱。

2、支柱有效支撐能力的確定：

2）支柱發(fā)生鉆底時：

式中：——與底板抗壓入強度相對應(yīng)的支柱工作阻力；

——考慮支柱鉆底式的不均勻系數(shù)，增阻系數(shù)。3、支柱密度及柱距確定：

排距a——與截深匹配；柱距b——排距為0.8時，k=1.2;排距為1m時，k=1.1排距為1.2時。K=1.0Pr-工作面合理的支護強度2）支柱發(fā)生鉆底時：排距a——與截深匹配；排距為0

用單體支柱+鉸接頂梁時，柱距不小于0.5米；破碎頂板、網(wǎng)下開采時，任何梁，柱距不大于0.7米。

4、支柱初撐力：

增加初撐力，可預(yù)防直接頂離層，使支柱更快達(dá)到工作阻力以平衡垮落帶巖重。

應(yīng)使初撐力盡量等于額定工作阻力；一般條件下，初撐力應(yīng)不低于額定阻力的70%~80%。用單體支柱+鉸接頂梁時，柱距不小于0.5米

5、支護系統(tǒng)剛度：支護系統(tǒng)剛度——單位頂?shù)装逑鄬σ平克鶎?yīng)的支柱工作阻力增量。（支護系統(tǒng)剛度受系統(tǒng)內(nèi)組成部分影響）

從有效控制頂板角度看，支護系統(tǒng)剛度越大越好。

（支柱鉆底超過100mm，則需要穿鐵鞋）5、支護系統(tǒng)剛度：

插背物——目前的背頂材料，壓縮率可達(dá)50%，一般在

50kN前即可完成，壓縮量大，剛度小；頂梁——金屬頂梁不可壓縮，可認(rèn)為是剛性；底板——砂頁巖、砂巖等中硬、堅硬巖層剛性較大，煤、泥巖、頁巖等較軟巖層剛度小，影響系統(tǒng)剛度；

支柱——單體液柱剛度比較理想；（初撐力高，可壓縮背頂物等材料，使系統(tǒng)剛度增加）插背物——目前的背頂材料，壓縮率可達(dá)50%，一般在增大工作面支護強度頂?shù)装逑鄬σ平浚欢嗣婷案?；頂板臺階下沉量。

則可減少提高支柱初撐力提高支柱密度提高支護系統(tǒng)剛度均可提高支護強度增大工作面支護強度則可減少提高支柱初撐力均可提高支護強度三、單體支柱工作面支護強度的實測統(tǒng)計：（可選用）

（依據(jù)統(tǒng)計公式定量確定支護強度、支柱密度）

1、單體支柱的支護強度：

式中：——備用系數(shù)，一般取1.2~1.4；

老頂級別ⅠⅡⅢ采高

m130033041023253504203350380430單體工作面支護強度下限三、單體支柱工作面支護強度的實測統(tǒng)計：（可選用）老頂級別2、單體支柱密度選擇：

1）按直接頂穩(wěn)定性確定支柱密度：穩(wěn)定性級別1類（不穩(wěn)定）2類（中等穩(wěn)定）3類（穩(wěn)定）1a1b支柱密度上限2.251.7851.431.25支柱密度下限2.081.431.251.04各類直接頂?shù)闹е芏?、單體支柱密度選擇：穩(wěn)定性級別1類（不穩(wěn)定）2類（中等穩(wěn)定2）按必需的支護強度驗算支柱密度：式中：——單體支柱工作阻力；

——支護強度；

——支柱密度。

支柱系列DZ-300/100DZ-250/80DZ-150/63初阻力117.575.349額定阻力300250150單體支柱工作阻力實測阻力與初撐力相近，可用初撐力代替。2）按必需的支護強度驗算支柱密度：支柱系列DZ-300/10

必需的初撐支護強度由替代：支柱密度驗算：

單體支架工作面可通過調(diào)整支架密度來增大支護強度必需的初撐支護強度由替代：演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！第五章回采工作面頂板控制與支護

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頂板分類支架類型與特性采場支架與圍巖相互作用原理綜合機械化工作面頂板控制設(shè)計單體液壓支柱工作面頂板控制設(shè)計

