采场顶板控制及监测-第三章.ppt

第三章预防冒顶事故的采场控顶设计,概述综采工作面控顶设计单体支柱工作面控顶距的确定单体液压支柱工作面控顶设计初放阶段的顶板控制采场控顶设计示例,第一节概述,采场控顶设计的目标一、能最大限度地消除压、漏、推冒顶隐患，防止发生各种类型的冒顶事故；二、所需费用最少。,以往采场控顶设计的依据1、依据顶板岩层的运动规律；2、依据统计数据。不足1、不能预防所有的冒顶事故，尤其是推垮型冒顶；2、不能合理确定符合实际需要的初撑力。,预防冒顶事故的采场控顶设计1、是在全面系统研究了采场冒顶的机理及预防措施基础上，把事故按力学原因归纳为压、漏、推三个基本类型；提出对采场支架的基本要求有支、护、稳三个方面，并且是在以支对付压、以护对付漏、以稳对付推的基础上提出来。2、本章只介绍控顶设计的核心内容，即液压支架和单体液压支柱的选型计算。,支护选型计算中主要的控顶原则如下一、预防压垮型冒顶,（1）采场支架或支柱的工作阻力应能支撑住工作空间及采空区上方垮落带岩层的重量;（2）采场支架或支柱的初撑力应能保证下位岩层与上位岩层之间不离层；（3）采场支架或支柱的可缩量应能适应裂隙带岩层的下沉。,二、预防漏冒型冒顶,（1）综采时，如果直接顶比较软弱，液压支架应在掩护式或支撑掩护式中选用，采用及时支护方式，采高较大支架要带护帮装置，且端面距不宜超过340mm。（2）单体支柱工作面，如果直接顶比较软弱，支柱必须带顶梁，顶梁上还须背板，甚至背严。柱距小于0.7m，同时端面距小于200mm。（3）综采支架的初撑力应保证端面冒高不超过300mm；单体支柱的初撑力应保证端面冒高不超过200mm。,三、预防推垮型冒顶,（1）采场支架或支柱的初撑力应能保证下位岩层与上位岩层不离层（本条与防压第二条完全一致）；（2）采场支架或支柱的初撑力应能把下位岩层顶紧上位岩层，并使其间的摩擦阻力足以防推。,说明,1、编制控顶设计还应包含其它预防压、漏、推的措施；2、实际控顶原则只有7条，即防压3条、防漏3条、防推1条；3、防压、漏、推均需一定的初撑力，初撑力是人们主动给顶板的（工作阻力是被顶板压出来的）。我们曾把预防冒顶事故的控顶设计叫做“主动控顶原理”；4、确定支护参数等有关问题均应从最不利条件出发；5、控顶设计顺序宜为防漏、防压、防推。,第二节综采工作面控顶设计,①主要确定支架架型、支架工作阻力、初撑力、支架的高度等。②按防漏、防压、防推顺序进行。,一、漏冒型冒顶的控制措施,（1）当直接顶较软时，需要考虑防漏；应选用掩护式或支撑掩护式支架。（支撑式支架支撑性能好，但防护与稳定性差，不适应软弱顶板或倾角大的煤层。掩护式支架防护与稳定性能很好，但支撑性能差，不适应垮落带中有老顶的条件。支撑掩护式支架支撑、防护与稳定性能都很好，但造价较高）。（2）当直接顶较软时,如果端面距过大,易引起端面冒顶。应选用端面距不超过340mm又能及时支护的架型（当采高大于2.5～3.0m、煤质又松软时，应带护帮装置）。（3）支架初撑力大，顶板下沉小，端面冒高小。掩护式与支撑掩护式有向煤壁的推力，初撑力大，推力大，有利于控制端面冒高。控制端面冒高不超过300mm的支架初撑力P0通过调压试验或日常监测确定。,二、压垮型冒顶的控制措施,1、工作阻力应能支撑住工作空间及采空区上方垮落带岩层的重量。,支架处于最不利的情况是，要支撑垮落带老顶岩块全部重量和直接顶岩层重量。