第五章 采场顶板支护方法

第五章采场顶板支护方法

第五章 采场顶板支护方法

第一节 顶板分类与底板特征

一、对直接顶的分析

直接顶的完整程度取决于两个因素：一个是岩层本身的力学性质，另一个是直接顶岩层内由各种原因造成的层理和裂隙的发育情况。

以直接顶的初次垮落步距L 0作为直接顶分类的工程指标，并将初次垮落步距L 0 ≥16 ~ 20 m 的顶板称为稳定顶板，把L 0 ≤8 m 的顶板称为不稳定顶板，对L 0 = 9～15 m 之间的顶板则称为中等稳定顶版。

西德埃森采矿研究中心提出。端面破碎度是指支架前粱端部到煤壁间顶板破碎的程度，即破碎度以％表示。式中F A 为破碎的面积，F 为整个梁端到工作面煤壁的面积。但一般冒高超过5 ~ 10 cm 的面积才计入破碎面积。

根据西德鲁尔区的大量测定，可将该区的顶板分为三大类：一类为E = 0～10％；二类为E = 11%～30％，。三类为E > 30％。对于第三类，则无论从支架设计及生产管理上均应使端面距尽可能地小，以防止顶板冒落。这三类端面距与顶板破碎度的关系如图5-1所示。

图5-1 端面距与顶板破碎度的关系

A F

F

二、对基本顶的分析

在基本顶原分类中引入了直接顶厚度h i与煤层采高h m的比值N，N=h i/ h m。分类认为：Ⅰ．N> 5，这时基本顶的垮落与错动对工作面支架无多大影响，称为无周期来压或周期来压不明显的顶板。

Ⅱ．2 < N< 5，这时基本顶的失稳对工作面支架有较为严重的影响，称为有周期来压的顶板。

Ⅲ．N< 2，甚至没有直接顶。这时，基本顶的悬露与垮落都将对工作面支架有严重的影响。称为周期来压严重的顶扳。

Ⅳ．基本顶特别坚硬，又无直接顶。这时顶板常在采空区内悬露上万平方米而不垮落。当其垮落时，则形成暴风，顶板往往沿工作面切落，造成事故。这类顶板称为极坚硬顶板。由于大面积坚硬顶板难以处理，长时期来，仍然只能使用煤柱支撑法来管理这类顶板，即每采一定距离后，采空区内留一段煤柱，以防止顶板冒落。显然，这种方法将造成很大的煤损，且不利于使用综合机械化采煤。但通过多年研究和实践，采用爆破放落部分顶板，或用注入高压水使顶板软化等办法处理顶板，已可基本控制大面积顶板垮落对工作面造成的严重威胁。这些将在第十章加以进一步叙述。

Ⅴ．能塑性弯曲的顶板。赋存在煤层之上的顶板，随着工作面的推进能缓慢下沉，而后逐渐

与煤层底板相接触。这种情况的形成，显然与顶板岩层的性质，采高及岩层厚度有关。一般只可能在薄煤层或厚度不大的中厚煤层的石灰岩顶板中才出现。

三、顶板分类方案及其指标

表5-1直接顶

分类指标及参考要素

类别

1类 不稳定顶板 2类 中等稳定顶板 3类 稳定顶板

4类 非常稳定顶板

1a

1b 2a 2b 基本指标

τr ≤4

4<τr ≤8

8<τr ≤12

12<τr ≤18

18<τr ≤28

28<τr ≤50

岩性和结构特征

泥岩、泥页岩、节理裂隙发育或松软

泥岩、碳质泥岩、节理裂隙较发育 致密泥岩、粉砂岩、砂质泥岩、节理裂隙不发育 砂岩、石灰岩、节理裂隙

很少 致密砂岩、石灰岩、节理裂隙极

少 主要力学参数参考区间

综合弱化常量 C Z =0.163±0.064 C Z =0.273±0.09 C Z =0.30±0.12

C ZC =0.43±0.157 C ZC =0.48±0.11 单向抗压强度 R C =27.94±10.75 R C =36±25.75 R C =46.3±20

R C =65.3±33.7 R C =89.4±32.6

分层厚度 h 0=0.26±0.125 h 0=0.285±0.13 h 0=0.51±0.355 h 0=0.675±0.34 h 0=0.72±0.34 等效抗弯能力

R C h 0<7.52

R C h 0=2.9~11.4

R C h 0=7.8~29.1 R C h 0=33~104

R C h 0=45.5~139.4 Z C 0基本顶分级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 基本顶来压显

现 不明显

明显

强烈

非常强烈 Ⅳa

Ⅳb

分级指标

≤895 895<

≤975 975<

≤1075 1075<

≤1145

>1145

四、底板特征

底板岩层在矿山压力控制中涉及两类问题：其一是煤层开采后引起的底板破坏，其范围将与开采范围及采空区周围的支承压力分布有关，由于底板的破坏可能导致地下水分布的变化，如我国华北地区许多煤层的底板为奥陶纪石灰岩，富

e

P e

P e

P e

P e

P

含水性，煤层开采后底板的变形破坏可能引起突水等事故，因此必须研究开采后的底板破坏规律；另一方面从采场支护系统而言，支护系统的刚度是由“底板—支架—顶板”所组成，因此底板岩层的刚度将直接影响到支护性能的发挥，由于单体支柱的底面积仅100cm 2，在底板比较松软的情况下，支柱很容易插入底板，从而影响对顶板的控制。

图5-2 工作面实测支柱载荷与支柱穿底量关系

此处应指出，底鞋不宜采用木材，因为木材的横向抗压强度甚小，只有3MPa 左右，与软底板情况相近，因此抗插入能力差，效果不明显。 根据我国煤矿开采工作面底板对支柱的影响将底板进行了分类，如表5-3所示。可根据此表选择支柱应具有的底面积。

底板类别 基本指标

辅助指标 参考指标 一般岩性

名称

代号 容许比压q c / MPa 容许刚度K c / MPa •mm -1 容许穿透度βc /

mm -1 容许单轴抗压强度R c / MPa 极软 Ⅰ < 3.0 < 0.035 < 0. 20 < 7.22 充填砂、泥岩、软煤 松软

Ⅱ 3.0~6.0 0.035~0.32 0.20~0.40 7.22~10.80 泥页岩、煤 较软

Ⅲa 6.0~9.7 0.32~0.67 0.40~0.65 10.80~15.21 中硬煤、薄层状页岩

Ⅲb

9.7~16.1 0.67~1.27 0.65~1.08 15.21~22.84 硬煤、致密页岩 中硬

Ⅳ

16.1~32

1.27~

2.76

1.08~

2.16

22.84~41.79

致密页岩、砂质泥岩