第五章回采工作面頂板控制與支護控制回采礦山壓力的重要性總體角度（礦井設(shè)計的問題）局部（支護和采空區(qū)處理）直接頂與老頂?shù)年P(guān)系控制工作面礦山壓力的方法掌握礦山壓力的規(guī)律回采工作面支架控制回采礦山壓力的重要性第一節(jié)頂板分類與底板特征一、對直接頂?shù)姆治觯?/p>

1、定性分析：破碎頂板————頁巖、再生頂、煤頂中等穩(wěn)定頂板——砂頁巖、粉砂巖完整頂板————砂巖、堅硬砂頁巖

按穩(wěn)定狀態(tài)原生裂隙構(gòu)造裂隙壓裂裂隙裂隙類型張裂隙剪裂隙第一節(jié)頂板分類與底板特征按穩(wěn)定狀態(tài)原生裂隙裂隙類型張（1）滑落失穩(wěn)節(jié)理面與工作面推進(jìn)方向一致時，結(jié)構(gòu)不易取得平衡，反之則易于平衡。（1）滑落失穩(wěn)節(jié)理面與工作面推進(jìn)方向一致時，結(jié)構(gòu)不易取得平衡直接頂初次垮落步距端面破碎度2、定量分析：L0≥16-20穩(wěn)定≤8不穩(wěn)定二者之間為中等穩(wěn)定頂板直接頂初次垮落步距2、定量分析：L0≥16-20穩(wěn)定二、對老頂分析：

老頂?shù)挠绊懼饕w現(xiàn)為來壓影響，原分類與來壓有關(guān)。

無來壓來壓明顯來壓嚴(yán)重堅硬頂板塑性頂板厚高比：（5，5~2，2）二、對老頂分析：無來壓來壓明顯三、頂板分類方案：（P125）

1、分類目的：規(guī)范化、科學(xué)化、系列化

2、分類方案：

依據(jù)直接頂?shù)姆€(wěn)定性（強度、初垮步距）分為四類；依據(jù)直接頂厚高比、老頂來壓步距將老頂分為4級。直接頂：分為四類，其中1、2類各分為兩個亞類；

（不穩(wěn)定、中穩(wěn)、穩(wěn)定、非常穩(wěn)定）老頂：依據(jù)老頂初次來壓當(dāng)量將老頂分為4級。

（來壓不明顯、明顯、強烈、非常強烈）三、頂板分類方案：（P125）頂板分類名稱含義：直接頂：一類二類三類四類

不穩(wěn)定中等穩(wěn)定穩(wěn)定堅硬老頂：1級2級3級4級

來壓不明顯來壓明顯來壓強烈來壓極強烈舉例：二類2級頂板——直接頂中等穩(wěn)定，老頂來壓明顯。頂板分類名稱含義：舉例：四、底板特征：

1、底板的力學(xué)特征

2、底板比壓——底板單位面積所受支架的壓力支柱插入底板的破壞形式受支承壓力影響，產(chǎn)生變形。受支柱壓力作用，被壓入。整體剪切局部剪切其它剪切

整體剪切局部剪切其它剪切穿鞋破壞四、底板特征：受支承壓力影響，產(chǎn)生變形。整體剪切

整體剪切——當(dāng)載荷達(dá)到某一值后（極限抗壓入強度），突然下降。局部剪切——沒有明顯的突破點，隨載荷增加，壓入深度的變形率增長較快。其它剪切——界于二者之間，有突破點但不明顯，載荷超過突破點后，壓入深度明顯增大。木柱鞋抗壓強度較低，不宜使用整體剪切——當(dāng)載荷達(dá)到某一值后（極限抗壓入強度），突然第二節(jié)采場支架類型與特性一、支架類型：

木支架——————木柱+木梁摩擦金屬支架———摩擦柱+鉸接金屬梁單體液壓支架———液壓柱+鉸接金屬梁

支撐式掩護式支撐掩護式

單體支架液壓支架普通支架端頭支架大采高支架放頂煤支架液壓支架的應(yīng)用范圍正在逐步擴大第二節(jié)采場支架類型與特性單體支架液壓支架普通支二、支架的工作特性：

