煤矿回采工作面支护的简析

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摘 要： 煤矿回采工作中经常面临顶板冒落事故的威胁，我们应加强对回采工作面的支护，提高回采工作面支护的安全性能。本文对采用结构可靠性理论论证支护设计的安全性，建立支护极限状态方程进行分析与研究。

关键词： 回采工作 支护 结构可靠性理论 支护极限状态方程

1.回采工作面顶板组成及其分类

1.1顶板组成

回采工作面围岩包括煤层上方的直接顶、基本顶和直接底板。

1.2直接顶稳定性划分

直接顶是工作面支架首要的支护对象，对直接顶稳定性的评价是支架选择的首要依据。研究表明，影响顶板的主要因素有：

（1）组成顶板岩石的坚硬程度和脆性特征；

（2）顶板岩石的分层厚度和分层强度沿厚度的分布；

（3）顶板岩体的完整程度。

1.3基本顶矿压显现分级

基本顶是直接顶之上，较难垮落的岩层组合，对工作面支架选型有重要意义，研究表明其影响取决于：

（1）基本顶初次和周期来压的步距；

（2）直接顶垮落后的充填程度；

（3）直接顶的厚度越大，矿压越强。

2.支架架型的选择

支架架型选择主要要考虑地质和采矿条件：

（1）直接顶的稳定性类型；

（2）基本顶的级别及相应的矿压显现参数；

（3）底板类型；

（4）煤层厚度；

（5）煤层倾角；

（6）瓦斯等级，相应的通风断面。

选架时，支架类型有支撑式、掩护式、支撑掩护式三种类型。此外，

（1）对于不稳定的和中等稳定的顶板，应优先考虑二柱掩护式支架；

（2）对于非常稳定的顶板，应优先考虑四柱掩护式支架。

3.支架对顶板的支护

3.1回采工作面支架对顶板应支护得好

直接顶内可能存在各种原生的和采动的裂隙，从而使直接顶破碎，甚至出现如锅底石、驴槽石、将军帽等游离岩块。采煤后，如果不及时支护这类顶板，则可能导致这些游离岩块冒落，当放炮、移溜、翻打支架等工作不慎弄倒已支设好的支架时，也可能使这类游离岩块冒落。

实践中已认识到对顶板既要支又要护，而且把直接顶按有无裂隙和裂隙的多少分为完整的（稳定的）、中等稳定的和破碎的三类。当采用单体支架时，对完整顶板使用戴帽顶柱即可；中等稳定少有裂隙的顶板应使用交接顶梁垫平和板皮衬平即可；对破碎顶板铰梁上铺设均匀扒条或木材即可。当采用自移式液压支架时，对于完整的直接顶，可以选用支撑式支架；对于中等稳定或破碎的顶板，选用掩护式或支撑掩护式。

应用单体支架的工作面，目前还是采用人工回柱放顶，放顶线上支柱受力不会是均匀的，当人工回撤“吃劲”柱子时，往往柱子一倒下顶板就冒落，如果回柱工来不及退到安全地点，就可能被砸到造成事故。这种情况在分段回柱回撤最后一根柱子时尤其容易发生。单体液压支柱使用卸液钩子长绳远方操纵回撤。

3.2回采工作面支架对顶板应稳得住

当煤层顶板是复合顶板，如果支架的初撑力在说明书上所规定的值达不到，由于原生及采动裂隙的切割，顶板中存在一个与上位岩层离层，并与周围岩体割断，加之煤层又有一定倾角，该断裂岩块就有一个沿层面并指向倾斜下方的推力，回采工作面单体支架如果没有抵抗岩层面推力的能力，就会被推倒而导致冒顶。如果顶板中存在由断层、裂隙等切割而形成的大块游离岩块，回柱后游离岩块就会旋转，从而推倒回采工作面支架而导致冒顶。

如果在直接顶中存在与层面斜交的裂隙组，在老顶急剧下沉的迫使下，直接顶施加给支柱的不但是垂直压力，而且有沿层面的侧压力，可能推倒回采工作面支架而造成冒顶，在断层破坏带附近也有类似的情况。以上类型的冒顶，不是因为回采工作面支架的支撑力不够，而是因为支架的稳定性不够，不能抵抗沿层面的推力而导致的。

