《采场顶板支护方法》PPT课件.ppt

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1、采场顶板支护方法采场顶板支护方法51第一节顶板分类与底板特征第一节顶板分类与底板特征一、采场矿山压力控制的概念一、采场矿山压力控制的概念矿压控制的目的：矿井的安全生产。矿压控制的目的：矿井的安全生产。采场矿山压力控制：从狭义的角度看，包括采空区的处采场矿山压力控制：从狭义的角度看，包括采空区的处理和工作面支护。理和工作面支护。主要是控制老顶岩层的活动规律，使其不危及到工作面主要是控制老顶岩层的活动规律，使其不危及到工作面的安全。的安全。2对于全部冒落法处理采空区：对于全部冒落法处理采空区：“煤壁支架采空区煤壁支架采空区已冒落的矸石已冒落的矸石”构成对采场上覆岩层的支撑体系。支构成对采场上覆岩层

2、的支撑体系。支架位于刚性体和可缩体之间。架位于刚性体和可缩体之间。采场支架处于采场支架处于“老顶直接顶支架底板老顶直接顶支架底板”体系中，体系中，顶底岩层的性质是关键。顶底岩层的性质是关键。支架应达到：一定的可缩量和支撑阻力。支架应达到：一定的可缩量和支撑阻力。3直接顶是支架直接维护的对象，支架通过它对老顶进行直接顶是支架直接维护的对象，支架通过它对老顶进行控制。控制。直接顶的完整程度直接顶的完整程度直接影响工作面安全和支护方直接影响工作面安全和支护方式的选择。式的选择。影响直接顶完整性的两个因素：影响直接顶完整性的两个因素：岩层的力学性质（抗拉、岩层的力学性质（抗拉、抗压强度，弹模等）和岩层

3、内节理裂隙的发育情况（原抗压强度，弹模等）和岩层内节理裂隙的发育情况（原生裂隙、构造裂隙、压裂裂隙等）。生裂隙、构造裂隙、压裂裂隙等）。对直接顶进行支护对直接顶进行支护,应保证支架能支撑住全部直接顶重量应保证支架能支撑住全部直接顶重量,同时能护住破碎的直接顶。即同时能护住破碎的直接顶。即所谓的所谓的“支护支护”。二、对直接顶的分类二、对直接顶的分类4直接顶的各类裂隙图直接顶的各类裂隙图5破碎顶板：支护不及时容易造成局部冒顶。破碎顶板：支护不及时容易造成局部冒顶。中等稳定顶板：虽有裂隙切割，但极相对完整。中等稳定顶板：虽有裂隙切割，但极相对完整。完整顶板：悬露面积大，稳定性好，不易发生局部完整顶

4、板：悬露面积大，稳定性好，不易发生局部冒顶。冒顶。按直接顶的稳定性分类（定性）按直接顶的稳定性分类（定性）6直接顶端面破碎度：指支架前梁端部到煤壁间顶板破碎的直接顶端面破碎度：指支架前梁端部到煤壁间顶板破碎的程度。如下式：程度。如下式：当端面距为当端面距为1m时的端面破碎度称为顶板冒落灵敏度（我国时的端面破碎度称为顶板冒落灵敏度（我国也称为破碎指数）。也称为破碎指数）。分为分为3 3类：类：1类类E30%不稳定顶板不稳定顶板2类类11%E30%中等稳定顶板中等稳定顶板3类类E5无周期来压或来压不明显顶板无周期来压或来压不明显顶板级级23N35,5,来压不明显来压不明显来压不明显来压不明显II.

5、II.级级级级 0.3N30.3N35 5,L=25L=2550m50m 来压明显来压明显来压明显来压明显III.III.级级级级 0.3N30.3L50m50m 来压强烈来压强烈来压强烈来压强烈 N0.3,L=25N0.3,L=2550m50m 来压强烈来压强烈来压强烈来压强烈IV.IV.级级级级 N0.3N0.3或者或者或者或者LL50m50m 来压极强烈来压极强烈来压极强烈来压极强烈13新的老顶分级方案及其指标新的老顶分级方案及其指标14四、底板特征与分类四、底板特征与分类底板控制涉及到破坏（水）底板控制涉及到破坏（水）和支架系统二个主要方和支架系统二个主要方面。面。采场支护系统的刚度是

