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1、第三章 预防冒顶事故的采场控顶设计,概述 综采面的控顶设计 单体工作面控顶距的确定 单体支柱工作面控顶设计 初放阶段的控顶设计 用经验数据估算有关老顶参数,第一节 概述,采场顶板控制设计的依据： 顶板运动规律；工作面矿压统计规律；预防冒顶事故。 采场控顶设计的目标： 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； 所需费用最少。,控顶原则之一：预防压垮型冒顶,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（支）。 支架或支柱的初撑力应能保持直接顶与老顶或下位23m岩层与上位岩层之间不离层（切）。 支架或支柱的可缩量应能适应裂隙带岩层的下沉（让）。 对厚层难
2、冒顶板，应松动碎裂23倍采高顶板岩层，或在工作面前方有钻眼爆破，高压注水松动碎裂顶板，或在采空区挑顶（挑）。,控顶原则之二：预防漏冒型冒顶,对于综采工作面： 如果直接顶比较软弱，液压支架应选用支撑掩护式支架或掩护式支架中； 初撑力应使端面冒高不超过300mm； 生产中应及时支护，且端面距不宜超过340mm。,控顶原则之二：预防漏冒型冒顶,对于单体支柱工作面： 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。 支柱的初撑力应使端面冒高不超过200mm。 柱距要小于0.7m，端面距应小于200mm。 工作面推进过程中，若遇较大断层带，应考虑采用固结法处理碎顶。,控顶原则之三：预防推垮
3、型冒顶,支架的初撑力应能保证下位岩层与上位岩层不离层，并使其间的摩擦力足以防推。 支架能够保证煤层上方23m岩层与上位岩层不离层，并沿切顶线主动切断下位23m岩层。 单体支柱工作面，金属网下采煤时，初撑力应保证网兜高度不超过150mm。 摩擦支柱面，采用“整体支架”防推。,预防冒顶事故的控顶设计特点,要求支架（支柱）有一定（较高）的初撑力来防压、防漏、防推。 工作阻力是压出来的，而初撑力是主动支撑顶板的。 均按最不利的条件，确定支护参数。-因为对于顶板事故是不允许有半点差错的。,第二节 综采工作面控顶设计,控顶设计确定支架架型、支架工作阻力、初撑力、支架高度等。 要求防漏、防压、防推。,支撑式
4、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：支撑性、防护与稳定性性能都很好。,1. 综采漏冒型冒顶的控制措施,当直接顶较软时，要考虑防漏，应选用支撑掩护式支架或掩护式支架。 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（带护帮装置）。 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。 在断层破碎带，应采用固结法处理碎顶。,2. 综采压垮型冒顶的控制措施,支架的工作阻力应能
5、支撑住工作空间及采空区上方垮落带岩层的重量。 支架最不利的情况：支撑老顶断裂岩块全部重量和直接顶岩层重量。,支架的工作阻力支撑垮落带岩重：,Lz直接顶岩梁的长度； Lz=Ld+Lh+Lzx Ld 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。若无实际数 据，可参考以下数据： hi=1.5m, Llki=6m, hi=2m, Llki=10m, hi=2.5m, Llki=14m.,上述计算的差异： 垮落带中无老顶：要考虑支架后方的直接顶悬顶。 垮落带中有老顶：老顶下压，仍考虑支架后直接顶的悬顶。 考虑到掩护式及支
