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第六章 回采工作面顶板控制设计

第六章 回采工作面顶板控制设计. 本章提要. 6.1 合理支护强度的确定 6.2 支架工作特性及实际支撑能力的确定 6.3 控制设计 6.4 常见顶板事故的控制. 6.1 合理支护强度的确定. 直接顶初次跨落期间. 支的准则. 把直接顶安全地切落. 力学保证条件. 支架至少能承担起直接顶初次垮落步距一半的重力. 支护强度. 基本顶初次来压期间. (1) 支的准则 ①防止直接顶向采空区推垮； ②让基本顶缓慢沉降到要求的位态（防止冲击）； ③保证支架不被压死；

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第六章 回采工作面顶板控制设计

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  1. 第六章 回采工作面顶板控制设计

  2. 本章提要 • 6.1 合理支护强度的确定 • 6.2 支架工作特性及实际支撑能力的确定 • 6.3 控制设计 • 6.4 常见顶板事故的控制

  3. 6.1 合理支护强度的确定 • 直接顶初次跨落期间 支的准则 把直接顶安全地切落 力学保证条件 支架至少能承担起直接顶初次垮落步距一半的重力 支护强度

  4. 基本顶初次来压期间 (1) 支的准则 ①防止直接顶向采空区推垮； ②让基本顶缓慢沉降到要求的位态（防止冲击）； ③保证支架不被压死； ④对可能发生剪切的采场，应采取特殊的处理方法，并进行采场来压预报。 (2) 力学保证条件 ①增加支柱初撑力和工作阻力，使直接顶和基本顶紧贴； ②支架能在不被压死的情况下，承担起基本顶的部分作用力和全部直接顶的作用力。

  5. 支护强度计算 初次来压步距 容重 基本顶厚度 岩重分配系数 表6.1 KT选取表

  6. N≤1 且直接顶很薄 坚硬基本顶来压猛烈 基本顶的作用力越来越小 N≤2.5且采空区充填一般 2.5<N≤5且采空区基本充填满 不考虑基本顶的作用力

  7. 当悬顶距 时 当悬顶距 时 长悬顶触矸后，直接顶给支架的作用力由下式给出，

  8. 正常推进阶段 (1) 支的准则 ① 在类拱结构采场，防止类拱在煤壁处切落（见图6.1）； ② 梁式结构采场防止基本顶来压出现大的台阶下沉和冲击； ③ 多岩层结构采场防止上位岩梁对下位岩梁的冲击； ④ 防止支架压死。 图6.1 类拱在煤壁处的切落位置 （沿AB、CD线）

  9. 类拱结构采场 能支撑直接顶和悬垮度一半的重量 给定变形 能支撑直接顶并能承担部分基本顶的作用力 限定变形 能支撑与要求控制的顶板下沉量对应的基本顶悬垮度的部分及 直接顶的全部作用力

  10. (3) 支护强度 ①类拱结构 ②“给定变形”

  11. ③“限定变形” ④多岩梁结构 • 合理强度的确定 根据前面按“支的准则”和“防滑准则”计算的支护强度，取其中的最大值为合理支护强度。

  12. 6.2 支架工作特性及实际支撑能力的确定 • 支架分类 图6.5 支架分类

  13. 支架的工作特性 (1) 单体支柱 单体支架由顶梁和支柱组成。它的工作特性主要取决于单体支柱的工作特性和辅助结构的压缩特性。 ①木支柱 图6.3 木支柱特性曲线 (1-支柱直接架设在顶板上；2—支柱带有8cm厚可缩垫木)

  14. 1.底座 11.托板 2.柱筒 12.螺母 3.活柱 13.调整螺钉 4.铰接顶盖 14.螺钉 5.锁体 15.垫圈 6.滑块 16.挡块 7.楔块 17.左摩擦板 8.水平楔 18.右摩擦板 9.弹簧 19.卡块 10.特制垫圈 20.卡箍 ②金属摩擦支柱 图6.4 HZWA型金属支柱结构图

  15. 图6.5 HZWA型支柱特性曲线 (S1-自由夹紧时的可缩量；S2-最大工作阻力时的可缩量)

  16. ③单体液压支柱 分内注式和外注式两种。（内循环外加载） (1)内注式 一般初撑力为5~7t。 (2)外注式 外注式初撑力取决于泵站压力与升柱质量。 图6.6单体液压支柱工作特性曲线

  17. 1.柱体 2.活柱 3.活塞头 4.泵 5.安全阀与卸载阀 6.上顶盖 7.下柱座 8.支柱底腔 9.通道 图6.7 内注式单体液压支柱

  18. 1.顶盖 2.三用阀 3.活柱体 4.油缸 5.复位弹簧 6.活塞 7.底座 8.卸载手把 9.注液枪 10.泵站供液 11.注液时操纵手把方向 12.卸载时动作方向 图6.8 外注式单体液压支柱

  19. (2) 液压支架 图6.9 架型划分图

  20. (e)急斜特厚水平分段放顶煤支架 急斜特厚水平分段放顶煤支架，同样有高位、中位及低位放顶煤支架三种： （Ⅰ）YFY 160(200)—16/26轻型掩护式单输送机放顶煤支架 （Ⅱ）FYC 400及ZFS 3000型双输送机中位放顶煤支架 （Ⅲ）FY 280—14/28型双输送机低位插板式放顶煤支架 • 支架的实际支撑能力 (1)单体支柱实际支撑能力 ①影响单体支柱支护能力的因素 (a)直接顶底板强度(见图5.22a） (b)辅助支护结构压缩(见图5.22b)

