第五章 采场顶板支护方法.docx

第五章采场顶板支护方法第一节顶板分类与底板特征一、对直接顶的分析直接顶的完整程度取决于两个因素：一个是岩层本身的力学性质，另一个是直接顶岩层内由各种原因造成的层理和裂隙的发育情况以直接顶的初次垮落步距L0作为直接顶分类的工程指标，并将初次垮落步距L0 ≥16 ~ 20 m的顶板称为稳定顶板，把L0 ≤8 m的顶板称为不稳定顶板，对L0 = 9～15 m之间的顶板则称为中等稳定顶版西德埃森采矿研究中心提出端面破碎度是指支架前粱端部到煤壁间顶板破碎的程度，即破碎度以％表示式中FA为破碎的面积，F为整个梁端到工作面煤壁的面积但一般冒高超过5 ~ 10 cm的面积才计入破碎面积根据西德鲁尔区的大量测定，可将该区的顶板分为三大类：一类为E = 0～10％；二类为E = 11%～30％，三类为E > 30％对于第三类，则无论从支架设计及生产管理上均应使端面距尽可能地小，以防止顶板冒落这三类端面距与顶板破碎度的关系如图5-1所示图5-1 端面距与顶板破碎度的关系二、对基本顶的分析在基本顶原分类中引入了直接顶厚度hi与煤层采高hm的比值N，N=hi/ hm分类认为：Ⅰ．N> 5，这时基本顶的垮落与错动对工作面支架无多大影响，称为无周期来压或周期来压不明显的顶板。

Ⅱ．2 < N< 5，这时基本顶的失稳对工作面支架有较为严重的影响，称为有周期来压的顶板Ⅲ．N< 2，甚至没有直接顶这时，基本顶的悬露与垮落都将对工作面支架有严重的影响称为周期来压严重的顶扳Ⅳ．基本顶特别坚硬，又无直接顶这时顶板常在采空区内悬露上万平方米而不垮落当其垮落时，则形成暴风，顶板往往沿工作面切落，造成事故这类顶板称为极坚硬顶板由于大面积坚硬顶板难以处理，长时期来，仍然只能使用煤柱支撑法来管理这类顶板，即每采一定距离后，采空区内留一段煤柱，以防止顶板冒落显然，这种方法将造成很大的煤损，且不利于使用综合机械化采煤但通过多年研究和实践，采用爆破放落部分顶板，或用注入高压水使顶板软化等办法处理顶板，已可基本控制大面积顶板垮落对工作面造成的严重威胁这些将在第十章加以进一步叙述Ⅴ．能塑性弯曲的顶板赋存在煤层之上的顶板，随着工作面的推进能缓慢下沉，而后逐渐与煤层底板相接触这种情况的形成，显然与顶板岩层的性质，采高及岩层厚度有关一般只可能在薄煤层或厚度不大的中厚煤层的石灰岩顶板中才出现三、顶板分类方案及其指标表5-1直接顶分类指标及参考要素类别1类不稳定顶板2类中等稳定顶板3类稳定顶板4类非常稳定顶板1a1b2a2b基本指标τr≤44<τr≤88<τr≤1212<τr≤1818<τr≤2828<τr≤50岩性和结构特征泥岩、泥页岩、节理裂隙发育或松软泥岩、碳质泥岩、节理裂隙较发育致密泥岩、粉砂岩、砂质泥岩、节理裂隙不发育砂岩、石灰岩、节理裂隙很少致密砂岩、石灰岩、节理裂隙极少主要力学参数参考区间综合弱化常量CZ=0.163±0.064CZ=0.273±0.09CZ=0.30±0.12CZC=0.43±0.157CZC=0.48±0.11单向抗压强度RC=27.94±10.75RC=36±25.75RC=46.3±20RC=65.3±33.7RC=89.4±32.6分层厚度h0=0.26±0.125h0=0.285±0.13h0=0.51±0.355h0=0.675±0.34h0=0.72±0.34等效抗弯能力RC h0<7.52RC h0=2.9~11.4RC h0=7.8~29.1RC h0=33~104RC h0=45.5~139.4注：参考指标中，CZ、RC、h0均为该类顶板各煤层相应参数的平均值加减均方差。

