矿井围岩控制 灾害防治

主讲人：张国华 教授电 话： 0451-88036483E-mail ： zgh710828131@163.com

第 13 讲 综采工作面顶板控制设计

与安全工程

二、综合机械化采煤工作面顶板控制设计

1 ）液压支架的选型顺序

① 根据顶板岩石力学性质、厚度及岩层结构和弱面发育程度确定直接顶类型；② 根据老顶岩石力学特性及矿压显现特征确定其级别；③ 根据底板岩性及底板抗压入强度和刚度测定结果，确定底板类型；④ 根据矿压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，估算支架所需的支护强度和每米阻力；⑤ 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；⑥ 考虑工作面风量，行人断面，煤层倾角，修正支架及参数；

1、液压支架选型

二、综合机械化采煤工作面顶板控制设计

⑦ 考虑采高、煤壁片帮（煤层硬度和节理）的倾向性及顶板端面冒落度，确定顶梁及护帮结构；⑧ 考虑煤层倾角及工作面推进方向，确定侧推结构及参数；⑨ 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；⑩ 利用支架参数优化程序（考虑结构受力最小），使支架结构优化。

液压支架的选型顺序

二、综合机械化采煤工作面顶板控制设计 2 ）分析比较法

（ 1）主要根据直接顶、老顶的厚度、物理性质、层理和裂隙发育情况及类级；结合采高、开采方法等因素确定支架的额定工作阻力、初撑力、几何形状、立柱数量及位置、移架方式、顶板覆盖率。下位顶板的稳定性对液压支架选型尤为重要。

选型原则

（ 2）对于“三软”煤层，目前采取的架型有两种两柱掩护支架。一种是短顶梁的支掩式托梁掩护支架，为了缩小控顶距可采用插底式支架；另一途径是采取对顶板全封闭方式的支顶式掩护支架，可采用长侧护板的整体顶梁加伸缩梁，加大立柱的倾斜以增大支架的指向煤壁的水平支撑能力。

二、综合机械化采煤工作面顶板控制设计 （ 3）根据煤厚、变化范围及其规则程度，确定支架最大和最小高度、活柱伸缩段数、加高装置。结合煤层的强度和节理发育程度确定是否采用护帮装置，以及装置的形式和尺寸。

（ 4）煤层倾角数据主要用于确定支架稳定性，如防倒、防滑装置、瞄固站及调架装置。

（ 5）底板抗压入强度及平整程度用于确定底座类型是整体刚性底座或弹性连接的分底座；

（ 6）依据煤层的瓦斯含量及释放方式确定支架的最小过风断面是否满足通风要求。

（ 7）全矿井内地质构造情况，特别是断层的落差、影响范围，以及陷落柱的范围和规律。

二、综合机械化采煤工作面顶板控制设计 3 ）综合比较法

（ 1）支架选型要素及评价。已知开采地质、技术条件进行支架选型时，必须考虑各种支架对围岩的适应性及力学特性，即反映支架对围岩的适应能力、支架的力学特性和工作特性。根据上述要素和评价可初步进行支架选型。进一步选型和结构选择，可按专家评分法进行。

步骤

专家评分法原则

① 某种支架形式或结构，如果对地质、技术条件（直接顶、老顶、底板类别、采高、倾角、煤壁片帮、瓦斯含量等）的适应性最好、较好，可分别给予 5 分、 4分；如果勉强还可以用，给 3 分；如果适应性差、很差，分别给予 2 分、 1分。

二、综合机械化采煤工作面顶板控制设计 ② 支架的某种结构与一定地质技术条件无关时，不参与评分，即不给予评分。例如顶梁结构与底板类别可视为无关。

③ 除考虑上述地质技术条件外，还应考虑到上、下部采动条件，两侧开采条件；地质构造发育情况；深部开采等因素，在影响明显时，可适当降低顶板类级来处理。当顶底板含水，使开采中底板积水时，可适当降低底板抗压入强度来处理。

（ 2）确定重要性系数。不同的架型结构与地质技术条件之间并非同等重要。例如，对于架型来说，首要的是直接顶、老顶、底板，其他因素仅具有一般性。对于顶梁结构来说，首要的是直接顶的稳定性，其次是煤层硬度和采高等等。