單體支架特性應(yīng)為支架與頂梁的共同特性，當(dāng)頂梁為剛性材料時，支架特性主要由支柱特性決定。液壓支架特性不僅與支柱特性有關(guān)，而且與支架結(jié)構(gòu)有關(guān)。1、支柱特性：支柱力學(xué)特性——受頂板壓力作用，支柱變形（下縮）性質(zhì)。急增阻微增阻恒阻二、支架的工作特性：急增阻2、支柱的工作阻力：

支柱的工作阻力——支柱受頂板壓力作用而產(chǎn)生的反抗力。

（撐力——主動力；阻力——被動力）

初撐力——支柱剛架設(shè)時對頂板支撐力；

始動阻力——頂板壓力下，支柱開始下縮時的阻力；

初工作阻力——阻力由急劇增長到緩慢增長的轉(zhuǎn)折點處阻力；

額定工作阻力——支柱所能承受的最大載荷。2、支柱的工作阻力：3、支撐系統(tǒng)工作特性：支撐系統(tǒng)——圍巖與支撐物所構(gòu)成的力學(xué)系統(tǒng)。

支撐系統(tǒng)=頂板+插背物+頂梁+支柱+（浮煤矸）+柱鞋+底板

支撐系統(tǒng)特性——支撐系統(tǒng)受力作用而呈現(xiàn)的變形性質(zhì)。

在對頂板的支撐中，實際是支撐系統(tǒng)工作特性在起作用。

支撐物的可縮性使支撐系統(tǒng)早期發(fā)生較大變形，阻力上不去，頂板離層。支柱插入底板可導(dǎo)致頂板管理惡化。正常情況插入底板3、支撐系統(tǒng)工作特性：正常情況插入底板

安全規(guī)程規(guī)定：

禁止將支柱架設(shè)在浮煤、浮矸上。

技術(shù)要求：

柱頂要插嚴(yán)背實；

煤底或軟巖底時，支柱要穿鞋（液柱鐵鞋）安全規(guī)程規(guī)定：三、液壓支柱：

1、類型：內(nèi)注液式：NDZ

外注液式：DZ2、結(jié)構(gòu)：

3、DZ系列：

4、型號：DZ22—30/100DZ——普通單體液壓支柱PDZ——炮采單體液柱SDZ——三柱套（薄煤層）DZ系列系列高度22分米—額定阻力30噸/油缸內(nèi)徑100毫米三、液壓支柱：DZ——普通單體液壓支柱DZ系列系列高度2

5、初撐力：式中：——泵站工作壓力；

——活柱直徑；

——管路壓力損失系數(shù)。

6、液壓支柱工作原理：Ⅰ—升柱；Ⅱ—工作；Ⅲ—降柱1—活柱；2—柱體；3、9、10—管路；4—安全閥；5—單向閥；6—主回油路；7—主進(jìn)油路；8—操縱閥升柱工作卸載5、初撐力：Ⅰ—升柱；Ⅱ—工作；Ⅲ—降柱升柱工作卸載四、液壓支架：

1、分類：按支撐面積與掩護面積比值分類支撐式支撐掩護式掩護支撐式掩護式支撐式掩護支撐式支撐掩護式掩護式四、液壓支架：支撐式支撐式掩護支撐式支撐掩護式掩護式

支撐式

按支架結(jié)構(gòu)分類：掩護式支撐掩護式2、支撐式支架支護分析：工作特點：

支撐力大，適宜堅硬有來壓頂板；反復(fù)支撐次數(shù)多，不適宜破碎頂板；框式結(jié)構(gòu)，不能承受水平推力。優(yōu)點：通風(fēng)斷面大、行人方便、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕；

