礦山壓力及其控制主講：王家臣教授中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院第一頁，共三十三頁。第六章回采工作面頂板控制

及支護(hù)方法6.1基本概念6.2回采工作面頂板巖層組成分類6.3回采工作面支架與圍巖的關(guān)系第二頁，共三十三頁。6.1基本概念回采工作面是地下移動(dòng)著的工作空間，為了保證生產(chǎn)工作的正常進(jìn)行與礦工的安全，必須對(duì)它進(jìn)行維護(hù)。工作空間維護(hù)一方面是維護(hù)直接頂，另一方面又要控制老頂?shù)幕顒?dòng)規(guī)律，對(duì)老頂?shù)目刂剖峭ㄟ^直接頂巖層進(jìn)行的。在維護(hù)空間位置來講，對(duì)回采工作面頂板控制包含對(duì)回采空間的支護(hù)以及對(duì)采空區(qū)的處理，采空區(qū)處理的具體措施則對(duì)老頂?shù)幕顒?dòng)起著明顯的影響。第三頁，共三十三頁?？刂撇蓤?chǎng)礦山壓力的一個(gè)基本方法就是回采工作面支架?；夭晒ぷ髅嬷Ъ苁瞧胶饣夭晒ぷ髅骓敯鍓毫Φ囊环N構(gòu)筑物，由于回采工作面支架形成的構(gòu)筑物必須與開采后形成的上覆巖層大結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，回采工作面支架必須具備以下兩個(gè)特性：一是必須具備一定的可縮性；二是必須具有良好的支撐性能。

支架性能：一般指支架的支撐力與支架可縮量的關(guān)系特征。常用P-ΔS曲線表示?；夭晒ぷ髅嬷Ъ苤饕闪汉椭M成，一般，金屬頂梁屬于剛性結(jié)構(gòu)，支柱常由活柱和底柱組成。它們之間的伸縮關(guān)系形成了支柱的可縮性。因此支架的特性主要由支柱的特性來決定的。6.1基本概念第四頁，共三十三頁。

支柱的撐力：支柱對(duì)頂板的主動(dòng)作用力；

支柱的工作阻力：支柱受頂板壓力作用而反映出來的力；

初撐力P0＇：支架支設(shè)時(shí)，支架對(duì)頂板的主動(dòng)支撐力，液壓支柱時(shí)，由泵站壓力確定；

始動(dòng)阻力P0：在頂板壓力下，活柱開始下縮的瞬間，支柱上所反映出來的力；

初工作阻力P1：在支架性能曲線中，活柱下縮時(shí)，工作阻力的增長率由急劇增長轉(zhuǎn)為緩慢增長的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的工作阻力；

最大工作阻力P2：支柱所能承受的最大負(fù)載能力，又稱額定工作阻力。6.1基本概念第五頁，共三十三頁。目前所使用的工作特性有如下幾種：

P’0P0P2ΔS/mmP/KNP0P2ΔS/mmP/KNP’0P1P2ΔS/mmP/KNP0急增阻式微增阻式恒阻式6.1基本概念第六頁，共三十三頁。

急增阻式——支柱開始支設(shè)時(shí)，有一個(gè)極小的人為的初撐力P0＇，當(dāng)支柱在頂板壓力作用下，活柱開始下縮時(shí)便形成了始動(dòng)阻力P0，而后隨活柱下縮，工作阻力呈直線性急增，這種支柱的可縮性量較小。

微增阻式——較小的初撐力P0＇與始動(dòng)阻力P0，隨著活柱下縮先有一個(gè)急劇增長過程，達(dá)到工作阻力P1后，隨著支柱繼續(xù)下縮，工作阻力的增長變得極為緩慢，一直到支柱的最大可縮性，也就是支柱的最大工作阻力時(shí)為止，此類支柱具有較大的可縮量。6.1基本概念第七頁，共三十三頁。

恒阻式——隨著活柱下縮，很快達(dá)到額定工作阻力P2，以后盡管活柱繼續(xù)下縮，支柱的工作阻力保持不變。從支柱工作阻力適應(yīng)頂板壓力的特點(diǎn)進(jìn)行分析，恒阻式的支柱較為有利，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高。急增阻式性能比較差，但成本較低，結(jié)構(gòu)較簡單。6.1基本概念第八頁，共三十三頁。回采工作面的圍巖，一般指直接頂、老頂及直接底的巖層。這三者對(duì)回采工作面的生產(chǎn)有著直接的影響。但一般來說，直接頂與老頂對(duì)回采工作面礦山壓力及支護(hù)方式的選擇影響更大一些。6.2.1對(duì)直接頂?shù)姆治?/p>

