1、第五章第五章 回采工作面顶板控制回采工作面顶板控制及支护方法及支护方法1 回采工作面顶板岩层分类回采工作面顶板岩层分类一、对直接顶的分析一、对直接顶的分析完整性取决两大因素：1.岩层本身性质；2.直接顶层理和裂隙发育情况。我国将直接顶分三种：1破 碎 顶 板：页岩、泥质页岩、再生顶板；2中等稳定顶板：砂页岩、粉砂岩，随回柱垮落，对工作面影响不大；3完 整 顶 板：砂岩、坚硬砂页岩，常悬而不冒需人工处理。图图 52 直接顶各类裂隙图直接顶各类裂隙图采煤方向与裂隙的选择关系采煤方向与裂隙的选择关系 1 2 通过大量研究，采用直接顶初次垮落步距L0作为分类工程指标（定量指标）。L01620m 顶板为
2、稳定顶板；L08m为不稳定顶板；L0=915m间，中等稳定顶板；另一分类方法：直接顶端面破碎度直接顶端面破碎度（易冒落灵敏度 E）E=010%一类；E=1113%二类；E 30%三类；图图54 顶板端面破碎度的计算示意图顶板端面破碎度的计算示意图二、对老顶分析二、对老顶分析 我国对老顶分类基本上只用一个指标：Km5 无周期来压或周期来压不明显顶板 2Km5 周期来压的顶板 Km P2，前柱受力大于后柱，此时：12112，lll12112，即lll2211llL2211llL二、直接顶比较破碎二、直接顶比较破碎 主要表现形式之一是：切顶线前移。表现形式之二是：控顶区上部冒空。对煤壁上方顶板完整性
3、破坏采取措施有：对煤壁上方顶板完整性破坏采取措施有：1缩短空顶距 2提高前梁工作阻力 3带压前移 4遇有漏空现象及时勾顶 5改善或交换支架结构与架型 6超前煤壁直接顶破碎，应注速凝剂，或安设锚杆，加固，恢复其完整性三、支撑式支架使用条件三、支撑式支架使用条件 1直接顶较完整，周期来压剧烈更宜。2特别坚硬顶板，支柱受不了强大水平推力。3破碎顶板及时勾顶。评价：1通风断面大，行人方便。2结构简单，应用于瓦斯矿井较好。6 掩护式液压支架支护分析掩护式液压支架支护分析优点：优点：（1）缩短了控顶距，提高对机道上方顶板支撑力。（2）在顶板局部冒顶情况下，可考虑不勾顶。（3）移架时，其结构在一定程度上允许
4、承载前移。（4）挡矸性好，采空区矸石不可涌入回采空间。缺点：缺点：支架工作空间小，通风断面小，行人不便。一、单铰式支架受力分析一、单铰式支架受力分析afaallPQallpafaQlaQflallPallpaQlMOsincos)sin()1()sin()()sin(cossincos)(sinsin)(coscos01111为简便，先不考虑fQ对支架受力(支撑力)影响，则：此时Q的大小取决于以下因素：（1）支柱工作阻力P值大，则Q也大；（2）的比值，即柱杆比越小，Q越大，为充分发挥P的作用，尽量缩小l1值；（3）角越大，P值作用发挥越好，故支柱应尽量直立。aallPQcos)sin()1(1
5、ll1 当掩护梁上的载荷W，且作用点离后铰为处，同理可推得：为了衡量工作阻力对顶板的支撑效果，常以支撑顶板的支撑力Q与支柱工作阻力P的比值表示支撑效率：l313cos)sin()1(1WaallPQPWaallPQ3cos)sin()1(1PaPQ/P(1 L1/L)sin()/cos 但：当：此时：当 W=0 时：当 =0时：aallPQcos)sin()1(1maxaallPWPQcos)sin()1(3;01apaalllWP)sin(cos31aallPQcos)sin()1(1PQaallPWcos)sin()1(31二、双铰式掩护支架分析二、双铰式掩护支架分析三、掩护式液压支架分析
6、三、掩护式液压支架分析 适应条件：适应条件：1.适于顶板压力来自机道上方；2.较破碎顶板；3.周期来压不剧烈的工作面，且顶板悬顶不长。7 支撑掩护式液压支架支护方法分析支撑掩护式液压支架支护方法分析 兼有前两者的优点优点：1空间宽阔，通风断面大，行人方便 2挡矸性能好，获得广泛应用 3支撑掩护式支架，顶梁较掩护式长，增加了支撑力，加大了掩护梁坡度，改善了支架底座与底板的受力情况。缺点缺点：控顶距增大，价格高，支架结构复杂，端面顶板破碎是突出问题。图中a为支架受力总体图示；图中b为顶梁脱离体。fQZaPFQZaPFZaPfQFFxZaPQFFysincos.2sincos.1cossin0.2s
7、incos0.1：取掩护梁为脱离体（如C）将上边求得 代入：利用上式求出Q与P和Z的关系得：Q=f（P，Z）WCZlhFbFMEo：取0FF、)cos(sin)sin(cos11bCWblbhZabhaPbhfQE可看出，Q力大小与下列因素有关：1.立柱与小千斤顶倾斜度，；2.瞬心位置 ；3.掩护梁受力W及位置C；4.立柱及千斤顶工作阻力。bh 从顶梁上分析，Q力位置还应满足下式：如图（b）由前述已求出Q的表达式，不计fQ和W得出，支柱的工作阻力与小千斤顶的制约关系：0oMxZlPlQZLPlQxppPDCxBAxZPlxblhblxhbZbEP)sincos()sincos(这种支架支撑效率
