煤矿工作面坚硬顶板支护方式的研究

引言

在开采顶板硬度系数较高的煤层时，通常面临着采空区工作面回采后不能及时垮落的问题。煤矿的安全生产便不能有效地进行，甚至有时还会有人员伤亡。本文以作为改进采煤方法的支护技术为研究对象，提出了单体液压支柱π钢梁支护和XDY-1TY/1200型悬移支架支护两种支护方式，以便有效地解决制约坚硬顶板采煤顺利生产的顽疾[1-2]。

例(3):“Do you,” said I, “do you always work up the deduction after this fashion in your own case, sir?”

在降尘装置的末端设有外部负压泵，为整个装置提供负压。当掘进机进行作业时，截割所产生的粉尘散布于空气中，此时，降尘装置在吸尘式炮头的吸尘口形成负压，含尘气体经吸尘式炮头吸尘孔与中空花键轴前端吸尘孔进入中空花键轴轴线空腔，之后经含尘气体收集器包围段的中空花键轴排尘孔进入到含尘气体收集器中。含尘气体被收集以后，经含尘气体收集器排尘口通过负压式气体管道运送到位于降尘过滤器上部的进尘口，经过降尘过滤器的过滤作用，含尘气体与过滤所用液体，被转化为干净的气体和含尘液体。被过滤的气体由排气口排出，含尘液体则经含尘液体排放器的排液孔排放到掘进机前的铲板上，又可对前端铲板运移煤岩进行降尘。

1 平舒矿概况

平舒矿位于寿阳县大兴庄村，井田位于沁水煤田的北部，东西平均走向长9.407 km，南北平均倾斜宽2.96 km，井田面积为27.8205 km2，全井田内剩余煤炭资源储量127.50 Mt。开采范围标高为+900～+650 m，矿井核定生产能力为90万t/年，属煤与瓦斯突出矿井。矿井现开采8号煤，位于太原组顶部，煤层厚1.34～2.50 m，平均1.64 m，中部最厚，东部稍薄结构简单，一般不含夹矸，顶板岩性为较坚硬的砂岩。其中，工作面支柱和支架的材料决定着支护质量的好坏。为了更好地控制顶板，支架和支柱应选择具有足够初撑力和工作阻力的材料。

2 单体液压支柱π钢梁支护

目前，单体液压支柱具有快速响应，能够使载荷呈均匀分布，保证采煤工作面稳定的特点。所以，多数具有坚硬顶板的矿区其支护方式正进行着由传统的支护到单体液压支护的变革。

2.1 单体液压支架实际支撑力及其确定方法

初次来压结束到工作面完工的整个过程为正常推进阶段，整个过程为阻止顶板垮落所需的合理支护强度为：

通过在煤矿的实际验证与经验得知，支柱的有效支撑力RT可以表示为[3]：

2.1.1 支柱不钻底

当支柱不钻底时有：

 

式中：KZ为增阻系数；KB为支柱承载时的不均匀系数；GB为回撤前支柱的理论工作阻力，kN/柱。

“我们是捉胡子，有胡子，乡民也是同样受害，你没见着昨天汽车来到村子宣传‘王道’吗？‘王道’叫人诚实。老太太说了吧！有赏呢！”

卢成功仍旧笑眯眯地说：“啊，这事也只是我们的一种猜测，请毛夫人来也只是确认一下，或许事情并不那么糟？”

经实地现场测量，式（1）中参数的取值范围如表1所示。

 

表1 初撑力参数的取值范围

  

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2.1.2 支柱钻底

当支柱钻底时，支柱的有效支撑能力和底板的抗压入能力有关，当底板抗压入能力低于支柱的支撑能力时：

 

3）工作面采高和工作面煤层的性质。

当出现支柱钻底时，给支柱加装铁鞋防护，可以有效增大支柱的支撑能力。对于煤矿而言，其底板状况优良，抗压入能力强，因此选用支柱不钻底公式来计算单体液压支柱的初撑力。各系数取值根据表1计算得RT=0.9×0.85×275=210.3 kN/根。

通过上式计算结果可以看出：煤矿单体液压支柱的初撑力为210.3 kN/根，因此选用220 kN/根的单体液压支柱即可。

1.2.1 采样点布设。根据烟台市农业局提供的该地区苹果园分布现状的详细统计资料，结合当地各苹果园所处地形、分布面积、肥力状况和管理状况等，同时考虑苹果园分布的集中情况进行布点疏密调整，采用系统-随机布点法，选取能代表临近大片果园状况的果园作为具体的采样点，确保采样点覆盖了烟台市苹果园现有分布区，最终确定采样点 304个。