6、撑掩护式支架的立柱往往不垂直于顶板，并且掩护梁上承受冒矸的载荷，实际所需的支架的工作阻力还应增加20%左右，用增加的20%左右的p进行支架选型时，p小于支架额定工作阻力的70%。用p进行液压支架设计时，富裕系数为1.52.0。 初次来压步距大于周期来压2倍时，富裕系数应取更大。 当顶板压力很大时，支架立柱需要大流量的安全阀。,2. 综采压垮型冒顶的控制措施,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。 为达此目的，初撑力应能把直接顶沿支架后端切断。,要使支架后端的直接顶处于固支状态，支架的初撑力必须满足三个条件： 初撑力能平衡支架上方直接顶岩重； 支架后端的初撑力能平衡采空区上方
7、将要被切断的直接顶悬顶岩重； 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。,平衡直接顶岩梁的初撑力：,平衡直接顶岩梁力矩的初撑力：,说明： 为切断直接顶，初撑力取上述三者的最大值。 直接顶很厚时，切断厚度2.53.0m。 无直接顶时，切断老顶厚度2.02.5m。 需切断下位老顶岩层时，所需支架的初撑力可参考以上公式计算。 老顶在采空区上方的极限悬顶距应采用实际数据；若无，可参考以下数据选取: 1.5m厚老顶，悬顶距3m；2.0m厚，悬顶距5m；2.5m厚，悬顶距7m。,2.综采压垮型冒顶的控制措施,3）支架的可缩量应适应裂隙带老顶的下沉。 需计算裂隙带老顶回转下沉
8、在采煤工作面产 生的顶板下沉量，分以下两种情况考虑： 当垮落带岩层不能充填满采空区时； 当垮落带岩层充填满采空区时。,2.综采压垮型冒顶的控制措施,3）支架的可缩量应适应裂隙带老顶的下沉。 当垮落带岩层不能充填满采空区时： 最大控顶距时，顶梁末端顶板最大下沉量计算图：,采场最大控顶距处的最大下沉量：,最大控顶距（采煤后未移架时的控顶距） 裂隙带老顶周期来压步距，计算时应取实际数据，若无可参照以下经验数据： 老顶岩层厚2m时为10m，老顶厚2.5m时为14m； H 裂隙带老顶断块触矸处的下沉量。,当垮落带岩层充填满采空区时：,确定支架的最大支撑高度和最小支撑高度： 例如QY3200-20/38,
9、2.综采压垮型冒顶的控制措施,说明：对厚层难冒顶板，采用钻爆或注水法，松动碎裂23倍采高岩层（直接顶+老顶）。一般应提前进行碎裂。 当厚层难冒顶板不大时，只处理下部部分厚度，余下部分转变为裂隙带岩层。 将处理部分顶板岩层视为垮落带岩层。,3.综采推垮型冒顶的控制措施,具有复合顶板，初撑力不足时，容易倒架。 上下位岩层间的摩擦阻力防推。 初撑力可将下位岩层顶紧到上位岩层上。,4. 总结,综采顶板控制设计的主要目的是为了防推、防压、防漏顶板事故。 可以设计的是支架的初撑力，应取上述三者的最大值( )，实际所需的支架初撑力还应增加20%左右。 选型计算时支架所需的初撑力应小于支架额定值的80%。 新
10、研制支架的初撑力应有大于1.2 倍的富裕系数。,第五节 初放阶段的控顶设计,1 直接顶的初次垮落 关键：初撑力上，沿放顶线切断直接顶。 计算方面：直接顶的悬顶距Lzx为直接顶 初次垮落步距Lzxdc的一半。,2、老顶初次来压 关键：工作阻力上，沿放顶线能支撑住垮落带老顶 的重量。 计算方面：垮落带老顶最上分层的厚度Llki为老顶初次来 压步距的Llxc的一半。,初次来压时，垮落带老顶最上分层岩重为。,垮落带老顶最上分层及其附加岩层厚度。 极限跨距，取实际或1.5m厚为20m，2.5m厚为40m。 放顶线另增支柱的密度：,已有密集支柱的工作阻力。,3 初放阶段顶板控制注意的问题,切直接顶、支老顶
11、的密集，应在预计极限跨距前若干米处就应架设。 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。应按12天的推进距重新设计计算。 老顶来压前放顶线支撑老顶密集的线密度与正常生产的密集线密度不必叠加，取最大值即可。 对于综采面，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，则需要挑顶等其他辅助措施。,综采工作面控顶设计的步骤：,（1）计算垮落带岩层（直接顶和垮落带老顶）的范围； （2）计算支架应满足的工作阻力（“给定载荷”）； （3）计算支架的初撑力： 初撑力能平衡支架上方直接顶岩层的重量（包括采空区上方将被切断的那段悬顶）； 支架后端的初撑力能
