综采面的支护设计精要

下分层支架受载无上覆岩梁断裂时的冲击载荷，只有岩块间咬合失稳 而产生载荷增加，故支架的动载较顶分层小。
跨落后的直接顶形成再生顶板，其强度、刚度、粘结力均大为降低， 其力学参数随块度水分、粘结料、压实时间及再生层厚度而变化。
再生顶板一般无悬顶，能随垮落而充满支架后方采空区，但采空区矸 石涌入的侧压力较大，并随采高和顶板压力增加而增高。
矿压特点：
随工作面推进，在超前支承压力作用下，岩层内部原生裂隙继续扩 张，同时形成许多再生裂隙。受裂隙切割的顶板裸露后，如果得不 到及时支护，端面顶板下沉速度明显增大 ，容易冒顶，E较高。
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（2）2类顶板
顶板岩性：多为分层厚度在250～500mm的砂质页岩、厚 层页岩、泥质石灰岩等。
初次垮落步距大于18m，推进过程中在采空区内经常出现悬顶， 并按一定步距周期性垮落。
在工作面推进过程中，端面顶板破碎度很低，几乎为零。
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2）老顶
（1）Ⅰ级顶板
三种情形：
一是老顶岩梁强度低，C0＜25m，C＜8m； 二是厚煤层下分层开采时，老顶岩梁已预先断裂成块，运
动剧烈程度明显削弱； 三是冒高大，充填效果好，允许老顶运动的空间小，最终
也是支架设计的基础。 因此，进行顶板分类及掌握各类顶板条件下
的矿压显现特点是支护设计的必要条件。
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（一）顶板分类
基本要求：
对顶板进行分类，必须从顶板控制的原则和具体方法出 发，具体考虑顶板管理方法的差别和效果。
例如，考虑支架选型计算得要求及具体方法步骤时， 首先要确定支架选型是以防止切顶事故为主，还是以防
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2)下分层支架设计应满足的要求：
① 具有较高的支架初撑力，防止顶板早期破碎；利用带压移架防止 支架反复支卸破坏顶板、产生网兜，尽量保证再生顶板和人工假顶 的稳定性；
② 做到及时迅速移架，减少下分层顶板暴露时间和面积，防止顶板 冒落、流矸；
③ 设置防倒装置，歪斜倾倒； ④ 利用四连杆和侧护板及人工假顶等，提高支架护顶能力，以防梁
老顶来压步距大、强度高， 支护阻力大而分布不均， 直接顶稳定， 支架易损坏。
支架要求：
具有支撑能力大、抗水平推力强； 切顶性能好、支架安全阀流量大等性能。
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（三）分层开采对支架设计的要求
1）分层开采的矿压显现
垮落带的高度随开采分层数而增加，但增加的幅度逐层减少，因此多 数情况下，下分层支架的静载较顶分层大。
够的切顶能力，能有效地对付强烈的老顶来压。 利用四连杆机构，增强抵抗水平推力的能力，防止支护毁坏。 利用连杆机构，使支架尽量减少梁端距。 利用掩护梁挡好采空区矸石，防止矸石窜入支护工作空间；利
用侧护板，防止架间窜矸漏矸。 利用大流量安全阀，确保支架受冲击载荷时少受损坏。
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Ⅲ3~4 、Ⅳ3~4顶板综采工作面矿压特点：
pe = 241.3ln(C0)-15.5N+52.6hm 式中 pe——基本顶初次来压当量，kN／m2。
不明显
明显
强烈
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非常强烈
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基本顶分级
基本顶分级表
指标
岩性
pe895
一般砂页岩
895pe975
层理不发育的 砂页及小厚度砂岩
975pe1075
4-5m的细粒 及中粒砂岩
1075pe1145厚度>10m的砂岩
第四章 综采面的支护设计
液压支架的选型、计算
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近年来综采在采煤机械化中所占的比例有长足发展， 然而，综采工作面的效率与安全状况并不令人满意， 综合机械化采煤的效率与安全很大程度上取决于液 压支架与地质条件的适应情况。
本章在对不同类型煤层顶底板分类及对支架设计要 求分析的基础上，论述了支架合理选型的方法，并 简要介绍端头与超前支护。
直接顶端面挠曲情况由安设在工作面内靠煤壁侧和靠老
塘侧的动态仪读数变化情况进行判断。
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（2）端面顶板破碎度
端面顶板破碎度E是端面顶板冒落面积（冒高超过100mm）与 端面顶板悬露面积的比值。在现场使用中，将面积比简化在 具体观测剖面中的端面冒顶宽度与悬顶宽度的比值
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端和其他部位漏矸、窜矸，威胁人和设备安全，影响生产；