表5-2基本顶分级指标基本顶分级ⅠⅡⅢⅣ基本顶来压显现不明显明显强烈非常强烈ⅣaⅣb分级指标≤895895<≤975975<≤10751075<≤1145>1145四、底板特征底板岩层在矿山压力控制中涉及两类问题：其一是煤层开采后引起的底板破坏，其范围将与开采范围及采空区周围的支承压力分布有关，由于底板的破坏可能导致地下水分布的变化，如我国华北地区许多煤层的底板为奥陶纪石灰岩，富含水性，煤层开采后底板的变形破坏可能引起突水等事故，因此必须研究开采后的底板破坏规律；另一方面从采场支护系统而言，支护系统的刚度是由“底板—支架—顶板”所组成，因此底板岩层的刚度将直接影响到支护性能的发挥，由于单体支柱的底面积仅100cm2，在底板比较松软的情况下，支柱很容易插入底板，从而影响对顶板的控制图5-2 工作面实测支柱载荷与支柱穿底量关系此处应指出，底鞋不宜采用木材，因为木材的横向抗压强度甚小，只有3MPa左右，与软底板情况相近，因此抗插入能力差，效果不明显根据我国煤矿开采工作面底板对支柱的影响将底板进行了分类，如表5-3所示可根据此表选择支柱应具有的底面积表5-3 我国缓倾斜煤层工作面底板分类方案底板类别基本指标辅助指标参考指标一般岩性名称代号容许比压qc / MPa容许刚度Kc / MPa•mm-1容许穿透度βc/ mm-1容许单轴抗压强度Rc / MPa极软Ⅰ< 3.0< 0.035< 0. 20< 7.22充填砂、泥岩、软煤松软Ⅱ3.0~6.00.035~0.320.20~0.407.22~10.80泥页岩、煤较软Ⅲa6.0~9.70.32~0.670.40~0.6510.80~15.21中硬煤、薄层状页岩Ⅲb9.7~16.10.67~1.270.65~1.0815.21~22.84硬煤、致密页岩中硬Ⅳ16.1~321.27~2.761.08~2.1622.84~41.79致密页岩、砂质泥岩坚硬Ⅴ> 32> 2.76> 2.16> 41.79厚层砂质页岩、粉砂岩、砂岩第二节采场支架类型与支架力学特性一、概述回采工作面支架主要是由梁与柱组合而成的。

根据支柱和顶梁的配合关系，可将回采工作面支架分为两大类，即单体支架和液压支架由金属支柱和金属铰接顶梁组合而成的工作面支架称为单体支架，根据金属支柱的特性，又可将其分为摩擦式金属支架和单体液压支架，前者使用的支柱为摩擦式金属支柱，后者则为液压支柱液压支架是由支柱、底座与顶梁联合为一个整体的结构它以液压为动力，不仅能实现支设与回撤的自动化，而且使移溜等一系列工序也同时实现了机械化，充分减轻了繁重的体力劳动P’0 —初撑力支架支设时，将活柱升起，托住顶梁，利用升柱工具和锁紧装置使支柱对顶板产生一个主动力这个最初形成的主动力称为支柱的初撑力对于液压支柱，即是泵压所形成的支柱对顶板的撑力P0 —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称为始动阻力这种力是顶板压缩支柱形成的因此称为支柱的阻力P1 —初工作阻力指在支架的性能曲线中，活柱下缩时，工作阻力的增长率由急剧增长转为缓慢增长的转折点处的工作阻力P2 —最大工作阻力支柱所能承受的最大负载能力，又称额定工作阻力目前所使用支柱的工作特性有以下几种，如图5-12所示图5-3 支柱的几种典型特性曲线(P-ΔS曲线)(a) —急增阻式； (b)—微增阻式； (c)—恒阻式；P’0 —初撑力；P0 —始动阻力；P1 —初工作阻力；P2 —额定工作阻力或最大工作阻力。