,Lz’直接顶岩梁的长度，m；L’zLdLhLzxLd端面距Lh顶梁和前梁长度之和Lzx支架后悬顶长度，页岩，1.0m，砂页岩，2.0m；Llki垮落带老顶第i分层岩块的长度，m。取实际数据，若无，则参考下列数据hi1.5m,Llki6m,hi2m,Llki10m,hi2.5m,Llki14m。,（KN/架）,考虑到掩护式及支撑掩护式支架的立柱往往不垂直于顶板，且掩护梁上还承受有冒矸的载荷，所以实际所需支架的工作阻力还应增加20左右。（新研究认为宜引入系数，支掩式支架＝85～90％，短顶梁掩护式＝60％，求P算式右方再除以即可）。用增加20左右的工作阻力进行支架选型时，阻力值不应大于支架额定工作阻力的70。进行支架设计时，富裕系数为1.5左右。（用新研究的确定垮落带岩层厚度方法后，富裕系数有1.1～1.2即可）。初次来压步距大于周期来压2倍时，富裕系数应取更大，一般1.52.0。（新研究认为，初次来压前宜采用降低采高的方法）。当P值很大时，支架立柱需要大流量的安全阀。,2、初撑力应能保持直接顶与老顶或下位岩层与上位岩层不离层。以直接顶与老顶间不离层为例。为达此目的，初撑力应能把直接顶沿支架后端切断。,①初撑力能平衡支架上方直接顶岩重；②支架后端的初撑力能平衡采空区上方将要被切断的直接顶悬顶岩重；③初撑力产生的主动力矩能平衡工作空间上方及采空区上方直接顶岩重所产生的力矩。,为此，必须让直接顶岩梁于折断瞬间在支架后端处于固支状态。这时，在最小控顶距状态下，支架的初撑力必须满足三个条件,①平衡直接顶岩梁的初撑力,②平衡直接顶岩梁力矩的初撑力,与求P相同，算式右方应再除以。,（KN/架）,（KN/架）,与求相同，算式右方应再除以。,Lz最小控顶距，Lz＝LdLh，m；lo作用点距顶梁后端的距离，m。,说明①为切断直接顶,初撑力取上述两者中的大值。②直接顶很厚时，切断厚度一般为采高的11.5倍左右，且整个分层都切。③无直接顶或直接顶厚度很小时，要切断下位老顶，切断老顶厚度2.02.5m。计算时，调整岩重。选取老顶悬顶距时应采用实际数据；若无，可参考下列数据1.5m厚老顶，悬3m；2.0m厚，悬5m；2.5m厚，悬7m。,3、支架的可缩量应适应裂隙带老顶的下沉。最大控顶距时，顶梁末端顶板最大下沉量计算图。,LD’最大控顶距（采煤后未移架时的控顶距），m；H裂隙带老顶岩块触矸处的下沉量，m；Llz裂隙带老顶周期来压步距，一般大于10m，计算时应取实际数据，若无，可参考下列数据老顶岩层厚2m取10m，厚2.5m取14m。,（m）,l截深，m；,，m,，m,如果垮落带岩层垮落后能充满采空空间，即H＝0，则η为下沉系数，取0.0250.05；,（m）,（m）,（m）,三、综采推垮型冒顶的控制措施,具有复合顶板下位岩层易与上位岩层离层，初撑力不足时，容易倒架。初撑力将下位岩层紧顶上位岩层，令上下位岩层间的摩擦阻力防推。,（KN/架）,与求P、相同，算式右方应再除以。,关于初撑力①支架初撑力与防漏、防压、防推均有关系。②设计的支架初撑力，应取中的大值。③选型时，设计初撑力应不大于支架额定值的80～90。④新研制支架的初撑力应有不小于1.1～1.2的富裕系数。,第三节单体支柱工作面控顶距的确定,①控顶距从煤壁至密集支柱（墩柱）或采空区顶梁末端的一段距离；②最小控顶距为采煤所必须的最小空间宽度（三或四排）；③最大控顶距最小控顶距加上放顶距（一或二排）。,一、放顶距的确定,1、由直接顶板性质定放顶排数。①直接顶较松软，回柱放顶能立即垮落，用一排放顶距。