⑤设置机械铺网和向采空区洒水装置，保证人工假顶铺设质量或提 高破碎岩石再生能力；
⑥ 为了适应下分层采高变化大的特点，立柱伸缩比四）大采高工作面对支架设计的要求
1）矿压显现特点
用综采设备一次回采3.5m以上的厚煤层称为大采高综采。 特点：
（5）采空区填充系数（N）
（6）顶板下沉量 （Δh）
每米采高对应的下沉量控制在100mm以内，能保证工作面顶板 完整。
（7）煤壁片帮（s）
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直接顶分类
单轴抗压强度、分层厚度f、节理裂隙间距d
强度系数
D=C1C2σC
C1=0.2255(d+1)+0.0503 C2=0.1541(f+1)+0.0697
顶板特点：裂隙间距在250～500mm，初次垮落步距9～ 18m。
矿压特点：在工作面推进过程中，由于老顶岩梁周期性 断裂和超前支承压力作用，直接顶会出现周期性的破碎
带。因此，机道上方顶板破碎度呈显明显周期性变化。
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（3）3、4类顶板
矿压特点：分层厚度大，裂隙不发育，比较完整。 矿压特点：
要求：支架初撑力高，控制端面顶板能力强，及时 支护，护顶能力强，挡矸、护帮装置齐全，能快速 邻架操作移架。
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（二）Ⅲ3~4 、Ⅳ3~4顶板对支架设计的要求
Ⅲ、Ⅳ级老顶即来压强烈的顶板，3、4类直接顶即稳定和坚硬顶 板。
对此类级顶板综采工作面液压支架设计的要求： 利用较大支撑能力，并使后柱阻力高于前柱，确保支架具有足
这些参数利用井下动态观测法可直接测出。
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（1）直接顶端面挠曲情况
直接顶强度越高，受裂隙破坏程度越低，则自承载能力 越高，稳定性越好。
相反，分层厚度小、强度低、受原生裂隙和因超前支承 压力作用产生的次生裂隙切割的直接顶回采暴露后，如 果得不到及时支护或支护不当，很快由自行挠曲发展到 冒落。
沉降值因而很小。
顶板运动效果在工作面内的压力显现变化平缓，没 有明显的周期性。
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（2）Ⅱ级顶板
工作面内压力显现有明显的周期性。 C0一般为25～45m，C为8～15m。 老顶岩梁数目一般为1-2个。上位坚硬岩梁来压时，可能
对下位岩梁产生动压冲击，容易造成直接顶板的下切。
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无论上行还是下行垮落法开采，分层综采工作面都要求 上下分层支架有区别。 对于上分层，由于顶板为实体岩石，故要求支架支架工 作阻力较大；而底板为较弱的煤体，则要求支架底座比 压分布较均匀，接触比压小；由于上分层要为下分层铺 网，故要求支架设置铺网和洒水装置。 对于下分层，由于顶板为破碎岩石，故要求支架工作阻 力较小。
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（3）Ⅲ、Ⅳ级顶板
顶板岩梁多为砂岩、中粒石英砂岩等。 强度高，来压步距大，初次来压步距大于45m。 老顶由一个或多个岩梁组成。 在工作面推进过程中，相对稳定阶段压力显现不明显，一旦岩
梁断裂来压，工作面压力明显上升，来压时的压力显现是来压
前的3～4倍，甚至更高。
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二、各类级顶板对支架设计的要求顶板
岩性描述 泥岩、泥页岩、碳质泥岩，理裂隙发育或松软
致密泥岩、粉砂岩、砂质泥岩节理裂隙不发育 砂岩、灰岩、节理裂隙很少 致密砂岩、灰岩、节理裂隙极少
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不稳定 中等稳定 稳定 非常稳定
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直接顶分类表
指标
岩性描述
直接顶类别
LZ ≤4 4＜ LZ ≤8 8＜ LZ ≤18
18＜ LZ ≤28
28＜ LZ ≤50
采高增加使支架载荷相应提高，但并非线形正比关系。 采高增加，煤壁的片帮范围及深度增加，端部冒顶增加。 采高增加，支架易倾倒，稳定性差。
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2）对支架设计的要求，一般为掩护式支架。
① 为了保证大采高支架在移架时支架运动的稳定性，掩护梁所 受的垮落矸石水平推力要大于移架时顶梁及掩护梁侧护板所受 到的摩擦阻力，以保证移架过程中架体上部不出现滞后现象。
利用完善的挡矸装置，防止采空区破碎岩块窜入回采空 间，确保顺利移架。
利用邻架操作，保证移架工人的安全； 利用灵活、快速的操作阀，保证快速移架，以免因移架
引起顶底板移近量过大，使顶板难以控制。