8、为 ：可知，与下列因素有关：（1）立柱倾角 （2）小千斤顶倾斜度 （3）瞬心位置 。（4）Z与P的比值 等等。PQ)cos(sin)sin(cos11PWbCPZblbhabhabhfPQEPQbh8 液压支架的端面顶板冒落及防治液压支架的端面顶板冒落及防治影响端面顶板稳定性的因素：1老顶的活动 2端面距 3顶梁的抬头角与低头角 4初撑力 5推进速度 6支架结构，架型液压支架发展方向：液压支架发展方向：（1）结构形式正朝简单实用发展，如对顶板适应性强，密封性好的支撑式支架。（2）支护强度和工作阻力不断加大，（3）额定宽度增加（两支架中心距）（4）结构设计更加合理，选用高强度钢材，重量轻。（5）
9、供液系统向高压、大流量发展（6）控制系统大型化（7）设计科学化 9 综合机械化采煤工作面顶板控制设计综合机械化采煤工作面顶板控制设计液压支架的选型顺序液压支架的选型顺序 液压支架参数液压支架参数 1液压支架的工作阻力 （1）载荷估算法 支架合理工作阻力P应能承受控顶区内及悬顶部分的全部直接顶岩重Q1，和老顶来压时的附加载荷Q2：支架受力图221QlhQQPiii 由第四章知，工作面合理支护强度：实测Q2与老顶初次来压步距L0有线性关系，所以：hnlQhpm208200Lp（2）实测统计法）实测统计法 在支架初撑时的阻力低于支架一围岩平衡必需的阻力时，以下计算结果较正确，对于高初撑支架，结果可能
10、偏高。用支架的时间加权平均工作阻力计算：kPPt（3）理论分析法）理论分析法miiHlQHLhP)(2)tan(22上覆岩层断裂时的受力情况2初撑力初撑力 提高初撑力要使用高压乳化夜泵、高压软管，及适应的液化系统和阀件。初撑力的适当提高，并不会增加支柱的开启率，因为高初撑力可减少支架的增阻值，从而减少顶板下沉量及安全阀开启率。10 单体液压支柱工作面顶板控制原则单体液压支柱工作面顶板控制原则 一、顶板控制的原则一、顶板控制的原则mm200mm1003311端面冒高不大于顶板不出现台阶下沉大于顶底板移近每米采高不支护参数保证顶板良好初撑力满足要求：防推护：不论哪种顶板倍采高化或采空区挑顶或钻爆或
11、高压水松动弱倍采高顶板碎厚层难冒顶板，松动破板倍采高，挑一倍采高顶直接顶厚不足挑：老顶倍采高，切断采空区上切：直接顶厚不足量让：裂隙带岩层，可缩支：垮落带岩层二、工作面支护强度的理论分析二、工作面支护强度的理论分析 支护强度支护强度：支架对单位面积顶板提供的工作阻力。1初撑力初撑力 现阶段应尽可能设法提高支柱的实际初撑力。一般条件下，支护设计中的支柱初撑力不应低于其额定初撑力的70一80。支护系统刚度大支柱密度大初撑力越大2支护密度支护密度式中：Pr合理支护强度，kPa；RT支柱实际支撑能力，kN/柱 a，b排、柱距（1）合理支护强度的确定）合理支护强度的确定（Pr）式中：fz垮落顶板悬顶系数
12、kPafhApzzzz，baRpnTr1 ,无悬顶时，fz1 支架控制老顶(裂隙带)所需合理支护强度主要考虑支架处在“给定变形”状态下工作所需的合理支护强度：式中：hE老顶岩层的厚度；L老顶岩梁断裂步距kiksizLXnLLnf0)1(21；kEETLLhAP2 （2）支柱有效支撑能力确定）支柱有效支撑能力确定（RT）指把顶板控制在要求的“位态”(以最大控顶距处的顶板下沉量表示)时，所有支柱所能达到的工作阻力平均值。3支护系统刚度支护系统刚度 指单位顶底板移近量所对应的支柱工作阻力增量，（kN/mm）。三、单体支柱工作面支护强度的实测统计三、单体支柱工作面支护强度的实测统计1单体支柱的支护强度
13、pH下限计算)1349.64.239(NLhCpfmkH4.12.1备用系数，一般kC2单体支柱的支柱密度选择（1）按直接顶稳定性确定支柱密度（2）按必需的支护强度验算支柱密度）按必需的支护强度验算支柱密度 式中 Q 单体支柱工作阻力，kN/柱；p 支护强度，kPa；Ns 支柱密度，根/m2。验算支柱密度，按下式计算：实测井下单体支柱实际工作阻力与额定初撑力相近，可用Q代替Q0，必须的初撑力支护强度p按p0计算：验算支柱密度：QNpsQpNs/3.788.1975.64.380cpmBLhp00/QpNs习题1回采工作面支柱的特性有几种？试比较其优缺点。2在工作面架设支架时，怎样才能做到充分发
14、挥支柱的工作特性？3试解释“支撑力顶板下沉量”（PL）曲线的实质。4已知某缓倾斜煤层工作面最大采高为2m，最小为1.6m，最大控顶距为4m，顶板为中等稳定，无插入底板现象，采煤机截深为0.6m，试选择单体支架的规格，并核算一下能否采用BZZC四柱垛式支架（注：BZZC的支柱最高1950mm，最低为1205mm，顶梁厚65mm）。5从支撑式支架的结构特点，试分析其适用条件。6试述支撑式支架在管理破碎顶板中主要存在的问题，以及各种护顶方法的优缺点。7试解释为什么支撑式支架后柱受力可能小于前柱，而单体支柱在一般情况下，总是后排柱大于前排柱？8试从掩护式液压支架的结构特征及受力分析，简述其适用条件。9试从支撑掩护式液压支架的结构特征及受力分析，简述其适用条件。