12、平衡采空区上方将要被切断的直接顶悬顶岩重； 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层所产生的力矩； 支架的初撑力应能防止下位岩层（直接顶岩层）发生推垮型顶板事故，对于近水平煤层，可不考虑下位岩层的推垮事故。 （4）计算裂隙带老顶岩块的回转下沉在采煤工作面造成的顶板下沉量，在此基础上计算支架的最大和最小支撑高度。 （5）计算直接顶初次垮落时支架所应满足的工作阻力和初撑力； （6）计算老顶初次来压时支架的工作阻力。,单体支柱工作面控顶设计的步骤：,（1）计算垮落带岩层（直接顶和垮落带老顶）的范围； （2）计算单体支柱工作面的支柱排距Lj（根据 “给定载荷”）； （3）计算支架的
13、初撑力： 初撑力能平衡直接顶岩层的重量（包括采空区上方的悬顶）； 支架后端的初撑力平衡采空区上方直接顶悬顶的重量； 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层所产生的力矩； 支架的初撑力能防止下位岩层（直接顶岩层）发生推垮型顶板事故，对于近水平煤层，可不考虑下位岩层的推垮事故。 （4）计算裂隙带老顶岩块的回转下沉在采煤工作面造成的顶板下沉量，在此基础上计算支架的最大和最小支撑高度。 （5）计算直接顶初次垮落时支架所应满足的工作阻力和初撑力； （6）计算老顶初次来压时支架的工作阻力。,第四节 单体支柱工作面控顶设计,设计的主要内容：支柱类型，支架的柱距，支柱的初撑力等。 已知量
14、：顶梁长度与支柱的排距，与采煤进度与采煤机截深一并考虑。最大与最小控顶距。 设计量：支柱的柱距（支柱的密度）、支柱初撑力、支柱的最大与最小支撑高度。 设计步骤：漏冒型、压垮型和推垮型。,1.漏冒型冒顶的控制措施,1）按顶板类型确定支护原则 坚硬顶板：无需护顶，支柱带帽即可。 中等稳定：支柱带顶梁，顶梁与裂缝最好垂交。 软弱顶板：带顶梁，顶梁上加背板。特别碎的还要背严，柱距小于0.7m 。机头机尾采用四对八梁。 2）控制端面冒顶 顶板松软时，应采用恰当的柱梁配合，控制端面距，必要时增设短梁，使端面距小于200mm。,3）控制单体面的端面冒高 端面冒高应控制在200mm以内，否则，顶板不好控制。一
15、般初撑力愈大，端面冒高愈小。靠调压实验和监测来解决。 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，网下可用支柱与II型长钢梁组成的对棚迈步支架。,2.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。 一定密度基本柱阻力支撑工作空间的垮落带。 一定线密度的密集柱阻力支撑采空区的垮落带。,工作面支柱布置平面图及剖面图,2）支架的初撑力应保持直接顶与老顶或下位岩层与上位岩层之间不离层。,为使不离层，支架的初撑力应能把直接顶沿放顶线切断。则需： 支架初撑力能平衡直接顶岩重（包括悬顶）。 放顶线支架
16、初撑力能平衡采空区直接顶悬顶岩重。 初撑力的主动力矩能平衡直接顶岩梁所产生的力矩。,支架初撑力平衡直接顶岩梁的重量。所需的初撑力为：,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）。,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。,为沿放顶线切断直接顶，所需初撑力应为上述三者的最大值。 如果初撑力过大，会造成支柱选型困难，此时应减小支柱之间的间距或加大密集支柱的数量。,切断直接顶的厚度不超过2.53.0m。 无直接顶，切断老顶厚度不超过2.02.5m。 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：一是调整有关岩重的计算，二是老顶的极限悬顶应采用实际数据。 参考数据：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。 所需初撑力是墩柱间距与单位密集柱初撑力的乘积。,