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1、2类直接顶和Ⅰ 、Ⅱ 级老顶综采面具有老顶来压 步距小而稳定，强度缓和，支护阻力小而分布均匀， 直接顶特别是端面不稳定，受移架影响严重等矿压 特点。
pe1145
高强砂岩
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C0 15-20
级 别 来压程度
Ⅰ
不明显
Ⅱ 20-30
Ⅲ 35-45
明显 强烈
50-60 Ⅳa 60-70 Ⅳb
非常 强烈
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（三）各类级顶板矿压显现特点
1）直接顶
（1）1类顶板 顶板岩性：
多为分层厚度比较小的页岩、炭质页岩、粘土岩、粉砂岩等。
顶板特点：
强度低，原生裂隙发育，初次垮落步距小于8m，采空区内形不成悬 顶，随采随冒。
止支柱缩量超限及保证必要的工作空间为主；
在日常顶板管理中，是否要进行老顶来压的预测预报， 是否要在来压前夕架设特别支架，来压前后是否需要分 别管理等等。
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（二）矿压描述的常用指标
1）岩性指标
岩性指标以顶板岩性为基础，包括顶板岩层的岩 石力学性质（单向抗压强度）、分层厚度、节理 和裂隙的发育情况等。通常由实验室试验和现场 实测两种方法测定。
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第一节 综采面矿压特点及对支架设计的要求 第二节 现有的典型架型与实际支撑能力 第三节 合理工作阻力的确定方法 第四节 支架选型 第五节 端头支护和超前支护
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第一节 综采面的矿压特点及对支架设计的要求
一、工作面顶板分类及矿压描述的常用指标 煤层及顶底板条件是液压支架选型的依据，
利用伸缩梁或可旋转180°的挑梁，在移架前、采煤后及时支护刚刚 暴露的梁前顶板，减少顶板早期破坏。
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利用顶梁侧护板等护顶装置，提高支架对顶板的封闭程 度，以此提高支架的护顶能力，防止破碎岩块窜入回采 空间影响生产，威胁人和设备的安全。
利用防片帮装置，减少片帮深度和面积，从而提高煤壁 的稳定性。
式中：a——顶梁第一顶点到顶梁前端的距离，m； b——端面距，m； c——片帮深度，m； d——冒顶宽度，m； s——端面悬顶距，s=a+b+c，m.
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（3）直接顶垮落步距（Lz，Lk+Ls） Lz基本上不受支护形式和生产工艺影响。
（4）老顶步距及厚度（C0,C，ME） 在自然垮落条件下， C0、C基本上回采工作影响。
（一）Ⅰ1~2 、Ⅱ1~2顶板
1、2类直接顶即破碎和中等稳定顶板，Ⅰ、Ⅱ级老顶即来压 不明显和明显的顶板。
对Ⅰ1~2 、Ⅱ1~2顶板对支架设计的要求：
利用较高初撑力，提高支架支撑效率，确保工作面顶板移架后早期 移近量小，移近速度低，以提高梁端距空顶处顶板稳定性。
利用四连杆机构，控制端面顶板，选取双扭线最佳段为支架工作范 围，确保工作面端面附近支架有较强的控制能力。
综合指标——强度指数D来表示，根据对全国近 百个工作面的统计结果有如下关系式存在：
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Dcc[σ ]压 12
式中： D——强度指数； c1——节理裂隙影响系数； c2——分层厚度影响系数；
[σ]压——直接顶岩层的岩石单向抗压强度，MPa
2）工程指标
工程指标是指在进行回采的过程中可以直接观测 到的参数，包括顶板的挠曲情况、端面顶板破碎 程度和运动步距等。
泥岩、泥页岩，节理裂隙发育或松软 1a 泥岩，炭质泥岩，节理裂隙较发育 1b
致密泥岩、粉砂岩、砂质泥岩
节理裂隙不发育
2
砂岩、灰岩，
节理裂隙很少
3
致密砂岩、灰岩，
节理裂隙极少
4
不稳定 中等稳定
稳定 非常稳定
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基本顶分级
基本顶的分级指标是基本顶初次来压当量(pe)， 由基本顶初次来压步距(C0)、直接顶充填系数(N)和煤层采高(hm)按式(4) 确定。基本顶的分级指标见表6。
此外，支架在平时掩护梁的推力可使架体受到一个指向煤壁的 水平推力，以阻止顶板向采空区方向变形移动。由此推算，当 采高为4～4.5 m时，掩护梁倾角应为60°～65°,这足以保证移 架过程中掩护梁上矸石能沿梁体下滑的掩护梁最小倾角为
17°～19°。
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② 两柱掩护支架的上柱窝位置对顶梁前端部的承载能力 影响很大，从而也是影响端面冒落度的重要参数。