6、由采场支护系统的刚度是由“底板支架顶板底板支架顶板”所组成，因此底板岩层所组成，因此底板岩层的刚度将直接影响到支的刚度将直接影响到支架性能的发挥。架性能的发挥。支架与围岩体系刚度模型支架与围岩体系刚度模型15底板比压：支架底座对单位面积底板上所造成的压力。底板比压：支架底座对单位面积底板上所造成的压力。极限底板比压：支架钻底时所允许的最大底板比压。极限底板比压：支架钻底时所允许的最大底板比压。支柱钻底的破坏形式有以下三种：支柱钻底的破坏形式有以下三种：整体剪切局部剪切其他剪切穿鞋破坏整体剪切局部剪切其他剪切穿鞋破坏支架对底板的破坏形式支架对底板的破坏形式16按极限底板比压将底板分为按极限底板比

7、压将底板分为5类：类：17第二节第二节 采场支架类型与支架力学特性采场支架类型与支架力学特性一、几个概念一、几个概念单体支柱：单体支柱：单体支柱：单体支柱：支柱与顶梁是分开的。支柱与顶梁是分开的。支柱与顶梁是分开的。支柱与顶梁是分开的。液压支架：液压支架：液压支架：液压支架：顶梁、支柱、底座联合为一个整体。顶梁、支柱、底座联合为一个整体。顶梁、支柱、底座联合为一个整体。顶梁、支柱、底座联合为一个整体。木支柱木支柱金属摩擦支柱金属摩擦支柱液压支柱液压支柱18P0初撑力：支架架设时，将活柱升起，托住顶梁时对顶初撑力：支架架设时，将活柱升起，托住顶梁时对顶板产生的一个主动力。板产生的一个主动力。P0

8、始动阻力：在顶板压力作用下，活柱开始下缩的瞬间始动阻力：在顶板压力作用下，活柱开始下缩的瞬间支柱上所反映出来的力。也称为支柱阻力。支柱上所反映出来的力。也称为支柱阻力。P1初工作阻力：指在支架的性能曲线中，活柱下缩时，初工作阻力：指在支架的性能曲线中，活柱下缩时，工作阻力增长率急剧增长转为缓慢增长的转折点处的阻力。工作阻力增长率急剧增长转为缓慢增长的转折点处的阻力。P2最大工作阻力：支柱所能承受的最大负载能力，又称最大工作阻力：支柱所能承受的最大负载能力，又称为额定工作阻力。为额定工作阻力。有关支柱的撑力及工作阻力的关系有关支柱的撑力及工作阻力的关系19支柱的几种典型特性曲线支柱的几种典型特性

9、曲线急增阻式微增阻式恒阻式急增阻式微增阻式恒阻式20二、单体液压支柱的结构与特性二、单体液压支柱的结构与特性分为：内分为：内注式和外注式和外注式注式21三、液压支架的分类三、液压支架的分类221、支撑式：结构、支撑式：结构上没有掩护梁，对上没有掩护梁，对顶板的作用是支撑。顶板的作用是支撑。包括四柱垛式、六包括四柱垛式、六柱垛式以及节式等。柱垛式以及节式等。23支撑式支架顶梁后端支撑力大于前端，支撑力合力远离前梁端支撑式支架顶梁后端支撑力大于前端，支撑力合力远离前梁端部。因此，适应直接顶较完整，若周期来压又较强烈则更适应。部。因此，适应直接顶较完整，若周期来压又较强烈则更适应。由于支架结构不能抗

10、水平推力，当顶板特别坚硬时破断形成的由于支架结构不能抗水平推力，当顶板特别坚硬时破断形成的强大的水平推力又会损坏支撑式支架。不适用于破碎顶板条件。强大的水平推力又会损坏支撑式支架。不适用于破碎顶板条件。支撑式支架的应用分析支撑式支架的应用分析242、掩护式：结构上有掩护梁，单排立柱连接掩护梁或、掩护式：结构上有掩护梁，单排立柱连接掩护梁或直接支撑顶梁对顶板起支撑作用。直接支撑顶梁对顶板起支撑作用。253、支撑掩护式：结构上有掩护梁，双排或多排立柱、支撑掩护式：结构上有掩护梁，双排或多排立柱大部或全部通过顶梁对顶板起支撑作用。大部或全部通过顶梁对顶板起支撑作用。26兼有支撑式与掩护式支架的优点，

11、是兼有支撑式与掩护式支架的优点，是支撑与掩护式两种架型的组合。支撑与掩护式两种架型的组合。我国目前综采面液压支架架型我国目前综采面液压支架架型90以以上为支撑掩护式。上为支撑掩护式。综采面割煤、移架、推移输送机三个综采面割煤、移架、推移输送机三个主要工序按不同顺序有两种配合方式：主要工序按不同顺序有两种配合方式：及时支护方式和滞后支护方式。及时支护方式和滞后支护方式。支撑掩护式支架的应用分析支撑掩护式支架的应用分析27我国自行设计与制造的支顶式掩护支架，这种支架消灭了掩护梁我国自行设计与制造的支顶式掩护支架，这种支架消灭了掩护梁与托梁间的三角区，提高了掩护梁的坡度，缩短了掩护梁的长度，与托梁间