二、综合机械化采煤工作面顶板控制设计 （ 3）选择架型和结构要遵循的程序

①按 计算给定地质、技术条件下的各种架型和结构的 Qi值；

（ 4）支架型式和结构选定后，需进一步完成的工作

iii RWQ

② 对所有 Qi值进行比较， Qi值最大者，即当 Qi=Qmax时，则该结构和架型在给定条件下为最优。

① 确定支架初撑力和工作阻力；

② 支架结构参数优化，以结构件内力最小为目标函数，进行结构参数优化选择。

二、综合机械化采煤工作面顶板控制设计

1 ）液压支架工作阻力

（ 1）载荷估算方法

（ 2）实测统计法

式中， - 标准均方差， kN； k -置信度系数。

2、液压支架参数

08200 LP 支架受力图

kPP t

二、综合机械化采煤工作面顶板控制设计 经我国近 30 年来实测统计，由煤炭科学研究总院提出，原煤炭局发布列为国家煤炭行业标准的综采工作面支护强度为：

①Ⅰ～Ⅲ级老顶的额定支护强度下限按下式计算

式中， PH-额定支护强度， kPa； M-工作面煤层采高， m； Lp-老顶周压步距，； BC-控顶高度， m； N-直接顶厚度与采高之比。

1.6224.109.785.43.72 NBLMP cpH

二、综合机械化采煤工作面顶板控制设计 ② Ⅳ级老顶按下式计算沿米支护阻力下限

式中， Lf-老顶初压步距， m； Ck- 备用系数，Ⅳ a级老顶取 Ck =1.2～ 1.3 ； Ⅳb级老顶取 Ck =1.4～ 1.6 。

kcfH CBNMLR 4555.156.52ln241

老顶初次来压步距与周期来压步距按下式进行换算；

pf LL 45.2

二、综合机械化采煤工作面顶板控制设计 ③ 液压支架额定阻力

式中 Qs-液压支架额定阻力， kN/架； Sc-液压支架中心距， m； KS-液压支架支撑效率；一般选取范围为：支撑式支架， 0.90 ～ 0.95 ；支掩式掩护支架， 0.65～ 0.75 ；支顶式掩 护支架， 0.80 ～ 0.90；支撑掩护式支架， 0.80 ～ 0.95 。

SccHs KSQ

二、综合机械化采煤工作面顶板控制设计

当 A岩块前端断裂瞬间，为协助 B块实现平衡结构，其关系式为：

（ 3）理论分析方法

上覆岩层破断瞬间受力 miiH lQ

H

LhP

)(2

)tan(2 2

式中， PH-合理支护强度， kPa； ψ-岩块间摩擦角； θ-岩块破断角； H-老顶岩层厚度； δ-B岩块回转下沉量； Q-B岩块的重量及载荷。

二、综合机械化采煤工作面顶板控制设计

提高支架初撑力可以减少顶板离层，增强顶板自身强度，增加顶板的稳定性；提高支架对机道顶板的支撑力，减少工作面顶板端面破碎度及煤壁片帮；压实顶梁上及底座下浮矸，提高支撑系统刚度；充分利用支架额定支撑能力，减少顶底板相对移近量。

2 ）初撑力

Pt 与 P0/PH 的关系曲线1- 阳泉一矿 506 （ 2 类）； 2- 石嘴山一矿 2297 （ 2

类）；3- 范各庄矿 1375 （ 2 类）； 4- 南屯矿 8307 （ 3 类）；5- 范各庄矿 1477 （ 2 类）； 6- 范各庄矿（ 1 类）；

7- 南屯矿 7304 （ 2 类）

二、综合机械化采煤工作面顶板控制设计

支架的高度尺寸一般按以下公式确定：

3 ）支架的规格尺寸

1maxmax S-MH

a-S-MH 2minmin

式中， Hmax 、 Hmin-分别为支架的最大和最小高度； Mmax 、 Mmin-分别为工作面的最大采高和最小采高； a-支架的卸载高度， 50mm； S1-支架在最大采高时，前柱位置处顶板最大下沉量； S2-支架在最小采高时，后柱位置处顶板最大下沉量。

二、综合机械化采煤工作面顶板控制设计

支架形式的确定要根据具体的顶板条件确定。 当顶板比较破碎、瓦斯涌出量不大时，为防止窜矸和保护机道空间的安全，宜采用掩护式液压支架；当顶板属于中等稳定或稳定顶板时，宜采用支撑掩护式液压支架；当顶板完整坚硬，工作面来压强烈时，宜采用支撑式液压支架。

3 、支架形式的选择

老顶级别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ直接顶类别 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 4

液压支架形式

掩护式

掩护式

支撑式

掩护式

掩护或支撑掩护式

支撑

支撑掩护

支撑掩护

支撑或支撑掩护式

支撑或支撑掩护式

支撑式（采高小于2.5m）支撑掩护式（采高大于 2.5m）

1 、支护结构是保持回采工作面以及巷道围岩稳定，保证安全的最重要结构，也是工作面设计中的重要内容。

3、液压支架的选型是目前各综采矿井最常见的一项技术，但诸多矿井往往在支架选型时仅根据以往经验进行推断，缺乏严格的选项计算，经常使所选支架难以适应工作面的条件，造成严重的安全隐患及经济浪费。

研究意义

2 、液压单体支柱是煤矿井下常用也必须用到的支架，在无法实现综采的工作面、回采巷道的朝前支护、动压巷道的加强支护、开切眼的加强支护以及地质构造带的加强支护，液压单体支护有着不可替代的作用。