倾斜工作面支柱迎山角的计算及应用分析

２０１２年第７期　中州煤炭　总第１９９期　倾斜工作面支柱迎山角的计算及应用分析　袁红起　（河南煤业化工集团永贵能源雍和煤业，贵州纳雍５５３３０２）　摘要：为了确定支柱迎山角，对倾斜工作面支柱受力情况进行了分析，推算出支柱迎山角的计算公式。介绍　了支柱迎山角的应用方法，即测量距离法和迎山角度规定向法。实践应用表明，这些方法可以保证支柱的支　护质量，且效果良好。　关键词：倾斜工作面；支柱迎山角；计算方法　中图分类号：ＴＤ３５５　文献标志码：Ｂ　文章编号：１００３—０５０６（２０１２　Ｊ０７—００７３—０２　永贵能源雍和煤业位于贵州省西北部，海拔约　１　８００　ｍ，矿区地形和地质结构较复杂，煤层倾角大　多在２２。～３２。之间，平均２８。。工作面采用液压单　防止顶板沿倾向移动。理论与实践证明，工作面支　护的岩体范围仅限于直接顶范围内的岩层，而对基　本顶岩层所产生的矿山压力，工作面支护系统几乎　起不到支撑作用　。现对支柱的受力情况进行分　体支柱配合金属铰接梁进行支护，顶板压力较大，且　有的地方顶板易破碎，给安全生产带来了不便。因　此，研究工作面迎山角及支柱架设法，对矿井安全生　产很有必要。　析（图１）。取１块直线顶岩体（直接顶）Ａ，对其受　力情况进行分析。　在图１中，Ｆ是基本顶对Ａ的压力，Ｆ　为基本　使用液压单体支柱的工作面涉及到迎山问题。　而如何确定迎山角，却存在不同的观点。有人一律　硬性规定为２。～５。；也有人认为支柱迎山角随工作　顶与Ａ之间的摩擦力，Ｆ，为斜下方的围岩应力，　为斜上方的围岩应力。Ｇ是Ａ自身的重力，Ｑ、Ｐ分　别是Ｇ沿巷道倾向和顶底板法线方向的分力。ｚ为　支柱对岩体Ａ的支撑力，　为工作面倾角，　为支柱　方向和巷道顶底板法线之间的夹角（迎山角）。　面倾角变化，与其他条件无关…；还有人认为支柱　迎山角与支护系统的刚度关系密切，刚度越大，迎山　角就越小　。结合多年的工作经验，笔者对如何确　定迎山角进行了探讨。　１　迎山角的定义　斜巷（有一定坡度采面）的支架（柱）既要承受　垂直压力，又要承受下推力。因此，斜巷的支架就不　能按垂直于巷道顶底板的方向去架设，而必须向上　迎一个角度，支柱中心线与顶底板法线之间的夹角，　称为迎山角　（迎山角一般用　表示）。　图１支柱和顶板受力示意　迎山角过大、过小都会降低支架的支撑能力。　迎山角过大称为过山，迎山角过小或反向称为退山，　根据支柱受力分析，过山和退山均会降低支护效果。　当基本顶与直接顶处于稳定状态时，无需考虑　支护迎山角；而当直接顶与基本顶处于滑动或离层　的状态时，Ｆ、Ｆ。、，　均可略去不计¨　，进而，。、Ｆ：所　产生的摩擦力也可忽略不计，从受力平衡上Ａ要满　足式（１）一式（４）：　Ｆ　＋Ｚｓｉｎ卢≥Ｑ　Ｚｃｏｓ届≥Ｐ　Ｆ　＝（Ｚｃｏｓ卢一Ｇｃｏｓ　ａ）ｆ　Ｑ＝Ｇｓｉｎ　；Ｐ＝Ｇｃｏｓ　式中　为基本顶与直接顶之间的摩擦因数。　・２支柱迎山角的计算　支柱保证一定的迎山角，目的是加强顶板控制，　（１）　（２）　（３）　（４）　收稿日期：２０１２一ｏ４—０８　作者简介：袁红起（１９７４一），男，河南睢县人，助理工程师，２０１０年　毕业于中国矿业大学，现从事煤矿生产技术管理工作。　７３・　２０１２年第７期　由式（１）一式（４）可以得出：　／ｃｏｓ　ｐ＋ｓｉｎ卢≥Ｃ（／ｃｏｓ　＋ｓｉｎ　）／Ｚ　中州煤炭　山角。