單體液壓支柱工作面頂板管理淺談

? 摘要：近幾年來，單體液壓支柱的推廣使用,大大改善了采煤面的頂板管理,減少了頂板事故的發(fā)生,促進了生產(chǎn)的發(fā)展。本文就我礦多年來使用單體液壓支柱的情況,膚淺地談一談這種支護裝備對頂板控制效果的思考。
??????????? 關(guān)鍵詞：單體液壓支柱；頂板管理；安全效果；分析
???????? 1.? 概況
?????????? 礦井在八十年初采煤工作面都是使用金屬摩擦支柱支護頂板。自85年起礦井才開始使用單體液壓支柱,目前,礦井共三個回采工作面,全部都使用單體液壓支柱配π型鋼梁支護頂板。經(jīng)過年多的生產(chǎn)實踐及礦壓觀測證明,單體液壓支往的支護性能基本上適應(yīng)我礦各類頂板的變化規(guī)律,煤層頂飯得到了控制,解決了多種采煤方法的頂板管理問題,收到了比較好的安全效果和經(jīng)濟效果。
??????? 2．采面頂板支護設(shè)計
??????? 依據(jù)頂板壓力確定支護的強度、密度進行計算，來確定采面支護的排、間柱，再按直接頂破碎與否，確定頂梁類型，背頂要求。
??????? 2.1 礦壓顯現(xiàn)參數(shù)
??????? 根據(jù)礦井多年對采煤工作面頂板壓力觀測,礦壓顯現(xiàn)規(guī)律如下：
??????? ⑴、工作面的初次垮落步距為11～20m左右，垮落前支柱最大工作阻力為161.7KN，活柱最大壓縮量13mm。
??????? ⑵、初次來壓步距為18～22m，頂板下沉量為100～200mm，147mm/h，支柱工作阻力為123.2KN。
??????? ⑶、周期來壓步距為10～15m，頂板下沉量為60～100mm，55mm/h，支柱工作阻力為120.5KN。
??????? ⑷、超前壓力影響范圍12～20m，最強烈為8～12m。
??????? 2.2 支護設(shè)計
??????? 2.2.1頂板壓力的確定：其計算公式為
???????????????? P = k1.r.H×9.8×102???????? （ N/ m2 ）
??????? K1?? 頂板壓力系數(shù)，一般為K=4～8? 取4
??????? r??? 巖石容重??? 2.5t/m3。
????????????????? H??? 工作面采高?? 1.8 米；?????
??????? 2.2.2每根支柱支護面積的確定：
??????? ?? S=F平/（k2.P）
??????? ?? S- 每根支柱支護面積（m2 ）
??????????? F平（平均工作阻力）=294（額定工作阻力）×0.8=235.2 KN
?????????????? K 2? 安全系數(shù)，一般為1.05～1.10? 取K=1.05
?????????????? P - 單位面積頂板壓力（ N/ m2? ）
??????? 2.2.3支柱排距、柱距及迎山角的確定：
??????? 根據(jù)工作面頂板巖性、控頂方式、鄰近煤層頂板活動情況及工作面π型鋼梁長度，確定排距1.0 m，驗算柱距：
?????????????? ａ =? S/（k3.b）
???????????????? a - 柱距
??????????????? S- 每根支柱支護面積（m2 ）
??????????????? b - 1.0 m（排距）
??????????????? k3--? 柱距安全系數(shù)（一般為1.4～1.6）， 取? 1.4
??????? 由公式： P=k1·r·H×9.8×103????????? S=F平/（k2.P）
??????? ａ =? S/（k3×b）可推得?
??????? a = F平 / K1×K2×k3×H×r×b×9.8×103????
???????? a = 235.2/4×1.05×1.4×1.8×2.5×1.0×9.8×103=0.91 ｍ???
??????? 式中：
??????? F平（平均工作阻力）=294（額定工作阻力）×0.8=235.2 KN
????????? H?? 工作面采高 1.8米；???? K1?? 頂板壓力系數(shù)，取K=4。
????????? r?? 巖石容重2.5噸/m3。???? K 2? 安全系數(shù)，取K=1.05。
????????? k3--? 柱距安全系數(shù) 1.4。?? b - 1.0 m（排距）?