②直接顶较完整，回一排柱后较长时间不垮落，用二排放顶距。,2、具体数据①顶梁长度0.8或1.0m顶板软，放顶距0.8或1.0m。顶板完整，放顶距1.62.0m。②顶梁长度1.2m直接顶完整，齐梁直线柱，顶板软，错梁直线柱。放顶距均为1.2m。,3、单体液压柱初撑力大，采用一排放顶距。,二、最小控顶距的确定,1、一般情况①依生产要求多数为三排，即机道、人行道和材料道。具体数据还要看密集位置或顶梁末端。②机道宽度一般为1.2m1.4m。③人行道和材料道由排距决定，与顶梁长度有关，一般为0.8m，1.0m，1.2m，并与采煤机截深相配套。,2、特殊情况①增加一排柱老顶来压，为增加支撑力。复合顶板初垮期间、工作面仰采、大采高大倾角工作面，为增加稳定性。为满足通风要求。,②直接顶破碎，上部岩层硬，易出现碎顶抽冒现象。,抽冒区以下的支架是不稳定的，需要增加支柱的稳定性，此外还要增加控顶距，增加多少按下式计算。,（m）,Lw应为排距的整数倍。,第四节单体液压支柱工作面控顶设计,①设计的主要内容支柱和顶梁类型、支架排距与柱距、支柱的初撑力、密集支柱或墩柱的应用等。②设计前已确定内容顶梁长度与排距，控顶距与放顶距。③设计顺序防漏、防压、防推。,一、漏冒型冒顶的控制措施,（1）按顶板类型确定支护方式①坚硬（完整）顶板无需护顶，支柱带帽即可。②中等稳定支柱带顶梁，顶梁与裂缝最好垂交。③软弱（破碎）顶板带顶梁，顶梁上加背板，特别碎的还要背严，柱距应小于0.7m。（2）控制端面冒落顶板松软时，应采用恰当的柱梁配合，控制端面距，使其小于200mm，必要时增设短梁。,（3）控制单体面的端面冒高应控制在200mm以内，否则，顶板不好控制。一般初撑力愈大，端面冒高愈小。所需初撑力靠调压实验或日常监测来解决。（4）铺金属网假顶解决碎顶当直接顶板松软破碎，或下行垮落开采而冒矸又胶结不好时，应采用金属网假顶。当垮落带无老顶时，网下可用单体液压支柱与∏型长钢梁组成的对棚迈步支架。,二、压垮型冒顶的控制措施,1、支架的工作阻力应能支撑工作空间及采空区上方垮落带岩重。基本支柱和密集支柱（和墩柱）的工作阻力共同支撑工作空间和采空区上方垮落带岩重。,机道宽度Lg，排距Lp，末排柱至密集支柱、墩柱或采空区顶梁末端的距离Lt等参数是提前设定的，一个柱距内密集支柱暂定为一棵，再选定支柱平均工作阻力P（单体液压柱按额定的60）就可按下式求柱距Lj。,（m）,①柱距一般不大于1.0m，不应小于0.5m。当直接顶软弱时，应采用较小的柱距。②目前在使用单体金属支柱和铰接顶梁的工作面中，其支架的布置方式都是一梁一柱，即每排支柱中一个柱距内只有一棵支柱。当计算出Lj太小时，应增加密集支柱的数量。③当垮落带中没有老顶而直接顶岩层又松软破碎时，可不设密集支柱，这就是无密集放顶。此时,④使用∏型长钢梁迈步棚子时，可用类似算式验算支柱工作阻力。,m,⑤放顶线采用切顶墩柱时，所需墩柱的工作阻力,（KN/架）,Lc一般为1.5m或3.0m。Pc不应大于额定的80。当老顶初次来压步距明显大于周期来压步距2倍时，Pc应有较大富裕系数。,2、支架的初撑力应能保持下位岩层与上位岩层之间不离层。,现以保持直接顶与老顶不离层为例。为使不离层，支架的初撑力应能把直接顶沿放顶线切断。为此，必须让直接顶岩梁于折断瞬间在放顶线上处于固支状态。这时，在最小控顶距状态下支架初撑力必须满足三个条件①支架初撑力能平衡直接顶岩重（包括悬顶）。②放顶线支架初撑力能平衡采空区直接顶悬顶岩重。