12、的三角区，提高了掩护梁的坡度，缩短了掩护梁的长度，同时还改善了底座与底板间的受力情况。同时还改善了底座与底板间的受力情况。28五、单体支架支护方式分析五、单体支架支护方式分析291、带帽点柱支护：无顶梁，直接顶比较完整时使用。、带帽点柱支护：无顶梁，直接顶比较完整时使用。带帽点柱的布置方式带帽点柱的布置方式302、棚子支护单体支柱加铰接顶梁：、棚子支护单体支柱加铰接顶梁：主要用于直接顶为中等稳定或比较破主要用于直接顶为中等稳定或比较破碎的情况下。碎的情况下。313、机组工作面单体支架布置、机组工作面单体支架布置1 1接头；接头；2 2梁体；梁体；3 3耳子；耳子；4 4销子；销子；5 5调角楔

13、；调角楔；HDJAHDJA型金属顶梁型金属顶梁32正悬臂：正悬臂：机道可以支机道可以支护，安全好，采空区侧护，安全好，采空区侧不易损折。不易损折。倒悬臂：倒悬臂：回柱时不易回柱时不易被矸石埋住，回柱较安被矸石埋住，回柱较安全，但机道无支护。全，但机道无支护。机组工作面的悬臂支护机组工作面的悬臂支护悬梁与支柱的关系悬梁与支柱的关系33齐梁式支护：是指悬梁端与工作面相齐，齐梁式支护：是指悬梁端与工作面相齐，支柱排成直线状。一般都采用正悬臂式支支柱排成直线状。一般都采用正悬臂式支护护。错梁式支护：截深是顶梁长度的一半。每错梁式支护：截深是顶梁长度的一半。每进一刀，隔一架棚挂一根梁。顶梁交错向进一刀，

14、隔一架棚挂一根梁。顶梁交错向前。错梁直线柱布置方式如图所示。顶梁前。错梁直线柱布置方式如图所示。顶梁交错使用正、倒悬臂，支柱呈直线状。交错使用正、倒悬臂，支柱呈直线状。支架的布置方式支架的布置方式34第三节第三节 采场支架与围岩相互作用原理采场支架与围岩相互作用原理一、回采面支架与围岩的相互作用一、回采面支架与围岩的相互作用横向看，上覆岩层形成的横向看，上覆岩层形成的“大结构大结构”是由是由“煤壁支架煤壁支架采空区已冒落矸石采空区已冒落矸石”支撑体系所支撑。支撑体系所支撑。垂直方向看：采场支架处垂直方向看：采场支架处“老顶直接顶支架底板老顶直接顶支架底板”这样的围岩体系中。这样的围岩体系中。因

15、此，支架与围岩关系的研究十分重要。因此，支架与围岩关系的研究十分重要。支架与围岩体系刚度模型支架与围岩体系刚度模型支架的性能和结构对支架受力和围岩运动是怎样影响的呢支架的性能和结构对支架受力和围岩运动是怎样影响的呢？以及在各种围岩条件下支架呈现什么反映呢？这就是？以及在各种围岩条件下支架呈现什么反映呢？这就是支架与围岩关系研究的内容。支架与围岩关系研究的内容。不同种类的支架对围不同种类的支架对围岩的支护效果不一样，岩的支护效果不一样，相同的支架在不同的相同的支架在不同的围岩条件下，其受力围岩条件下，其受力状态和对围岩的支护状态和对围岩的支护效果也不同。效果也不同。36支架围岩相互作用的特点：支

16、架围岩相互作用的特点：支架围岩是相互作用的一对力。支架围岩是相互作用的一对力。支架受力大小及其在回采工作面分布的规律与支支架受力大小及其在回采工作面分布的规律与支架性能有关。还与支架与围岩支撑系统的总体特架性能有关。还与支架与围岩支撑系统的总体特性有关。性有关。支架结构及尺寸不同对顶板压力影响和维护效果支架结构及尺寸不同对顶板压力影响和维护效果不同。不同。37支架支架PL关系曲线（实测）关系曲线（实测）可以看出，支架围岩关系具有一定的复杂性，但也具有一可以看出，支架围岩关系具有一定的复杂性，但也具有一定的普遍规律。定的普遍规律。a前苏联前苏联b英国英国c德国德国38超过一定工作阻超过一定工作阻