直接頂是工作空間直接維護(hù)的對(duì)象，顯然直接頂?shù)耐暾潭葘⒅苯佑绊懙焦ぷ鞯陌踩肮ぷ髅嫔a(chǎn)能力的發(fā)揮，而且直接影響到所選擇的支護(hù)方式。6.2回采工作面頂板巖層組成分類第九頁，共三十三頁。直接頂?shù)耐暾潭热Q于巖層本身的力學(xué)性質(zhì)，和直接頂巖層內(nèi)由各種原因造成的層理和裂隙的發(fā)育情況。綜合這兩者，結(jié)合我國的實(shí)際情況，曾將直接頂分為三種狀態(tài)：

（1）破碎的頂板：如頁巖、再生頂板及煤頂?shù)?，這種頂板若護(hù)頂不及時(shí)，很易造成局部冒頂；

（2）中等穩(wěn)定頂板：此類直接頂板的巖層力學(xué)強(qiáng)度較大。有些巖層如砂頁巖或粉砂巖等，雖由于受到一系列裂隙所切割，但局部尚較完整，因而仍屬于中等穩(wěn)定型；

（3）完整頂板：允許懸露面積大，穩(wěn)定性好，不易發(fā)生局部冒頂。如砂巖或堅(jiān)硬的砂頁巖等。6.2回采工作面頂板巖層組成分類第十頁，共三十三頁。

有的學(xué)者從節(jié)理裂隙的發(fā)育情況研究直接頂?shù)姆€(wěn)定性，一般可將各種裂隙分為三類：（1）原生裂隙：在成巖過程中形成的;（2）壓裂裂隙：在采動(dòng)過程中形成的；（3）構(gòu)造裂隙：在地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過程中形成的。根據(jù)裂隙面與工作面頂板巖層層面的位置關(guān)系，西德學(xué)者O.雅可畢曾將其分為五類，見下圖：分為R1、R2、……R5五種基本裂隙。6.2回采工作面頂板巖層組成分類第十一頁，共三十三頁。

實(shí)際情況可能是這五種基本裂隙的組合，如R12、R23……R34等，這種組合裂隙對(duì)頂板的支護(hù)極為不利。roofR1R2R3R4R5R12R34R23R136.2回采工作面頂板巖層組成分類第十二頁，共三十三頁。

直接頂冒空將使支架頂梁與頂板的接頂情況惡化，無法利用支架的工作阻力通過直接頂防止老頂巖塊的失穩(wěn)與滑落，及由此引起的對(duì)工作面不良影響和由此造成的一系列影響生產(chǎn)的事故。理論上講，可通過對(duì)裂隙面方位、位置等對(duì)直接頂?shù)捻敯鍘r塊受力進(jìn)行分析。但實(shí)際上，直接頂常為甚多的裂隙交割，很難精確地分析，因此原則上支架應(yīng)能承受全部直接頂?shù)闹亓?。同時(shí)，支架要有通過直接頂而控制老頂?shù)娜蝿?wù)。因此任何情況下都希望直接頂完整，能傳遞給老頂以支架的約束力。然而實(shí)際上直接頂往往破碎，支架的護(hù)頂性能占有重要位置。6.2回采工作面頂板巖層組成分類第十三頁，共三十三頁。為了定量分析直接頂?shù)姆€(wěn)定程度，通常采用直接頂?shù)亩嗣嫫扑槎茸鳛楹饬恐苯禹敺€(wěn)定性的指標(biāo)，它反映了支架前梁端部到煤壁間頂板破碎的程度。其含義見下圖所示。FAFh6.2回采工作面頂板巖層組成分類第十四頁，共三十三頁。6.2回采工作面頂板巖層組成分類第十五頁，共三十三頁。6.2.2對(duì)老頂?shù)姆治?/p>