適用于：頂板穩(wěn)定，有來壓，瓦斯大的工作面。

3、支掩式掩護支架分析：工作特點：（支柱支撐在掩護梁上）

控頂距小，減少了對頂板的反復(fù)支撐次數(shù)結(jié)構(gòu)可承受一定水平推力；適應(yīng)破碎頂板（擋矸，冒頂時可不勾頂）

缺點：支架空間小、通風(fēng)斷面小、行人不便、重量大單鉸式雙鉸式3、支掩式掩護支架分析：單鉸式雙鉸式帶帽點柱的布置方式

a—矩形排列；b—三角形排列

五、單體支架布置方式（取決于直接頂?shù)姆€(wěn)定性及來壓時的危害）1、帶帽點柱——矩形、三角形布置直接頂比較穩(wěn)定時帶帽點柱的布置方式a—矩形排列；b—三角形排列五、單連鎖式及對接式走向棚a—連鎖上行式；b—連鎖下行式；c—連鎖混合式；d—對接式2、棚子支護——順板（兩柱、三柱）（傾斜棚）橫板（兩柱）連鎖（上行式、下行式、混合式）連鎖式及對接式走向棚2、棚子支護——順板（兩柱、三柱）傾斜棚

機組工作面的懸臂支護a—正懸臂；b—倒懸臂3、懸臂梁支護——正懸臂、倒懸臂傾斜棚機組工作面的懸臂支護3、懸臂梁支護——正懸臂、倒懸齊梁直線柱布置

錯梁直線柱布置4、懸臂梁支架的布置方式：

常用錯梁直線柱齊梁直線柱布置錯梁直線柱布置4、懸臂梁支架的布置方式：5、特種支架：

叢柱排柱（密集）直線木垛

三角木垛斜撐（戧柱）抬棚5、特種支架：叢柱特種支架的主要作用：

增加支撐力——叢柱、排柱、抬棚

增強穩(wěn)定性——木垛、斜撐（戧柱）、抬棚特種支架的主要作用：6、架設(shè)金屬單體支柱的技術(shù)要求：1)確保金屬支柱的工作性能，失效支柱應(yīng)及時運至地面檢修；2)在支設(shè)金屬支柱時，應(yīng)采用升柱器，使之具有一定的初撐力；3)嚴(yán)禁在一個工作面使用兩種或兩種以上不同性能的基本支柱；4)金屬支柱必須與金屬鉸接頂梁配套使用；5)不宜讓支柱受偏心載荷；6)必須保證支柱的支設(shè)質(zhì)量。不能將支柱打在浮矸上。

(五)工作面嚴(yán)禁采用木支柱、金屬摩擦柱支護方式。有下列情形之一的，嚴(yán)禁采用單體液壓支柱放頂煤開采：(一)傾角大于30°的煤層(急傾斜特厚煤層水平分層放頂煤除外)。(二)沖擊地壓煤層。6、架設(shè)金屬單體支柱的技術(shù)要求：(五)工作面嚴(yán)禁采用木支柱、第三節(jié)回采工作面支架與圍巖相互作用原理一、支架與圍巖的相互作用：1、支架與圍巖相互作用體系：

1）橫向：“煤體—支架—垮落矸石”支撐系統(tǒng)煤體支架垮落矸石第三節(jié)回采工作面支架與圍巖相互作用原理煤體支架垮落矸“煤體—支架—垮落矸石”支撐系統(tǒng)：

煤體、垮落矸石為平衡結(jié)構(gòu)支點（拱腳），需承受更多載荷；“煤體—支架—垮落矸石”支撐系統(tǒng)為靜不定系統(tǒng)，剛度大的承受載荷也大；

煤體剛度大于垮落矸石及支架，為主要承載體；支架受到保護，剛度較小，承載較小?！懊后w—支架—垮落矸石”支撐系統(tǒng)：

2）縱向：“老頂—直接頂—支架—底板”支撐系統(tǒng)老頂直接頂支架底板

老頂以上巖層為載荷；直接頂、底板的剛度直接影響支架特性的發(fā)揮；支架特性為插背物、頂梁、支柱、柱鞋的綜合性質(zhì)；當(dāng)其它結(jié)構(gòu)物剛度很大時，支撐系統(tǒng)的特性即為支柱的剛度；在整個支架群中，該支撐系統(tǒng)的特性影響到支架所受載荷的大小。2）縱向：“老頂—直接頂—支架—底板”支撐系統(tǒng)老頂直2、支架與圍巖相互作用的特點：