急增阻式——支柱开始支设时，有一个极小的人为的初撑力P’0，当支柱在顶板压力作用下，活柱开始下缩时便形成了始动阻力P0，而后随着活柱下缩，工作阻力呈直线型急剧增加这种支柱可缩量较小其特性曲线见图5-3(a)微增阻声——同急增阻式一样，只具备有较小的初撑力与始动阻力但它随着活柱的下缩，工作阻力先有一个急剧增长过程当达到初工作阻力P1后，随着支柱的继续下缩，工作阻力的增长变得极为缓慢，一直到支柱的最大可缩量，也即是支柱的最大工作阻力时为止此类支柱具有较大的可缩量，其特性曲线见图5-3(b)恒阻式——当支柱安设后，随着活柱下缩，很快达到额定工作阻力，以后尽管活柱继续下缩，支柱的工作阻力保持不变，特性曲线见图5-3(c)从支柱工作阻力适应顶板压力的特点进行分析，显然，恒阻性能的支柱较为有利，急增式性能比较差但恒阻式支柱的结构比较复杂，成本较高急增阻式的结构简单，成本较低二、液压支柱的结构及特性液压支柱单独与顶梁配合支护顶板，称为单体液压支架它也可以与顶梁、底座以及移架千斤顶等组合而成为液压自移支架液压支柱是典型的恒阻性能支柱按其注油方式可分为内注油式与外注油式两种内注式液压支柱使用的工作介质是机油，它是通过摇动手把，操纵支柱内的手摇泵，把油从低压腔压入高压腔。

支撑过程中通过安全阀来保证支柱对顶板具有一个恒定的工作阻力回收时，打开卸载阀使高压腔内的油回到低压腔，活柱在自重作用下自动回缩图5－4为内注式液压支柱的简单结构图升柱时，操纵液压泵，无压油自活柱腔内通过吸油孔进入泵体再经活塞加压，自单向球阀压至柱体内这样使活柱上升当支柱超过额定工作阻力时，工作液由通道进入安全阀，使安全阀打开，保持工作阻力恒定支柱卸载时，则操纵手把，打开卸载阀，工作液从柱体腔内经过中心通道，经卸载阀流入活柱上腔图5－4 内注液式支柱结构示意图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5－5为外注液式液压支柱基本结构图支设时，靠外部泵站经管路系统通过注液枪向支柱供液工作介质是含有1~2％乳化油的乳化液回收时打开卸载阀，把工作介质排到支柱外部，活柱靠自重和弹簧力回缩单向阀、安全阀和卸载阀共同组成一个三用阀，它是一个关键的部件，它的性能优劣直接影响着支柱的工作特性在工作面每隔10~15 m需配备一把注液枪和一卸载手把外注式和内注式液压支柱在使用上各有其特点：1) 外注式液压支柱需要配备液压泵和管路系统，因而在使用上不如内注式灵活，但柱体内不需手摇泵，因此结构简单，重量轻，成本低；2) 外注式液压支柱，每使用一次需要消耗一定的乳化液；3) 外注式液压支柱支设速度由液压泵的流量决定。

一般来说，泵的流量比内注式液压支柱的手摇泵要大的多，所以支设速度比较快因此，在一些薄煤层或人行比较困难的工作面，来回拉注液枪有困难时，宜使用内注式液压支柱在缓倾斜和倾斜中厚煤层工作面中，则更宜使用外注式液压支柱图5－5 外注式单体液压支柱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—卸载时动作方向液压自移支架内使用的液压支柱属于外注式，其工作原理如图5－6图5－6 液压支架支柱工作原理I—升柱状态，Ⅱ—工作状态，Ⅲ—卸载状态1—活柱；2—柱体；3、9、10—管路；4—安全阀；5—单向阀；6—主回油管略；7—主进油管路；8—操纵阀升柱时操纵阀处于Ⅰ的工作状态工作液由泵站进入主油管7，后由C—A进入油管9，经由单向阀5顶开阀盖进入油管10，而后进入柱体2使活柱1升起上腔的废液则由管路3经由操纵阀B—O进入主回油管路，回到泵站降柱时操纵阀处于Ⅲ的状态高压油由操纵阀C—B经管路3进入支柱上腔，同时作用于单向阀5，使阀盖顶开。