贝０　ＡＢ＝ＯＣ（ｔａｎ　一ｔａｎ　）。　（５）　总第１９９期　工作面采高ＯＣ为１．８　ｍ，煤层倾角　为２８。，　迎山角ＪＢ为４。；从而可以计算出ＡＢ＝０．４６２　ｍ。　４．２角度规定向法　令ｓｉｎ　０＝ｆ／，／１＋，　，ｓｉｎ　０＝１／，／１＋－厂　（０为锐　角），则：　ｓｉｎ（￣＋０）≥号・ｓｉｎ（　＋０）　支柱迎山角一旦确定，就可以使用角度规定向　法进行架设迎山支柱。首先要制作一个特殊的模　型，即迎山角度规。如图３所示，卡槽内为方形，边　卢≥ａｒｃｓｉｎ【詈．ｓｉｎ（　＋　）卜０　（６）　长为１００　ｍｍ，手柄长３００　ｍｍ；角度规面宽５０　ｍｍ，　每根支柱支护的直接重力为Ｇ，则有：　Ｇ＝ｈｙ／Ｎ　（７）　式中，ｈ为直接顶的厚度；　为直接顶的容重；Ｎ为工　作面的支护密度。　将式（７）代入式（６），得出迎山角为：　卢　ｃｓｉｎ［　．ｓｉ　卜０　（８）　从受力情况分析来看，迎山角是为防止直接顶　沿倾斜方向滑动而确定的。由于支柱承受直接顶法　线方向的压力在确定支护密度时就已经考虑到了富　余系数。因此，在此不必考虑直接顶沿法向垮落的　问题。　３支柱迎山角的应用　由式（８）可得出迎山角的计算方法，首先要确　定直接顶的厚度ｈ、容重　支护密度Ⅳ等，而支柱　初撑力ｚ需要通过现场观测来确定；摩擦因数－厂为　岩石表面间的摩擦力与作用在其一表面上的垂直力　的比值，它与岩石表面的粗糙度有关，与接触面积的　大小无关，需要根据实际情况进行合理取值。如此　迎山角便可以计算出来。　以雍和煤业一采区１０４０３工作面为例，该采面　煤层倾角平均为２８。，直接顶厚度ｈ为３．２　ｍ，顶板　为黑色（或灰色）泥质粉砂岩，容重　为２５　ｋＮ／ｍ　，　支护密度Ⅳ为１．８９根／ｍ　，　为２８。，初撑力ｚ通过　现场观测为９０　ｋＮ，岩石内摩擦因数，取０．３。将数　据代入式（８）计算得出：迎山角口≥３．０２６。，取４。。　４迎山支柱的架设　在实际操作中，用测量角度的方法非常不便，可　以通过“测量距离”和“角度规定向”这２种方法来　架设支柱。　４．１测量距离法　由图２可知，ＯＡ为铅垂方向，ＯＢ为支柱方向，　ＯＣ为顶底板法线方向。　为煤层倾角，　为支柱迎　・７４・　厚１０　ｍｍ，手柄与卡槽夹角为８６。（迎山角设为４。）。　操作方法：①挂铰接梁，确保铰接梁上侧紧贴顶　板；②用卡槽卡住铰接梁，由于二者刚好吻合，则手　柄所指方向即为单体柱方向。该方法操作非常方　便，现已广泛应用于雍和煤业。　支柱方向　图２　测量距离法　图３　角度规定向法　５　结语　（１）支柱初撑力的观测和岩石摩擦因数的确定　非常关键，观测不准确，迎山角计算得出的结果也就　不合理。　（２）结合实际应用，迎山角度设置为巷道倾角　的１／８～１／６，支护效果最佳。　（３）实际应用中，迎山角度规能够快速、准确地　为支柱定向。　（４）迎山角的计算还适用于上下山巷道的架棚　支护。　参考文献：　［１］　牛彦林．支柱迎山角的计算及打设方法［Ｊ］．煤炭技术，２００５，　２４（７）：１１６－１１７．　［２］　吴甲春．支柱迎山角计算［Ｊ］．煤矿开采，１９９５（６）：４１４３．　［３］　张振国，张寒松，张石盘．采掘工作面迎山角简易测定方法　［Ｊ］．中州煤炭，１９８９（６）：２９．　（责任编辑：秦爱新）