论文部分内容阅读
摘 要：很多人把顶板的下沉运动看做是自由落体运动，如果只是微观的取无限大顶板中的一个点作受力分析，而忽略了无限大顶板岩体对该点的作用力，这种分析是不合理的。
关键词：迎山角；顶板压力；稳定性；反作用力；下滑力；初撑力
中图分类号：X752文献标识码： A 文章编号：
我从事井下工作10余年，先后从采煤到修护、再到掘进，每个单位他们对迎山角的理解都不尽相同。我在大倾角工作面回采中发现：支柱垂直顶底板支设时，支柱的初撑力才能达到最佳状态，支柱的稳定性才能越好，因为只有这种情况下，支柱和顶底板之间的才能达到最大的接触面积，才能保证足够的摩擦力，特别是单体支柱穿铁鞋后，一旦单体支柱有一定迎山角之后，柱根与铁鞋之间的接触面很小，就很容易打滑，造成支柱跐脚。煤层倾角越大，越容易发生抽底现象，柱根越容易打滑，支柱的稳定性越差。如下图1所示，支柱有了一定的迎山角之后，一旦支柱受压，支柱的底根产生一个沿煤层底板倾斜面向下滑动的分力f’，造成支柱跐脚，从而降低支柱的初撑力，造成支柱的稳定性降低。
图1 支柱的支撑受力分析
在图1中，顶板的压力的方向我用垂直顶板的力Q表示，很多人对顶板压力的方向争论不休，我们通过下述实验证明：
我们可以采用海绵等柔性的长方体，将长方体倾斜放置，分别用垂直长方体上平面的力和竖直向下的力按压长方体，长方体变形后截面呈现的形状会和巷道顶板受压弯曲变形后的形状对比进行分析，就可以得出顶板压力的方向。
我们作顶板的受力分析时应该考虑到：顶板中的任何一块岩体都不是自由体，它是受到束缚的。上覆岩层所受重力W的两个分力：一是沿切面方向的滑力F,二是垂直与岩层面的重力的分力Q。同时近乎无限大的顶板将对该块岩体施加了一个反作用力F’,下滑力F与反作用力F’抵消，顶板中的任何一块岩体能且只能垂直顶板向自由空间运动。因此顶板下沉的作用力就可以用垂直与岩层面的重力的分力Q代替。
有很多人这样理解，随着煤层倾角a的增大，顶底板移近量逐渐变小，上覆岩层重力w沿层面切向滑力F=W×sina随之增大，而作用于层面的重力Q=W×cosa则随之减小，也就是说顶板对支柱的压力减小。上覆岩层重力W，沿层面切向滑力F=W×sina层面的重力Q=W×cosa，其中a’为支柱的迎山角。所谓的迎山角就是支柱的中心线与顶底板垂线之间的夹角。经常有人做顶板的受力分析时只是选取顶板中的一个点作为研究对象，而实际顶板则是一个近乎无限大的岩体，这个无限大的岩体在自然界中受到的应力是平衡的，开采后，平衡遭到破坏，应力重新分布。我们不能简单的把顶板的下沉看作是自由落体运动，如果只是微观的取无限大顶板中的一个点作受力分析，而忽略了无限大顶板岩体对该点的作用力，这种分析是不合理的。而我认为只有在顶板完全破碎之后成为一个自由体（即成为从无限大顶板中分离开的岩块）之后用图2的受力分析才是合理的。
图2支柱合理的受力布局
然而对于单体支柱工作面来说，单体支柱的初撑力要求不低于50KN/棵，而破碎岩块所受到的重力要比支柱的初撑力小的多，我们假设N为支柱的初撑力，G为破碎顶板岩块所受到的重力，F和Q分别是破碎顶板岩块重力G的两个垂直分力，F是沿层面切向的下滑力，Q为垂直于层面的重力，因支柱的初撑力N很大，另外破碎岩块下滑力F的存在，自然就会产生一个摩擦力F’与下滑力平衡，因此說倾斜巷道单体支柱支设时，无需迎山角。
而采用工字钢架棚巷道则不然，因工字钢棚支护没有初撑力，新架设的棚子即使接实顶板，支护材料与顶板直接仍存在一定的空隙，必然会导致直接顶下方的软岩破碎，在顶板压力未到之前工字钢棚首先要支护破碎顶板的重力，这就需要在顶板垂线与重力线直接找到一个平衡点，这就需要最合适的迎山角。因此说工字钢棚腿需支设一个迎山角。
通过受力分析：上覆破碎岩石G越重，相应的需要支设迎山角就越大，同时巷道坡度越大，沿层面的下滑力N就越大，但当巷道坡度大于45º时，上覆岩层就会产生滑动，一旦上覆破碎岩层产生滑动之后，再增大迎山角不但不能提高工字钢棚的稳定性，反而会降低工字钢棚的稳定性。因此很多书上提到了迎山角为巷道倾角的1/6—1/8，并且迎山角一般不大于8º，因为只有在巷道坡度大于45º时，迎山角才可能达到8º。
倾斜巷道当倾角大于45º时，破碎岩石下滑，堆积到一起，位于下方的顶板将给破碎岩石一个支撑力F，因此不需要很大的迎山角就可以平衡破碎岩石沿层面的下滑力P，但由于破碎岩石的滑动等原因造成大倾角棚子不稳定，因此大倾角巷道施工时，必须采取加固措施。
总之，根据以上支柱的受力分析可知，对于倾斜煤层单体支柱布置，为在同等条件下使支柱能获得最大的支撑力并保持稳定，关键就是要采取以下两点来控制：
1）倾斜煤层单体支柱工作面，因单体支柱具有很高的初撑力，由于下滑力的作用，初撑力就会使破碎岩体与顶板之间产生很大的摩擦力来平衡下滑力，因此说倾斜煤层单体支柱工作面支柱无需支设迎山角来平衡下滑力，只有支柱垂直顶底板支设才是最稳定性的。
2）架棚巷道迎山角的大小的选择不仅与巷道的坡度有关，而且顶板上覆破碎岩块的重量有关，顶板越破碎、破碎岩块的重量越重，工字钢棚的迎山角就越大，反之就越小。
参考文献：
[1]刘天明.倾斜煤层工作面开采的几点作法[J].河北煤炭，1985.04.