直接頂：對(duì)支架選型、支護(hù)方式、局部冒頂?shù)绕鹬鲗?dǎo)作用；老頂：對(duì)直接頂穩(wěn)定性、支護(hù)強(qiáng)度、支架性能、采空區(qū)處理等起決定性作用。如前所述，根據(jù)老頂取得平衡的條件，在采用全部垮落法的工作面中，一般情況下，老頂巖層對(duì)工作面頂板的壓力影響主要取決于直接頂?shù)暮穸?。顯然，老頂離煤層越遠(yuǎn)，即直接頂越厚，破斷后形成“結(jié)構(gòu)”和呈現(xiàn)緩慢下沉式平衡的可能性也越大。因此長期以來，生產(chǎn)單位常以直接頂厚度作為預(yù)計(jì)影響工作面礦山壓力顯現(xiàn)的重要指標(biāo)之一。6.2回采工作面頂板巖層組成分類第十六頁，共三十三頁。6.2回采工作面頂板巖層組成分類第十七頁，共三十三頁。Ⅳ、老頂特別堅(jiān)硬，又無直接頂：這時(shí)頂板常在采空區(qū)懸露上萬平方米而不垮落，當(dāng)其垮落時(shí)，常常形成沖擊，造成事故。這類頂板稱為極堅(jiān)硬頂板。目前通常采用爆破方法強(qiáng)制放頂或高壓水方法使頂板軟化。Ⅴ、能塑性彎曲的頂板：賦存在煤層之上的頂板，隨著工作面的推進(jìn)能緩慢下沉，而后逐漸與煤層底板相接觸。這種情況的形成，顯然與頂板巖層的性質(zhì)、采高及巖層厚度有關(guān)。一般只可能在薄煤層或厚度不大的中厚煤層的石灰?guī)r頂板中才出現(xiàn)。顯然老頂?shù)氖Х€(wěn)不僅與Km有關(guān)，還與節(jié)理裂隙的發(fā)育程度及其在巖層中的分布有關(guān)，以及與老頂?shù)暮穸群秃闆r有關(guān)。因此對(duì)于具體條件，必須進(jìn)行具體分析。6.2回采工作面頂板巖層組成分類第十八頁，共三十三頁。6.2.3我國試用的緩傾斜工作面頂板分類

為了指導(dǎo)回采工作面的頂板管理，選擇合適的液壓支架形式，單體支架的支護(hù)方式和采空區(qū)處理措施，以及為了確定液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度和單體支柱的支護(hù)密度，以提高工作面的安全程度，減少頂板事故等，近幾年來，煤炭工業(yè)部頒發(fā)了緩斜煤層工作面的頂板分類試行方案。根據(jù)350個(gè)回采工作面的觀測(cè)與統(tǒng)計(jì)，按穩(wěn)定性不同，將直接頂分為四類。見下表。6.2回采工作面頂板巖層組成分類第十九頁，共三十三頁。6.2回采工作面頂板巖層組成分類第二十頁，共三十三頁。測(cè)定巖石單向抗壓強(qiáng)度RC的巖樣，可取自老塘，制成直徑48～56㎜、高徑比為1.8～2.2的試樣，然后按部頒標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。節(jié)理間距I以在巷道內(nèi)肉眼可見的最發(fā)育的一組構(gòu)造裂隙為準(zhǔn)。用測(cè)定的有代表性的10～15個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)的平均值作為計(jì)算指標(biāo)。分層厚度h指的是不同巖性的巖層間和同一巖性內(nèi)沿層理的離層面間距?？稍谙锏阑蚬ぷ髅婵仨攨^(qū)等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。直接頂?shù)某醮慰迓洳骄嗍钱?dāng)冒高在1～1.5m以上，范圍占全工作面長度1/2以上時(shí)，從工作面切頂線到開切眼煤壁之間的距離作為分類計(jì)算指標(biāo)。6.2回采工作面頂板巖層組成分類第二十一頁，共三十三頁。老頂?shù)姆旨?jí)除采取直接頂厚度與采高的比值外，另參照老頂初次來壓步距L，將老頂分成Ⅳ級(jí)。見下表。6.2回采工作面頂板巖層組成分類第二十二頁，共三十三頁。6.3.1回采工作面支架與圍巖關(guān)系的特點(diǎn)

整個(gè)回采工作面上覆巖層中鄰近煤層老頂巖層形成的結(jié)構(gòu)是由“煤壁—回采工作面支架—采空區(qū)已冒落的矸石”支撐體系所支撐。又由于煤壁與已冒落的矸石具有截然不同的特性，因此支架的特性對(duì)支架受力狀況就有很大影響。這樣，為了使支架既能維護(hù)頂板，又只需使用最小的支撐力，研究支架的性能及結(jié)構(gòu)就很重要。同時(shí)支架性能要與上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律相適應(yīng)，即充分發(fā)揮上部結(jié)構(gòu)的自撐能力。因此，支架與圍巖關(guān)系的實(shí)質(zhì)就是要分析支架性能，結(jié)構(gòu)對(duì)支架受力及圍巖運(yùn)動(dòng)的影響，以及在各種圍巖狀態(tài)下支架呈現(xiàn)什么反映，從中分析支架應(yīng)具有的最合理結(jié)構(gòu)及參數(shù)。