2.2 支护密度的确定

目前，支护密度的确定对于单体液压支柱来说主要按照摩擦支柱的支护密度进行设计，缺乏理论分析，因此容易出现强支柱，弱支护的现象。这严重制约了单体液压支柱技术的发展。针对该情况，确定合理的工作面支护密度成为单体液压支护技术的关键。单体液压支柱的支护密度主要和以下几个方面相关[4]：

1）支柱的结构强度；

2010～2015年乡镇卫生院人员配置趋势，从性别分析，女性占比呈现上升趋势；从年龄分析，34岁以下的卫生技术人员逐渐减少，35～44岁以及60岁以上的逐渐增加，截止2015年底，25～44岁占比最大，为70.57%，60岁以上占4.18%；从学历分析，大专及以上的人员构成逐渐增加，截止2015底，主要以大专、中专及中技为主，占比分别为41.33%和42.62%。本科及以上学员占12.00%，大专及以上学历占53.33%；从职称分析，职称构成变化趋势不明显，截止2015年，以师级/助理为主，占39.18%，中级占22.40%，正高级和副高级职称占比相对较少，分别为0.09%、1.18%。

艾迪追寻自我和生命意义的希望被安斯全盘否定。弥留之际，艾迪想象着自己的葬礼——她对安斯的最终惩罚。艾迪对自己葬礼的这种感知的叙述，向读者展现了其背后的势——个人主义。

2）工作阻力的大小；

式中：G'B为支柱的工作阻力，kN/柱。

合理支柱密度经煤矿安全通用准则查询可知可用下式表示：

 

所选病例符合要求，排除以下病例：（1）合并内外科其他严重疾病者；（2）合并精神类疾病者；（3）合并严重身体缺陷者；（4）合并肝肾心肺功能严重损伤者；（5）入组前接受类似治疗者；（6）合并器质性病变者。

通过上式可以看出：支柱的密度同支护强度成正比，同支柱的实际支撑能力成反比。

2.3 支护强度的确定

支护强度与对顶板的要求有关，应根据工作面的不同区别对待。根据实施阶段不同，可以分为以下几个阶段。

2.3.1 初次来压阶段

悬顶的垮落发生在直接顶初次垮落后。此时，工作面支架将受到悬顶附加的作用力，根据相关文献得知，阻止悬顶持续断裂所需的支护强度可用下式表示：

此次主要针对广东省内的著名设计机构与政府相关部门进行调研访谈，主要针对现有城乡规划对(大)数据的应用情况与不足、大数据使用人才素质要求三方面进行访谈。

 

式中：W为垮落顶板作用力，359.1 kN/m2；mZ为直接顶厚度，m；kZ为直接顶容重，kg/m3；gZ为垮落顶板悬顶系数。

根据相关文献得知，按照岩梁断裂时煤壁附近下切危险的极限状态计算老顶岩梁初次来压阶段的合理支护强度，如下式所示：

 

XDY型悬移顶梁液压支架是一种自移式轻型支架，它具有体积小、重量轻、结构简单、运输和安装方便等特点[5]。

带入数据计算解得PT1=503.1 kN/m2。

2.3.2 正常推进阶段

支柱的工作主要取决于支柱的初撑力，在支柱密度和支护系统刚度一定时，支柱的初撑力越大，则其工作阻力也越大。此时，支柱的初撑力对控制顶板起作用。提高初撑力可以避免直接顶离层，因为当初撑完成后，支柱的工作阻力在一定范围内会随着顶板的下沉而不断增大来抵消垮落带岩重。因此适当提高支柱的初撑力指标，可以很好地预防顶板发生冒顶。根据煤矿安全生产标准，通常支柱初撑力应大于等于其额定初撑力的70%～80%。

 

式中：C为运动步距（老顶岩梁），取0.44 m。

式中：N 为支护密度，根 /m2；PT为支护强度，kN/m2；a为排距，m；b为柱距，m。

带入数据计算解得PT2=520.6 kN/m2。

除大屋顶外，斗拱的应用也不可忽视，在建筑抗震方面也发挥出了重要作用，我国古代建筑中斗拱的应用十分频繁，例如：山西大同华严寺，除主要殿堂幸存下来外，其他建筑都被破坏，这是由于主要殿堂内采用了斗拱这一施工工艺，甚至在强烈地震中都可发挥作用，如同一个“减震器”。在具体应用中通过各种构件的连接增强其整体性，在地震中可将地震力传递给其他柱子，从而为结构安全性提供了保障。