所谓稳得住，就是要求支架是有抵抗来自层面方向的推力。一旦顶板要沿层面方向运动或旋转，支架就能抵抗得住，不至于被推倒。

实践证明，应用掩护式及支撑掩护式自移液压支架的回采工作面与应用单体液压支柱的高档普采工作面，如果初撑力大，就不易发生推垮型冒顶，其原因就是因为支架对顶板能够稳定得回采工作面支架的支、护、稳，是和顶板事故相联系的，支不起就会导致压垮型冒顶，护不好就会导致局部冒顶，稳不住就会导致推垮型冒顶，因此对回采工作面支架的基本要求应该包括支得起、护得好、稳得住三个方面。应该指出，不同的煤层顶板条件和倾角条件对支架支护、稳的要求有所不同。当老顶来压比较强烈，直接顶很完整，煤层倾角又很小时，主要考虑支得起的问题；对于老顶来压不明显，直接顶比较破碎，煤层倾角又很小时，主要应考虑护得好问题；当老顶来压比较强烈，直接顶比较破碎，煤层倾角又很小时，既要考虑支又要考虑护，如果老顶来压比较强烈，直接顶比较破碎，煤层倾角又比较大，则对回采工作面支架的支、护、稳都得全面要求。

3.3小结

在选择回采工作面支架类型与布置时，应该考虑煤层的顶板和倾角等条件，选用合适的支架。只有这样才能保证安全而正常生产，才能把回采工作面顶板事故减少到最低限度。

4.回采工作面支护可靠性分析

为提高矿井支护的安全性能，考虑矿井围岩与支护的随机性和模糊性等特点，采用结构可靠性理论论证回采工作面支护设计的安全性，建立支护极限状方程，并与安全系数法进行对比分析。分析与实例计算显示，矿井支护可靠性分析是一种先进方法。煤矿在确定支护设计时，利用安全系数提高支护的安全性。但是矿井支架的支撑能力与围岩应力均具有“随机性”与“模糊性”等特点，而支护设计必然涉及支架支撑能力与围岩应力这两个参数，所以安全系数方法不能全面反映随机变量变化对支护安全的影响。

4.1结构可靠性计算原理

根据结构可靠性理论，在利用应力与强度型可靠性理论研究矿井支护可靠性时，必须建立“围岩与支护”系统的极限状态方程，即井下围岩应力与支架支撑能力的力学函数关系，利用极限状态方程分析支护设计的可靠性。设有n个随机变量Xi（i=1，2，…，n），它们共同影响矿井支护系统的可靠性。这些变量对支护系统某些功能的影响程度可用一个状态方程表示：

4.2支护极限状态方程

支护极限状态方程是考虑矿山压力理论、支护方式与围岩条件等因素而综合建立起来的一种支护极限状态方程，是进一步分析矿井支护可靠性设计的状态函数。由于矿井生产条件的复杂性、矿山压力理论和支护方式的多样性，使矿井支护极限状态方程的建立出现了多样化。无论采用哪种矿山压力理论与支护方式建立起来的极限状态方程，利用结构可靠性理论研究时都应得到相同的结果。目前，回采工作面的矿山压力理论主要分为传递岩梁和铰接岩梁等理论模型。本文主要根据在生产实践中普遍应用的、按若干倍采高的岩石重量作为顶板压力建立支护系统的极限状态方程。

矿井单体支柱回采工作面的支护密度为

4.3小结

矿井围岩压力与支架的支撑能力是相互关联的，围岩在一定条件下既是支架压力的来源，又可能是承载体，所以支护设计必须考虑相关系数的影响。采用上述方程可以算出个值Z，当Z大于0即为可靠；当Z小于0时，为不可靠。

采用不同的矿山压力理论可以建立不同的极限状态方程，但是各种极限状态方程得到的结果应相同。

5.结语

回采工作面的支护对工作人员的生命安全有至关重要的意义，在这方面，煤矿应该投入大量的人力财力，努力做好工作面的支护，并对其进行可靠性分析论证。严谨作业，保障煤矿工人的安全，减少财产损失。

参考文献：

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