③初撑力的主动力矩能平衡直接顶岩梁所产生的力矩。,（1）支架初撑力平衡直接顶岩梁的重量。所需的初撑力为,（2）放顶线支架初撑力平衡采空区上方将被切断直接顶悬顶岩重（放顶线处，直接顶岩梁内的剪应力为零，拉应力最大）。,（KN/根）,（KN/根）,（3）初撑力的主动力矩能平衡工作空间上方及采空区上方直接顶岩梁所产生的力矩。,①为沿放顶线切断直接顶，所需初撑力为上述三者的最大值。②如果初撑力过大，则支柱选型困难，此时应减小柱距Lj及加大nm来解决之（首先考虑加大nm）。,（KN/根）,③直接顶厚度很大时，切断直接顶的厚度一般为1～1.5倍采高。④单体面，若需要切断下位老顶，则需要切顶墩柱。初撑力计算方法同前。但需要第一，调整有关岩重的计算。第二，老顶的极限悬顶距应采用实际数据。若无可参考下列数据1.5m厚的老顶，悬3.0m。2.0m厚的老顶，悬5.0m。2.5m厚的老顶，悬7.0m。第三，所需初撑力是与的乘积。,3、支架的可缩量应能适应裂隙带老顶的下沉。,顶板下沉量估算图如下,采场最大控顶距处的最大下沉量,最大控顶距（煤壁至密集、墩柱、或末排柱的距离），m；裂隙带老顶周期来压步距，计算时取实际数据，若无可参考下列数据老顶岩层厚2m取10m，厚2.5m取14m；H裂隙带老顶断块触矸处的下沉量，,（m）,，m。,如果垮落带岩层垮落后能充满采空空间，即H＝0，则为下沉系数，取0.025。,（m）,设计支柱最大高度,设计支柱最小高度,a卸载高度；b顶梁高度；按Hmax与Hmin即可进行支柱的选型。,（m）,（m）,三、推垮型冒顶的控制措施,下位岩层平均体积力，KN/m3;hx下位软岩层厚度，m（一般小于2.53m；f软硬岩层间的摩擦系数，无水时取0.3。,复合顶板、支柱初撑力不足，导致推垮。提高初撑力，将下位岩层顶紧上位硬岩层，使其间摩擦阻力防推。,（KN/根）,如果过大，也应调整Lj及nm。支柱的初撑力应取防漏、防压、防推中的最大值。选型时，支柱或墩柱的初撑力应不大于额定值的80。为保持支柱刚度，初撑力应不小于50KN/根。,第五节初放阶段的顶板控制,初次放顶阶段是指直接顶初次垮落至老顶初次来压这段时间。一、直接顶初次垮落关键沿放顶线切断直接顶。,对于综采工作面，支架所需的初撑力仍可按以下公式计算,注意,（KN/架）,（KN/架）,对于单体支柱工作面，支架所需的初撑力仍可按以下公式计算,注意,（KN/根），,（KN/根）,当初撑力太大时，应增加nm。直接顶很厚时，切断1～1.5倍采高。其中往往还有分层，计算用整个切断厚度，、用最大分层厚度。,（KN/根），,二、老顶初次来压关键沿放顶线支撑住垮落带老顶。,对于综采工作面，支架所需的工作阻力仍可按以下公式计算,注意,注意老顶初次来压步距取实际数据，若无，参考下列数据1.5m厚老顶为20m；2.0m厚老顶为30m；2.5m厚老顶为40m。,（KN/架）,对于单体支柱工作面，柱距仍可按以下公式计算,注意,柱距太小时，应增加nm。,（m）,三、初放阶段顶板控制应注意的问题,1、单体支柱工作面（1）所需增加的密集，在预计极限跨距前若干米处就应架设。（2）当达到预计步距而未垮，或未来压时，应采用增加密集柱初撑力或阻力的方法，保证工作面继续推进，可按12天的推进距重新设计。2、综采面因不能随意增加初撑力与工作阻力，故设计时应取较大的富裕系数。若极限跨距太大，则需要挑顶等其它辅助措施。,作业,1、论述本章中的重点公式（12个）。2、叙述公式中各符号的意义。,,