取最大值作为合理的支护强度，即PT=520.6kN/m2。

根据初撑力计算，选择RT=220 kN/根。

综上所述，支柱的密度N=PT/RT=520.6/220=2.36根/m2。即支柱的密度为2.36根/m2。根据现场实践，取间距为0.8 m，则排距为0.7 m。

3 XDY型悬移顶梁液压支架支护

式中：fE1为老顶（裂隙带）厚度，取值 1.5 m；ρE1为老顶（裂隙带）容重，取4 800 kg/m3；x0为初次垮落（老顶岩梁）步距，取0.8 m；Lk为控顶距（最大），取10 m。

3.1 顶板一次冒落高度计算

 

式中：H为顶板一次冒落的高度，m；M为采高距离，取 2.2 m；Kp为岩石初始的碎胀系数，Kp=1.25～1.5，取1.25。

代入数据计算得H=8.8 m。

3.2 顶板压力计算

 

式中：L为工作面斜长，取140 m；a为最大控顶距（工作面），取 3.4 m；r为岩石容量，取 2.68 g/cm3；1.3为动压系数。

代入数据计算得P=14 593.78 N。

3.3 每部支架承受能力

 

式中：Z为工作面支架数（1.0 m设一个支架），取140。

代入数据计算得P'=104.24 kN。

4 液压支架型号选择与校验

根据煤矿工作面的地质特征，现采用XDY-1TY/1200型悬移支架，该支架工作阻力1 200 kN。架间打一根加强柱。利用钢销固定支柱和梁，且采用集中控制的升降方法。

无线闭塞中心(RBC)是基于故障-安全计算机平台的信号控制系统，是CTCS-3级列控地面系统的核心设备。RBC根据所控制列车的状态，及其控制范围内的轨道占用、列车进路状态、临时限速命令、灾害防护和线路参数等信息，生成列车行车许可(MA)，并通过GSM-R无线通信系统传输给车载设备，保证其管辖范围内的列车行车安全[1]。因此，对列车运行过程的风险进行分析，继而对RBC的安全风险进行可靠有效评估具有重要意义。

4.1 承载能力校验

XDY-1TY/1200型悬移支架的工作阻力为1 200 kN，大于支架所要承受的压力，故满足支护强度的需求。

4.2 安全系数校验

 

式中：P1为每平方米顶板压力，30.66 kN。

本研究所在区域位于南方某区域低山丘陵地区，属于亚热带海洋性季风气候，海拔180～260 m。该区域具有较高的温度和湿度（年平均湿度81%，年平均温度在19℃左右），且降雨量相对较大（年平均降雨量1 668.3 mm）。此区域的土壤较肥沃，土层较厚，以山地红壤为主。

代入数据计算得N=3.30。煤矿安全操作规程（第三本），要求安全操作系数为2.5，显然3.30＞2.5，所以设计满足要求。

通过承载能力和安全系数的校验可知，XDY-1TY/1200型悬移支架满足该煤矿工作面支护强度的要求。

5 结论

1）单体液压支柱π钢梁支护的π钢梁长2.4 m，额定承载力为250 kN，工作面最小控顶距3.2 m，最大控顶距4.0 m。采用错梁齐柱，一梁三柱式布置。

2）XDY-1TY/1200型悬移支架的额定工作阻力为495 kN，梁间距1 m，最大控顶距为3.4 m，最小控顶距为2.8 m，放顶步距0.6 m，采用一梁两柱的布置方式。

（1）共享性 共享型生活服务平台整合线下资源，为社区消费者和商户搭建起一个社会化网络平台，每一个社区商户和消费者都成为该网络中的一个节点，在网络中共享资源，增加了现有资源的利用率。

参考文献

[1]王建红.国外难垮落顶板控制技术综述[J].煤，2008（5）：17-19.

[2]付凯，苏承东.薄煤层坚硬顶板采场矿压显现规律研究[J].焦作工学院学报（自然科学版），2004（5）：338-341.

[3]陈炎光，钱鸣高.中国煤矿采场围岩控制[M].北京：中国矿业大学出版社，1994.

[4]杨海新.条带工作面坚硬顶板控制技术的研究[J].矿山测量，2005（1）：53-55.

[5]王成武.童亭煤矿坚硬顶板下的高档普采[J].煤炭技术，2005（5）：51-52.