孫有明

摘 要： 煤礦回采工作中經常面臨頂板冒落事故的威脅，我們應加強對回采工作面的支護，提高回采工作面支護的安全性能。本文對采用結構可靠性理論論證支護設計的安全性，建立支護極限狀態(tài)方程進行分析與研究。

關鍵詞： 回采工作 支護 結構可靠性理論 支護極限狀態(tài)方程

1.回采工作面頂板組成及其分類

1.1頂板組成

回采工作面圍巖包括煤層上方的直接頂、基本頂和直接底板。

1.2直接頂穩(wěn)定性劃分

直接頂是工作面支架首要的支護對象，對直接頂穩(wěn)定性的評價是支架選擇的首要依據。研究表明，影響頂板的主要因素有：

（1）組成頂板巖石的堅硬程度和脆性特征；

（2）頂板巖石的分層厚度和分層強度沿厚度的分布；

（3）頂板巖體的完整程度。

1.3基本頂礦壓顯現分級

基本頂是直接頂之上，較難垮落的巖層組合，對工作面支架選型有重要意義，研究表明其影響取決于：

（1）基本頂初次和周期來壓的步距；

（2）直接頂垮落后的充填程度；

（3）直接頂的厚度越大，礦壓越強。

2.支架架型的選擇

支架架型選擇主要要考慮地質和采礦條件：

（1）直接頂的穩(wěn)定性類型；

（2）基本頂的級別及相應的礦壓顯現參數；

（3）底板類型；

（4）煤層厚度；

（5）煤層傾角；

（6）瓦斯等級，相應的通風斷面。

選架時，支架類型有支撐式、掩護式、支撐掩護式三種類型。此外，

（1）對于不穩(wěn)定的和中等穩(wěn)定的頂板，應優(yōu)先考慮二柱掩護式支架；

（2）對于非常穩(wěn)定的頂板，應優(yōu)先考慮四柱掩護式支架。

3.支架對頂板的支護

3.1回采工作面支架對頂板應支護得好

直接頂內可能存在各種原生的和采動的裂隙，從而使直接頂破碎，甚至出現如鍋底石、驢槽石、將軍帽等游離巖塊。采煤后，如果不及時支護這類頂板，則可能導致這些游離巖塊冒落，當放炮、移溜、翻打支架等工作不慎弄倒已支設好的支架時，也可能使這類游離巖塊冒落。

實踐中已認識到對頂板既要支又要護，而且把直接頂按有無裂隙和裂隙的多少分為完整的（穩(wěn)定的）、中等穩(wěn)定的和破碎的三類。當采用單體支架時，對完整頂板使用戴帽頂柱即可；中等穩(wěn)定少有裂隙的頂板應使用交接頂梁墊平和板皮襯平即可；對破碎頂板鉸梁上鋪設均勻扒條或木材即可。當采用自移式液壓支架時，對于完整的直接頂，可以選用支撐式支架；對于中等穩(wěn)定或破碎的頂板，選用掩護式或支撐掩護式。

應用單體支架的工作面，目前還是采用人工回柱放頂，放頂線上支柱受力不會是均勻的，當人工回撤“吃勁”柱子時，往往柱子一倒下頂板就冒落，如果回柱工來不及退到安全地點，就可能被砸到造成事故。這種情況在分段回柱回撤最后一根柱子時尤其容易發(fā)生。單體液壓支柱使用卸液鉤子長繩遠方操縱回撤。

3.2回采工作面支架對頂板應穩(wěn)得住

當煤層頂板是復合頂板，如果支架的初撐力在說明書上所規(guī)定的值達不到，由于原生及采動裂隙的切割，頂板中存在一個與上位巖層離層，并與周圍巖體割斷，加之煤層又有一定傾角，該斷裂巖塊就有一個沿層面并指向傾斜下方的推力，回采工作面單體支架如果沒有抵抗巖層面推力的能力，就會被推倒而導致冒頂。如果頂板中存在由斷層、裂隙等切割而形成的大塊游離巖塊，回柱后游離巖塊就會旋轉，從而推倒回采工作面支架而導致冒頂。

如果在直接頂中存在與層面斜交的裂隙組，在老頂急劇下沉的迫使下，直接頂施加給支柱的不但是垂直壓力，而且有沿層面的側壓力，可能推倒回采工作面支架而造成冒頂，在斷層破壞帶附近也有類似的情況。以上類型的冒頂，不是因為回采工作面支架的支撐力不夠，而是因為支架的穩(wěn)定性不夠，不能抵抗沿層面的推力而導致的。