??????? a - 柱距
??????? 根據(jù)頂板管理有關(guān)規(guī)定及采面頂板壓力顯現(xiàn)規(guī)律，工作面支柱的柱距取0.8m。支柱迎山角沿傾斜方向向上迎2～3，沿走向方向往老塘迎1～2。架設(shè)時支柱必須成排、成行、成直線，其偏差不超過±100毫米。
??????? 3. 工作面頂板支護要求
??????? 3.1工作面支護.根據(jù)工作面采高，頂?shù)装鍘r性及頂板下沉量,選用外注式系列單體液壓支柱配л型梁支護,一梁三柱走向棚,二根一組，組間距0.8m，交替邁步前移，梁長2.4ｍ，梁間隔0.2m。梁端至煤壁不得大于300㎜；初撐力不小于90KN（11.47ＭＰａ），(工作面底板松軟時必須下好底梁和穿好鐵鞋并隨工作面推進而循環(huán)使用，回采工作面放炮前后要實行二次注液)；煤層底板較堅硬時,單體液壓支柱腳眼必須找毛,確保護效果.支護頂板正常情況下，每架棚背頂4組（兩根一組）1.2米長的雜棒；頂板破碎時，每架棚背頂1.2米長木板皮4塊。
??????? 3.2? 特殊支護
??????? ⑴、密柱：采用單排密集支柱切頂，每空兩根密柱，支柱應(yīng)打緊、打牢、打?qū)ι?，嚴禁打在浮煤、矸上，并保證有足夠的初撐力。
??????? ⑵、叢柱：初次放頂或正常放頂時，放頂局部懸頂或冒落高度不充分[﹥（2×5）m2]，必須架設(shè)叢柱，每5m一組，每組三根支柱呈“品”字型架設(shè)，且必須打緊、打牢、打?qū)ι健?br /> ??????? ⑶、靠幫支柱：斷層處、破碎帶及工作面壓力大，造成煤壁片幫，炮道超過規(guī)定的地段及采高大于1.6米處都必須打好靠幫臨時支柱，其間距為0.8米，煤壁用木板皮卡緊，頂板用4組雜棒和木板皮接實。
??????? ⑷、戧柱：對于回采工作面大面積未來頂及俯斜開采地段則架設(shè)戧柱，其支護方式為液壓支柱配圓木，靠近切頂線架設(shè)，沿傾斜方向一梁三柱，支柱間距0.8米。
??????? 3.3? 運輸巷、回風(fēng)巷及端頭頂板控制
???????? 3.3.1 采面上、下端頭支護：工作面刮板運輸機頭尾處使用“四對八梁”支護一梁三柱，交替邁步前移，固定專人負責(zé)，超前回采工作面一排，傾斜長度不低于4.0米。梁長為2.6m的Л型鋼梁，每組兩根，間隔0.2m，其中一根邁步1.0m，每組間距0.8m。上、下端頭第一根支柱分別距風(fēng)巷下幫、機巷上幫的距離不大于0.5m?；夭晒ぷ髅婀伟暹\輸機頭尾的固定支柱和壓柱要打緊、打牢、打?qū)ι健９伟暹\輸機頭尾固定支柱分別為4根和2根，支柱與頂?shù)装宕怪奔茉O(shè)。機、風(fēng)巷分別架設(shè)一組л型梁，并交替邁步前進。
??????? 3.3.2上、下安全出口支護：機、風(fēng)巷用л梁抬棚后，巷道20米內(nèi)，凈高不低于1.6m。機、風(fēng)巷人行道寬度不少于0.7m、柱距0.8m。上、下安全出口距煤壁10m抬雙棚，10～20m內(nèi)靠煤壁幫抬單棚。20米以外,巷道凈高不低于1.8米。
??????? 3.3.3備用支護材料：在工作面風(fēng)巷中，常備有2.0m3以上的材料：園木（直徑不小于160mm，L=2000～2600mm）、板皮（長×寬×厚=1200×200×20mm）、雜木棒（長1200㎜）、擋矸簾（長×寬=1200×600mm）；同時，應(yīng)留有DZ-22及DZ-25型備用支柱及л梁，其數(shù)量不少于工作面在用支柱的5～10%，支柱必須正放，嚴禁倒立；回采工作面支柱編號管理，所有備用支護材料距工作面不超過50m，并碼放好，掛好標識牌。
??????? 3.3.4 支護操作順序和要求：
??????? ①、 π型鋼梁支護時，每組不少于2人，爆破后要求及時移梁，背好頂，一梁二柱，防止冒頂事故，與此同時及時支護好切頂線帶帽頂柱，及時打好靠幫柱，只有將工作面的煤攉盡，移溜完畢，都形成一梁三柱后，方可開始切頂線放頂。
??????? ②、 向前移梁時，必須使π型鋼梁沿煤層走向保持平行，必須按照由下而上順序進行，并保證移梁寬度一致，嚴禁亂移。人員嚴禁站在采空區(qū)側(cè)柱間操作。為防止π型鋼梁旋扭，支柱與鋼梁必須面接觸，四爪卡牢。