6.3回采工作面支架與圍巖的關(guān)系第二十三頁，共三十三頁。回采工作面支架與圍巖關(guān)系的特點(diǎn)如下：（1）支架和圍巖是相互作用的一對(duì)力。在小范圍內(nèi)，圍巖形成的頂板壓力可看作是一個(gè)作用力，支架可視為一個(gè)反力，兩者應(yīng)互相適應(yīng)，使其大小相等，而且盡可能地作用在一個(gè)作用點(diǎn)上。（2）支架受力大小及其在回采工作面分布的規(guī)律與支架性能有關(guān)。（3）支架結(jié)構(gòu)及尺寸對(duì)頂板壓力的影響：實(shí)際生產(chǎn)中證明，在支架架型選擇合適時(shí)，可以用最小的工作阻力維護(hù)好整個(gè)頂板。6.3回采工作面支架與圍巖的關(guān)系第二十四頁，共三十三頁。從上述情況可知，支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須適應(yīng)圍巖條件，支架性能盡可能設(shè)計(jì)成恒阻式，在支架受力過程中應(yīng)盡可能使其與頂板壓力相一致，在支架參數(shù)中最主要的是確定工作阻力與可縮量。對(duì)圍巖來說，主要是考慮在各種支架反力作用下的頂板狀態(tài)，由此引出評(píng)定圍巖完整性與否的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)問題。6.3回采工作面支架與圍巖的關(guān)系第二十五頁，共三十三頁。支架與頂板協(xié)調(diào)關(guān)系的一個(gè)主要方面就是建立和利用支架工作阻力P與頂板下沉量ΔL的關(guān)系。一般情況下，二者曲線關(guān)系見下圖，近似為一條雙曲線。當(dāng)支架工作阻力達(dá)到一定值后，阻力P的增加對(duì)頂板下沉量的影響很小。一般情況下減小頂板下沉量，可對(duì)頂板管理帶來一定的好處。但對(duì)頂板下沉量的控制有限度，超過此限度，支架是無能為力，事實(shí)上只有在工作阻力偏低時(shí)，提高工作阻力才有可能對(duì)頂板下沉量有顯著的效果。6.3回采工作面支架與圍巖的關(guān)系第二十六頁，共三十三頁。6.3.2支架規(guī)格的選定

一般情況下，頂板下沉量SL由下式估算：

式中:η—頂板下沉系數(shù)（單位采高、單位推進(jìn)度的頂板下沉量，㎜）；L—推進(jìn)米數(shù)；M—采高，m；這一公式來自上覆巖層的活動(dòng)規(guī)律而確定的。但頂板的下沉量并不等于支柱的下縮量，這是因?yàn)椤爸е㈨斄?、支設(shè)條件及圍巖性質(zhì)”形成了一個(gè)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)共同承擔(dān)了老頂彎曲變形時(shí)形成的下沉量。因此頂板下沉量應(yīng)是活柱下縮量、頂梁的壓縮量及支柱插入頂、底板量的總和。6.3回采工作面支架與圍巖的關(guān)系第二十七頁，共三十三頁。據(jù)淮南謝一礦等工作面的統(tǒng)計(jì)：底板松軟、支柱插入量較大時(shí)，采用木柱帽，活柱下縮量只占頂板下沉量的20％左右。另外，據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)支柱不易插入底板，使用木柱帽或木頂梁時(shí)，活柱下縮量約占頂板下沉量的40～60％。當(dāng)?shù)装灞容^堅(jiān)硬，使用金屬頂梁時(shí)，則活柱下縮量約占頂板下沉量的60％以上。6.3回采工作面支架與圍巖的關(guān)系第二十八頁，共三十三頁。在選擇支柱規(guī)格時(shí)，首先必須掌握工作面的采高及其變化。同時(shí)要掌握頂板在支柱正常工作狀態(tài)時(shí)的頂板最大下沉量，支架的可縮量必須與其相適應(yīng)。支柱的最大高度Hmax決定于工作面的最大采高M(jìn)max及頂梁厚度b，Hmax＝Mmax－b支柱的最小高度Hmin應(yīng)考慮最小采高M(jìn)min，并同時(shí)能滿足放頂前工作空間最小高度的要求，此外還應(yīng)滿足回收支柱時(shí)必要的卸載高度a。即SL—頂板在最大控頂處的平均最大下沉量；6.3回采工作面支架與圍巖的關(guān)系第二十九頁，共三十三頁。6.3.3工作面支架合理工作阻力

確定工作面支架的工作阻力是一件十分重要的事情。最簡單、最常用的方法之一就是以采高的倍數(shù)估算作用于支架巖柱的重量。許多國家曾將這一方法寫入了確定支柱工作阻力的國家標(biāo)準(zhǔn)。日本采用的是5倍巖柱的重量，蘇聯(lián)為8倍，英國則