1）支架與圍巖間的作用是作用力與反作用力關(guān)系；

（支撐力宜均勻分布，且與頂板壓力共線）

2）支架受力的大小與支架本身特性有關(guān)；

（在同一工作面，不允許同時使用特性不同的支架）

3）支架支撐力在工作面的分布狀態(tài)與支架性能有關(guān)；

剛性急增阻微增阻恒阻2、支架與圍巖相互作用的特點：剛性4）支架結(jié)構(gòu)及尺寸對頂板壓力具有影響：

支架受力=頂板壓力；

支架結(jié)構(gòu)影響其特性，繼而影響其受力大?。唬ㄖ问酱?，掩護式小）；

支架受力大小與分布即為頂板壓力的大小與分布。

（支撐式大，作用力靠后；掩護式小，作用力靠前）4）支架結(jié)構(gòu)及尺寸對頂板壓力具有影響：3、支架工作阻力與頂板下沉量的關(guān)系：

（支架與圍巖相互作用關(guān)系）

由調(diào)壓實驗得到：

平時來壓時3、支架工作阻力與頂板下沉量的關(guān)系：平時來壓時礦山壓力及其控制第五章2）由曲線：結(jié)論：

關(guān)系為雙曲線關(guān)系；在某一工作阻力以上，而減少甚微；在某一工作阻力以下，則急劇增加；

（該工作阻力稱為與頂板下沉量相適應(yīng)的合理工作阻力）以提高工作阻力控制頂板下沉量是有一定限度的；不同工作面，曲線不同。

合理工作阻力為拐點對應(yīng)的工作阻力2）由曲線：二、采場支架的工作狀態(tài)：

1、支架與圍巖體系的剛度：

1）組合剛度：并聯(lián)：串聯(lián)：并聯(lián)串聯(lián)

二、采場支架的工作狀態(tài)：并聯(lián)2）支架的剛度：式中：——支架的剛度（并聯(lián)）；

——支架立柱數(shù)；

——支架立柱的剛度；

——支架立柱與豎直方向的夾角。

3）直接頂?shù)膭偠龋?/p>

式中：——直接頂彈性模量；

——直接頂高度與支架承載寬度比值。似剛性中間型剛度似零剛度2）支架的剛度：似剛性4）底板的剛度：

（通過分析底板比壓獲得）5）支架與圍巖體系的剛度：當(dāng)?shù)装逵绊懶r（穿鞋或堅硬）：當(dāng)直接頂剛度時：當(dāng)直接頂為中間型剛度時，與支架組成系統(tǒng)剛度。4）底板的剛度：2、支架的工作狀態(tài)：

給定載荷——直接頂剛度小，老頂?shù)摹盎剞D(zhuǎn)變形壓力”由直接頂變形所吸收，支架承受的載荷為直接頂載荷。（直接頂離層）

給定變形——直接頂剛度大，老頂?shù)摹敖o定變形”全部通過直接頂傳到支架上。

給定載荷——增大穩(wěn)定性；支架給定變形——增大支撐力、可縮性。2、支架的工作狀態(tài)：第四節(jié)綜采面頂板控制設(shè)計一、概述

1、選型步驟：

1）確定頂、底板類型（直接頂、老頂、直接底）；

2）估算支架所需支護強度（實測、來壓步距）；

3）初定額定支護強度、初選架型；

4）修正架型及參數(shù)（斷面、風(fēng)量、傾角）；

5）確定頂梁、護幫及側(cè)推結(jié)構(gòu)；

6）確定底座參數(shù)；

7）進(jìn)行支架參數(shù)優(yōu)化。重要內(nèi)容：支架額定強度、架型第四節(jié)綜采面頂板控制設(shè)計礦山壓力及其控制第五章2、架型選擇：

分析比較法：依據(jù)頂?shù)装鍫顩r、采高、傾角、瓦斯、煤層穩(wěn)定程度、開采方法等因素確定支架額定工作阻力、幾何尺寸、立柱數(shù)量位置、移架方式、頂板覆蓋率等參數(shù)。（目前多用）