??????? ③、 豎立支柱前，要按作業(yè)規(guī)程規(guī)定確定柱位，清掃柱位浮煤，刨柱窩、麻面、下好底梁。
??????? ④、支柱時，人員要站在該支柱地點上方操作。架設(shè)單體液壓支柱時：1人扶柱，將手柄體和注液閥調(diào)整到規(guī)定位置。1人用注液槍清洗注液閥嘴，然后將注液槍卡套卡緊注液閥，開動手柄均勻升柱，使柱爪卡緊梁牙或柱帽，并供液使支柱達到規(guī)定初撐力為止。
??????? ⑤、升柱后要及時拴好聯(lián)鎖繩。
??????? ⑥、單體液壓支柱架設(shè)工作結(jié)束后，必須對初撐力達不到要求的支柱，進行二次注液。
??????? ⑦、 單體液壓支柱三用閥嚴禁架設(shè)成反方向
??????? 4. 頂板控制與安全
??????? 正確而完整的標準，應(yīng)該是所設(shè)計的采面支護能夠?qū)Ω犊赡馨l(fā)生的各種類型的事故（漏頂、冒頂、推垮）。從力學(xué)原因分析，采面冒頂事故可以歸納漏頂、壓垮、推到三種基本冒頂類型。
?????????? 4.1? 采面頂板漏頂型冒頂事故分析
??????? 當直接頂下沉過大、頂板破碎，而采面沒有采取有效的針對頂板破碎地段，有效特殊支護或支柱失效就會出現(xiàn)漏冒型冒頂。通常都是按直接頂?shù)念悇e確定對其防護措施。例如，對于完整的直接頂（我礦四煤層頂板）采用帶帽點，對于中等穩(wěn)定的直接頂（我礦二煤層頂板）采用帶頂梁的支柱，對于破翠的直接頂（我礦三煤層頂板）不僅要使用Л型梁配支柱，而且Л型梁上面還要背竹笆、木板皮密背。
?????????? 炮道無支護空間是防漏重點。當直接頂很破碎或直接頂中存在游離巖塊時，應(yīng)盡量減少頂梁與煤壁之間的距離。為了防止工作面冒頂事故的發(fā)生，Л梁上面要及時用廢舊的材料墊平，或者用編織袋裝煤矸充填好，防止頂板空頂、和Л梁不實，造成不必要的冒頂。
??????? ?工作面上下兩端頭是防漏的另一個重點。嚴格執(zhí)行規(guī)定的“四對八梁”交替邁步前進的措施。對于機巷煤在棚頂上及風(fēng)巷在底板的情況下，分別采取超前支護，風(fēng)巷假風(fēng)巷等技術(shù)措施，完全能夠防止溜頭、溜尾處的局部冒頂。
???????? 此外，對采面中出現(xiàn)的地質(zhì)構(gòu)造破碎地帶，應(yīng)及時補充安全技術(shù)措施重點防范，以預(yù)防冒頂事故發(fā)生。同時對于軟底板工作面，要及時下好底梁，確保采面不臺階下沉。
?????????? 4.2 采面壓垮型冒頂事故分析
??????? 在老塘斷裂下沉的時候，或者是老塘頂斷裂線進入采面空間時，因支柱的支護強度不夠，或者支護質(zhì)量有問題時而導(dǎo)致工作發(fā)生壓垮型冒頂。
??????? 目前，礦井采面都是使用單體液壓支柱其可縮量可達800豪米，能夠適應(yīng)老頂結(jié)構(gòu)下沉，而且單體支柱工作面的支護密度已達1.5-2倍左右，老塘切頂線全部采用密集支柱切頂，完全能夠支撐直接頂?shù)膲毫?，因此，目前所使用的單體支柱，一般支護質(zhì)量沒有問題、和支護強度到位是可以控制壓垮型冒頂。
??????? 4.3 采面推垮型冒頂事故分析
??????? 當直接頂中存在大塊游離巖塊時，就可能發(fā)生推垮冒頂。預(yù)防直接頂中大塊游離巖塊旋轉(zhuǎn)推垮工作面的措施是：觀測頂板中的斷層，裂隙、煤層分叉等情況，判斷大塊游離巖塊的存在，估計回柱時該大塊游離巖石是否失穩(wěn)旋轉(zhuǎn)而下：如果不會失穩(wěn)則可正常回柱；如果可能失穩(wěn)則不能回柱，擴大控頂距，待大塊巖塊完全進入老塘再回柱。
??????? 對于壓、漏、推三種冒頂事故，必須用好采面支柱的支、護、穩(wěn)三種性能。支是指支柱的支撐力與可縮性，其是對付頂板來壓的，護是指支柱防護破碎直接頂?shù)男阅埽ǔＪ峭ㄟ^頂梁與背頂材料來實現(xiàn)，可見其是對付漏的；穩(wěn)是指支柱抗衡沿層面向推力或拉力的性能。當采面應(yīng)用液壓支柱及絞接頂梁（Л型梁）時，可通過用支柱間或頂梁的聯(lián)接與采面單體支柱聯(lián)成一個整體（并增加連鎖繩）等方法形成穩(wěn)定性.