  21. (a) (b) 图6.10 松树矿与林西矿支柱工况测定

  22. (c)支设质量 (d)支柱承载不均 图6.12 浮煤对支柱工况的影响 (Ⅰ—第一观测线；Ⅱ—第二观测线) 图6.121不同紧楔程度支柱工况 (1—水平楔打的紧；2—水平楔未打紧) ②单体支柱实际支撑能力计算方法 实际支撑力计算公式:

  23. 最小值 载荷平均值 每一条观测线的承载不均匀系数 阻力平均值 测循环数 (a)不同列支柱承载不均匀系数 ( KB ) 反映了不同列支柱因支柱质量、辅助结构压缩等影响造成的各排之间承载能力上的差别。

  24. 载荷的平均值 活柱缩量（ ）对应的工作阻力 (b)微增阻系数( KZ ) （Ⅰ）微增阻支柱工作特性 图6.13 微增阻支柱特性曲线

  25. 图6.14 不同下 — 关系曲线 （Ⅱ）单体液压支柱 工作特性见图5.12， 一般在0.9～1之间。 (c)是指处于最末控顶排支柱回撤时的阻力。

  26. 式中—顶板下沉量，mm； —支柱钻底量，mm； —背板等辅助结构压缩量，mm。 e d 式中—液压支架的实际支撑能力，N/架； —液压支架承载不均匀系数； —液压支架增阻系数； —液压支架额定工作阻力，N/架。 (2)液压支架实际支撑能力

  27. 5.4 控制设计 直接顶的完整性 成组节理裂隙的方向 ①基本支护方式的确定 倾角 顶板压力

  28. (1)合理支柱密度计算 ①顶板支和护的关系 “支” 重点是基本顶和坚硬直接顶 煤层上0.5m范围内的直接顶或伪顶 “护” 应既能保证“支”住顶板压力又能保“护”住下位直接顶的“棚间”破碎岩体。 “支”“护”关系 ②合理支柱密度的计算 采场各推进阶段的顶板压力，KN/m2 (a)支密度的计算 支密度根/m2 支柱实际支撑能力KN/根

  29. (b)护密度的确定 主要由直接顶（包括伪顶）的完整性指数和护顶材料的强度决定。 同样顶板条件采场，护密度可因护顶材料的不同而不同。 所选棚距应保证不因护顶材料强度不足而发生冒顶事故及金属网下不出现网兜。 护顶的准则 护顶材料能托住两棚间破碎岩体的重量 力学保证条件

  30. (1)综采工作面支架选型 (2)综采放顶煤工作面支架选型 分类 6.3 控制设计 • 综采综放工作面选型 (1)综采工作面支架选型 ①液压支架选型的内容和要求 针对具体顶板类型和顶板岩层组成情况选择不同的支架类型

  31. 6.3 控制设计 ②影响选型的因素和顺序

  32. 系统分析比较法 根据矿山地质条件分析、比较、决定支架各部分的类型及参数 (a)根据直接顶、基本顶 (b)“三软”煤层 (c)根据煤厚、变化范围及其规则程度 (d)煤层倾角数据 (e)底板抗压入强度及平整程度 (f)瓦斯含量及释放方式-通风 (g)全矿井内地质构造情况-断层 ①短顶梁的支掩式托梁掩护支架 ②顶板全封闭方式的支顶式掩护支架 6.3 控制设计 ③液压支架选型方法 液压支架选型原则：

  33. 6.3 控制设计 ④液压支架合理工作阻力的确定方法 (a)国外液压支架合理工作阻力的确定 （Ⅰ）岩石自重法 （Ⅱ）顶底板移近量法 顶底板移近量与支架支护强度存着双曲线关系，可导找两者变化的等速点，据此确定支架的工作阻力，各国的差别仅在于考虑的影响因素 （Ⅲ）统计法 通过对比支架支护强度、顶板垮落高度和顶底板移近量等指标，获得合理的支架支护强度的经验数据。

  34. 原因 煤壁线附近的冒顶事故 放顶线附近的局部冒顶 工作面两端头的冒顶事故 地质破坏带附近的局部冒顶 未能及时支护已破坏的顶板 发生在单体支柱工作面回柱操作过程中 6.4常见顶板事故的控制 按发生地点 • 回采工作面局部冒顶 顶板事故分类

  35. 底板失稳引起的顶板事故 (1)急倾斜和倾斜煤层开采底板抽冒和滑动 分类 (2)软底采场垮面事故 (3)深埋采场底板变形垮面事故

  36. (1)急倾斜和倾斜煤层开采底板抽冒和滑动 图6.15 软弱或破碎底板滑动或抽冒引起的支护系统失稳

  37. 推进方向 (2)软底采场垮面事故 图6.16 软底采场垮面事故

  38. (3)深埋采场底板变形垮面事故 图6.17 深部开采压垮型事故

  39. 厚煤层对采压垮事故 近距离煤层顶层煤柱下开采垮面事故 • 应力集中型顶板事故 (1)厚煤层对采压垮事故 图6.18 厚煤层对采压垮事故

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