所謂穩(wěn)得住，就是要求支架是有抵抗來自層面方向的推力。一旦頂板要沿層面方向運動或旋轉，支架就能抵抗得住，不至于被推倒。

實踐證明，應用掩護式及支撐掩護式自移液壓支架的回采工作面與應用單體液壓支柱的高檔普采工作面，如果初撐力大，就不易發(fā)生推垮型冒頂，其原因就是因為支架對頂板能夠穩(wěn)定得回采工作面支架的支、護、穩(wěn)，是和頂板事故相聯(lián)系的，支不起就會導致壓垮型冒頂，護不好就會導致局部冒頂，穩(wěn)不住就會導致推垮型冒頂，因此對回采工作面支架的基本要求應該包括支得起、護得好、穩(wěn)得住三個方面。應該指出，不同的煤層頂板條件和傾角條件對支架支護、穩(wěn)的要求有所不同。當老頂來壓比較強烈，直接頂很完整，煤層傾角又很小時，主要考慮支得起的問題；對于老頂來壓不明顯，直接頂比較破碎，煤層傾角又很小時，主要應考慮護得好問題；當老頂來壓比較強烈，直接頂比較破碎，煤層傾角又很小時，既要考慮支又要考慮護，如果老頂來壓比較強烈，直接頂比較破碎，煤層傾角又比較大，則對回采工作面支架的支、護、穩(wěn)都得全面要求。

3.3小結

在選擇回采工作面支架類型與布置時，應該考慮煤層的頂板和傾角等條件，選用合適的支架。只有這樣才能保證安全而正常生產，才能把回采工作面頂板事故減少到最低限度。

4.回采工作面支護可靠性分析

為提高礦井支護的安全性能，考慮礦井圍巖與支護的隨機性和模糊性等特點，采用結構可靠性理論論證回采工作面支護設計的安全性，建立支護極限狀方程，并與安全系數法進行對比分析。分析與實例計算顯示，礦井支護可靠性分析是一種先進方法。煤礦在確定支護設計時，利用安全系數提高支護的安全性。但是礦井支架的支撐能力與圍巖應力均具有“隨機性”與“模糊性”等特點，而支護設計必然涉及支架支撐能力與圍巖應力這兩個參數，所以安全系數方法不能全面反映隨機變量變化對支護安全的影響。

4.1結構可靠性計算原理

根據結構可靠性理論，在利用應力與強度型可靠性理論研究礦井支護可靠性時，必須建立“圍巖與支護”系統(tǒng)的極限狀態(tài)方程，即井下圍巖應力與支架支撐能力的力學函數關系，利用極限狀態(tài)方程分析支護設計的可靠性。設有n個隨機變量Xi（i=1，2，…，n），它們共同影響礦井支護系統(tǒng)的可靠性。這些變量對支護系統(tǒng)某些功能的影響程度可用一個狀態(tài)方程表示：

4.2支護極限狀態(tài)方程

支護極限狀態(tài)方程是考慮礦山壓力理論、支護方式與圍巖條件等因素而綜合建立起來的一種支護極限狀態(tài)方程，是進一步分析礦井支護可靠性設計的狀態(tài)函數。由于礦井生產條件的復雜性、礦山壓力理論和支護方式的多樣性，使礦井支護極限狀態(tài)方程的建立出現了多樣化。無論采用哪種礦山壓力理論與支護方式建立起來的極限狀態(tài)方程，利用結構可靠性理論研究時都應得到相同的結果。目前，回采工作面的礦山壓力理論主要分為傳遞巖梁和鉸接巖梁等理論模型。本文主要根據在生產實踐中普遍應用的、按若干倍采高的巖石重量作為頂板壓力建立支護系統(tǒng)的極限狀態(tài)方程。

礦井單體支柱回采工作面的支護密度為

4.3小結

礦井圍巖壓力與支架的支撐能力是相互關聯(lián)的，圍巖在一定條件下既是支架壓力的來源，又可能是承載體，所以支護設計必須考慮相關系數的影響。采用上述方程可以算出個值Z，當Z大于0即為可靠；當Z小于0時，為不可靠。

采用不同的礦山壓力理論可以建立不同的極限狀態(tài)方程，但是各種極限狀態(tài)方程得到的結果應相同。

5.結語

回采工作面的支護對工作人員的生命安全有至關重要的意義，在這方面，煤礦應該投入大量的人力財力，努力做好工作面的支護，并對其進行可靠性分析論證。嚴謹作業(yè)，保障煤礦工人的安全，減少財產損失。

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