17、力时，阻力增加力时，阻力增加对顶板下沉量影对顶板下沉量影响较小。支架工响较小。支架工作阻力并不能改作阻力并不能改变上覆岩层变上覆岩层“大大结构结构”的总体活的总体活动规律。动规律。支架支架PL关系曲线（调压试验）关系曲线（调压试验）支架应具备的基本特性：一是必须具备一定的可缩量；二支架应具备的基本特性：一是必须具备一定的可缩量；二是必须具备有良好的支撑性能，即一定的工作阻力。这也是必须具备有良好的支撑性能，即一定的工作阻力。这也是支架选型与支护设计中最主要的。是支架选型与支护设计中最主要的。39二、支架围岩支护系统的力学分析二、支架围岩支护系统的力学分析该系统受力与变形的协调方该系统受力与变形

18、的协调方程为：程为：图图544支架与围岩体支架与围岩体系刚度模型系刚度模型K系统的组合刚度系统的组合刚度S系统总变形量系统总变形量P系统阻力增量系统阻力增量P0系统初撑力系统初撑力40（1）在顶板下沉量）在顶板下沉量S一定时，一定时，K越大，支架的载荷越大。越大，支架的载荷越大。（2）K小于小于Kr、Ks、Kf，为了提高系统刚度，必须同时提，为了提高系统刚度，必须同时提高高Kr、Ks、Kf。相同支柱，由于。相同支柱，由于Kr、Kf不同，且受力大小不同，且受力大小也不同。也不同。（3）支架变形量在系统总体变形中所占比重，取决于顶）支架变形量在系统总体变形中所占比重，取决于顶底板刚度与支架刚度的相

19、对大小，支架刚度相对越小，则底板刚度与支架刚度的相对大小，支架刚度相对越小，则支架的变形量越大。支架的变形量越大。41第四节第四节 采场支护设计采场支护设计42确定支架类型确定支架类型确定支架类型确定支架类型:一、支架规格的选定一、支架规格的选定单体支架单体支架单体支架单体支架液压支架液压支架液压支架液压支架支撑式支撑式掩护式掩护式支撑掩护式支撑掩护式确定架型后主要是选定支架高度和可缩量。确定架型后主要是选定支架高度和可缩量。确定架型后主要是选定支架高度和可缩量。确定架型后主要是选定支架高度和可缩量。43确定确定直接顶直接顶类型；类型；根据根据老顶岩石力学老顶岩石力学特性及矿压显现特征确定其级

20、别；特性及矿压显现特征确定其级别；根据根据底板岩性底板岩性及底板抗压入强度和刚度测定结果，确及底板抗压入强度和刚度测定结果，确定底板类型；定底板类型；根据实测数据计算额定工作阻力或根据采高、控顶宽根据实测数据计算额定工作阻力或根据采高、控顶宽度及周期来压步距，估算度及周期来压步距，估算支架所需的支护强度和阻力支架所需的支护强度和阻力；根据顶底板类型、级别及采高，初选所需的额定支护根据顶底板类型、级别及采高，初选所需的额定支护强度，初选支架型式；强度，初选支架型式；二、自移支架的选型顺序二、自移支架的选型顺序44考虑工作面风量，行人断面，煤层倾角，修正考虑工作面风量，行人断面，煤层倾角，修正架型

21、及参数；架型及参数；考虑采高、煤壁片帮考虑采高、煤壁片帮(煤层硬度和节理煤层硬度和节理)的倾向性的倾向性及顶板端面冒落度，确定及顶板端面冒落度，确定顶梁及护帮结构顶梁及护帮结构；考虑煤层倾角及工作面推进方向，确定侧推结考虑煤层倾角及工作面推进方向，确定侧推结构及参数；构及参数；根据底板抗压入强度，确定支架底座结构参数根据底板抗压入强度，确定支架底座结构参数及对架型参数的要求；及对架型参数的要求；利用支架参数优化程序利用支架参数优化程序(考虑结构受力最小考虑结构受力最小)，优化支架结构。优化支架结构。45首先确定煤层的最大采高首先确定煤层的最大采高Mmax及最小采高及最小采高Mmin；确定顶板在