綜合評分法：在特定的地質(zhì)、開采技術(shù)條件下，對預(yù)選的各種支架對圍巖的適應(yīng)性及力學(xué)特性進(jìn)行評價打分，綜合分?jǐn)?shù)時考慮各項內(nèi)容的重要程度，選擇分?jǐn)?shù)最高者，確定支架結(jié)構(gòu)，然后確定支架的初撐力、工作阻力，并對支架參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。2、架型選擇：二、液壓支架參數(shù)：

1、工作阻力：估算法：

實測法：

若允許3%支架時間加權(quán)平均阻力大于額定工作阻力，k=2；若以最大工作阻力為統(tǒng)計值，則k=1~1.3，此時L0-初次來壓步距Pt-時間加權(quán)平均工作阻力二、液壓支架參數(shù)：L0-初次來壓步距Pt-時間加權(quán)平均工作阻經(jīng)驗公式：

（煤炭科學(xué)研究總院）

Ⅰ~Ⅲ級老頂：

Ⅳ級老頂：（額定支護強度；采高；周壓步距；控頂高度；直接頂厚度/采高）老頂初壓步距；備用系數(shù)經(jīng)驗公式：（煤炭科學(xué)研究總院）（額定支護強度；采高；周壓步

理論分析法：式中：

——合理支護強度；

——巖塊間摩擦角；

——巖塊破斷角；

——老頂巖層厚度；

——B巖塊回轉(zhuǎn)下沉量；

——B巖塊的重量及載荷；

——控頂距。由公式4-9得到直接頂+老頂-摩擦力L2-B巖塊的長度理論分析法：由公式4-9得到直接頂+老頂-摩擦力L2-

液壓支架額定工作阻力：

式中：

——額定工作阻力；

——液壓支架中心距；

——液壓支架支撐效率；

——控頂長度；

——支護強度。

支撐式0.9~0.95支掩掩護0.65~0.75支頂式0.8~0.9支撐掩護0.8~0.95支撐式0.9~0.952、初撐力：

提高初撐力可

初撐力確定減少頂板離層，增強頂板強度和穩(wěn)定性提高對機道支撐，減少端面破碎度和煤壁片幫壓實頂梁上及底座下浮矸，提高支撐系統(tǒng)剛度充分利用額定支撐能力，減少頂板下沉量。減小安全閥開啟率實測初撐力為額定阻力的0.714合理初撐力為額定阻力的0.6~0.851、2類頂板初撐力為額定阻力的0.75~0.852、3類頂板初撐力為額定阻力的0.6~0.752、初撐力：減少頂板離層，增強頂板強度和穩(wěn)定性實測初撐力為額第五節(jié)單體液壓支柱工作面頂板控制

一、頂板控制的原則：

1、目標(biāo)

2、原則消除冒頂隱患，防止冒頂事故；將頂板下沉量控制在一定限度內(nèi)；費用最少。初撐力可平衡冒落帶巖層重量；可縮量能適應(yīng)裂隙帶巖層的下沉；可切斷近距薄層老頂；能防止頂板巖層的失穩(wěn)性破壞；保證頂板處于良好狀態(tài)。第五節(jié)單體液壓支柱工作面頂板控制消除冒頂隱患，防止冒二、單體支架工作面頂板控制設(shè)計：

（設(shè)計內(nèi)容包含：支柱類型、規(guī)格選擇，支柱的額定阻力、初撐力確定，支架頂梁選擇，支架布置形式，支護強度及支柱密度，排柱距及特殊支架布置等）

1、工作面合理支護強度的確定：

一般按老頂初次來壓最不利狀態(tài)進(jìn)行計算：二、單體支架工作面頂板控制設(shè)計：

合理支護強度：

（支架承受直接頂重量及老頂重量的一半）

其中：——考慮支撐合力作用位置及附加載荷后的懸頂系數(shù)。LkxnLzLsL-老頂巖梁斷裂步距合理支護強度：——考慮支撐合力作用位置及附加載荷后的懸頂2、支柱有效支撐能力的確定：支柱有效支撐能力——在允許的頂板下沉量范圍內(nèi)，所有支柱所能