?????????? 5. 結(jié)論與建議
??????? 使用單體液壓支柱合理設(shè)計支護，就是要針對具體的煤層及其頂?shù)装鍡l件來確定，目的是促進頂板在一定時期內(nèi)保持穩(wěn)定，在支護強度內(nèi)承受可能發(fā)生的壓、漏、推現(xiàn)象。應(yīng)當指出，不同采面發(fā)生壓、漏、推冒頂?shù)目赡苄愿鞑幌嗤?，一個采面的不同地點，發(fā)生壓、漏、推的危險也不一樣，因此，合理設(shè)計支護時，必須因地制宜。建議單體液壓支柱支護頂板重點主要從以下二方面落實。
??????? 5.1 規(guī)范支護設(shè)計：支護設(shè)計應(yīng)根據(jù)礦井煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)、壓力顯現(xiàn)規(guī)律、支柱性能等技術(shù)參數(shù)合理確定支護密度（支柱排距與柱距）。然后，加強現(xiàn)場質(zhì)量管理，確保支護效果。
????????? 5.2支護標準與頂板控制：
????????? ⑴、工作面控頂范圍內(nèi)，工作面頂板不出現(xiàn)臺階下沉。頂?shù)装逡平坎筛擗Q100mm/m。π梁端至煤壁頂板冒落高度不大于200mm。新設(shè)支柱初撐力≧90kN。
??????? ⑵、底板松軟時，支柱要穿柱鞋，鉆底＜100mm。
??????? ⑶、工作面支柱要打成直線，其偏差不超過±100mm。柱距偏差不大于±100mm，排距偏差不超過±100mm。
??????? ⑷、工作面上下機頭處使用好四對八梁，支柱初撐力≧90kN
??????? ⑸、工作面上、下出口及兩巷，超前支護必須用液壓支柱和長鋼梁，距煤壁10m范圍內(nèi)打雙排柱，10～20m范圍內(nèi)打單排柱。高度不低于1.6m，有0.7m寬人行道、柱距0.8m。
??????? ⑹、控頂距不超規(guī)定，采空區(qū)冒落高度普遍不小于1.5倍采高，局部懸頂（＜10m2）和冒落高度不充分用叢柱加強支護，超過的要強制放頂。
??????? ⑺、切頂線支柱數(shù)量齊全，無空載支柱和失效支柱，擋矸有效。特殊支護（戧柱、戧棚）符合要求。
??????? 5.3? 預(yù)防冒頂事故建議
??????? ⑴、加強工作面工程規(guī)格質(zhì)量，嚴格按采煤工作面質(zhì)量標準化要求架棚。支柱必須成排、成行，迎山有力，初撐力不少于90KN。
??????? ⑵、支柱架設(shè)必須根據(jù)煤層頂?shù)装迤露榷?，嚴禁架在浮煤、浮矸上，嚴禁鞋上穿鞋，帽上帶帽，嚴禁架設(shè)光頭支柱，底板松軟時，要穿鞋支護。
??????? ⑶、合理布置好炮眼，按規(guī)定裝藥，防止放炮時崩倒支柱，對于放炮打倒、崩走樣的支柱（或者漏液倒的支柱），必須及時扶好，補齊更換。
??????? ⑷、如果工作面出現(xiàn)抽槽、漏頂，首先對其周圍支護進行加固，然后用木子抬好一梁三柱的走向棚，棚距為0.8m，并用板皮和擋矸簾背接好頂板。
??????? ⑸、認真做好回柱放頂工作，嚴禁超挖采煤，抓好工作面的正規(guī)循環(huán)作業(yè)，控制頂板壓力。
??????? ⑹、加強工作面上、下安全出口和上、下巷道的修理和維護，保持上、下巷道的支護完整和暢通。需要改棚時，必須堅持先支后改的原則。
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??????????? 參考資料：
??????? 1、《回采工作面設(shè)計規(guī)范》。
??????? 2、《煤礦安全規(guī)程》、《采煤工種技術(shù)操作規(guī)程》，
??????? 3、礦井礦壓顯現(xiàn)觀測資料。
??????? 4、《單體液壓支拄使用方法》
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