22、最大控顶距处的平均最大下沉量确定顶板在最大控顶距处的平均最大下沉量SL,支架最支架最大可缩量必须大于此值；大可缩量必须大于此值；求支柱最大高度求支柱最大高度Hmax=Mmaxb b顶梁厚度；顶梁厚度；求支柱的最小高度求支柱的最小高度HminMminSLbaa支柱回柱支柱回柱放顶时必要的卸载高度放顶时必要的卸载高度,一般取一般取50mm；根据顶板最大下沉量根据顶板最大下沉量SL,确定支柱的型号确定支柱的型号。三、单体支架规格选定的方法及步骤三、单体支架规格选定的方法及步骤46确定最大采高确定最大采高Mmax及最小采高及最小采高Mmin；确定支架最大采高时前柱的顶板下沉量确定支架最大采高时前柱的顶

23、板下沉量S1；确定最小采高时后柱顶板最大下沉量确定最小采高时后柱顶板最大下沉量S2；确定支架最大、最小高度确定支架最大、最小高度：Hmax=Mmax S1 HminMminS2 aa支架卸载高度，一般取支架卸载高度，一般取50mm四、液压支架规格的选定方法四、液压支架规格的选定方法47支架合理工作阻力。对支架围岩系统而言：支架合理工作阻力。对支架围岩系统而言：PP0KS P0初撑力初撑力可见，提高可见，提高P0有利预先压实顶底板，提高系统刚度，提高有利预先压实顶底板，提高系统刚度，提高工作阻力工作阻力P，降低顶板下沉量，降低顶板下沉量S。因此，要保证支架对顶板的有效支护，要有合适的初撑力。因此

24、，要保证支架对顶板的有效支护，要有合适的初撑力。工作面合理工作阻力的确定包括初撑力、最大工作阻力。工作面合理工作阻力的确定包括初撑力、最大工作阻力。48第五节采场来压预测与支护质量监测第五节采场来压预测与支护质量监测一、老顶来压的预测预报一、老顶来压的预测预报老顶破断距可理论计算，且断裂是裂缝形成、扩展的时间过老顶破断距可理论计算，且断裂是裂缝形成、扩展的时间过程；断裂线处于工作面前方煤壁内，与工作面全面来压之间程；断裂线处于工作面前方煤壁内，与工作面全面来压之间存在时间差。存在时间差。老顶断裂会引起断裂线前方出现老顶断裂会引起断裂线前方出现“反弹反弹”与与“压缩压缩”现象，现象，两侧巷道内也

25、会出现。两侧巷道内也会出现。故在两巷中采用测压的办法来捕捉反弹与压缩振动信息。故在两巷中采用测压的办法来捕捉反弹与压缩振动信息。49柴里煤矿柴里煤矿2322面老顶来压预报道测站布置面老顶来压预报道测站布置50老顶初次断裂信息与来压的关系老顶初次断裂信息与来压的关系51实测反弹信息位置与老顶断裂线判断实测反弹信息位置与老顶断裂线判断52二、采场顶板支护质量监测二、采场顶板支护质量监测单体液压支柱工作面支护质量监测内容及指标：支护参数、单体液压支柱工作面支护质量监测内容及指标：支护参数、顶板状态参数以及顶板动态。顶板状态参数以及顶板动态。基本支护参数有：支柱初撑力、支柱末阻力与支柱下缩基本支护参数

26、有：支柱初撑力、支柱末阻力与支柱下缩量、支柱钻底量等。量、支柱钻底量等。顶板状态参数：顶底移近量，顶板台阶下沉量，以及端顶板状态参数：顶底移近量，顶板台阶下沉量，以及端面冒高等。面冒高等。顶板动态：主要指老顶来压和顶板的断裂情况。顶板动态：主要指老顶来压和顶板的断裂情况。53综采工作面支护质量监测：支架支护质量（支架的支护阻综采工作面支护质量监测：支架支护质量（支架的支护阻力、支架的梁端距、位态，包括顶梁的仰俯角、支架立柱力、支架的梁端距、位态，包括顶梁的仰俯角、支架立柱的倾斜角等）和控顶效果（端面顶板冒落高度、宽度及倾的倾斜角等）和控顶效果（端面顶板冒落高度、宽度及倾斜长度，煤壁片帮深度及倾斜长度等）。斜长度，煤壁片帮深度及倾斜长度等）。监测方法主要是在工作面布置监测线，通过在线监测方法监测方法主要是在工作面布置监测线，通过在线监测方法将监测数据直接由井下传输到地面调度室和各职能部门，将监测数据直接由井下传输到地面调度室和各职能部门，监测结果由分析软件自动分析处理，实现了实时动态监测。监测结果由分析软件自动分析处理，实现了实时动态监测。54支支护护质质量量监监测测日日报报表表55