[2]阎永林.倾斜巷道棚式支架迎山角的验收量测[J].山西煤炭，1999.02.
[3]郭允祥,马福长,杨维祥.杂棚巷道支架迎山角的长度转换[J].矿山测量，2003.02.
[4]赵金波.支柱迎山角计算[J].煤炭技术，1999.04.
[5]刘善荃.开采破碎顶板工作面的技术措施[J].煤矿安全，1980.09.
作者简介：董市礼（1979- ），男，助理工程师，现在淮北朔里矿业有限责任公司掘进一区从事掘进技术管理工作。
关键词：迎山角；顶板压力；稳定性；反作用力；下滑力；初撑力
中图分类号：X752文献标识码： A 文章编号：
我从事井下工作10余年，先后从采煤到修护、再到掘进，每个单位他们对迎山角的理解都不尽相同。我在大倾角工作面回采中发现：支柱垂直顶底板支设时，支柱的初撑力才能达到最佳状态，支柱的稳定性才能越好，因为只有这种情况下，支柱和顶底板之间的才能达到最大的接触面积，才能保证足够的摩擦力，特别是单体支柱穿铁鞋后，一旦单体支柱有一定迎山角之后，柱根与铁鞋之间的接触面很小，就很容易打滑，造成支柱跐脚。煤层倾角越大，越容易发生抽底现象，柱根越容易打滑，支柱的稳定性越差。如下图1所示，支柱有了一定的迎山角之后，一旦支柱受压，支柱的底根产生一个沿煤层底板倾斜面向下滑动的分力f’，造成支柱跐脚，从而降低支柱的初撑力，造成支柱的稳定性降低。
图1 支柱的支撑受力分析
在图1中，顶板的压力的方向我用垂直顶板的力Q表示，很多人对顶板压力的方向争论不休，我们通过下述实验证明：
我们可以采用海绵等柔性的长方体，将长方体倾斜放置，分别用垂直长方体上平面的力和竖直向下的力按压长方体，长方体变形后截面呈现的形状会和巷道顶板受压弯曲变形后的形状对比进行分析，就可以得出顶板压力的方向。
我们作顶板的受力分析时应该考虑到：顶板中的任何一块岩体都不是自由体，它是受到束缚的。上覆岩层所受重力W的两个分力：一是沿切面方向的滑力F,二是垂直与岩层面的重力的分力Q。同时近乎无限大的顶板将对该块岩体施加了一个反作用力F’,下滑力F与反作用力F’抵消，顶板中的任何一块岩体能且只能垂直顶板向自由空间运动。因此顶板下沉的作用力就可以用垂直与岩层面的重力的分力Q代替。
有很多人这样理解，随着煤层倾角a的增大，顶底板移近量逐渐变小，上覆岩层重力w沿层面切向滑力F=W×sina随之增大，而作用于层面的重力Q=W×cosa则随之减小，也就是说顶板对支柱的压力减小。上覆岩层重力W，沿层面切向滑力F=W×sina层面的重力Q=W×cosa，其中a’为支柱的迎山角。所谓的迎山角就是支柱的中心线与顶底板垂线之间的夹角。经常有人做顶板的受力分析时只是选取顶板中的一个点作为研究对象，而实际顶板则是一个近乎无限大的岩体，这个无限大的岩体在自然界中受到的应力是平衡的，开采后，平衡遭到破坏，应力重新分布。我们不能简单的把顶板的下沉看作是自由落体运动，如果只是微观的取无限大顶板中的一个点作受力分析，而忽略了无限大顶板岩体对该点的作用力，这种分析是不合理的。而我认为只有在顶板完全破碎之后成为一个自由体（即成为从无限大顶板中分离开的岩块）之后用图2的受力分析才是合理的。
图2支柱合理的受力布局
然而对于单体支柱工作面来说，单体支柱的初撑力要求不低于50KN/棵，而破碎岩块所受到的重力要比支柱的初撑力小的多，我们假设N为支柱的初撑力，G为破碎顶板岩块所受到的重力，F和Q分别是破碎顶板岩块重力G的两个垂直分力，F是沿层面切向的下滑力，Q为垂直于层面的重力，因支柱的初撑力N很大，另外破碎岩块下滑力F的存在，自然就会产生一个摩擦力F’与下滑力平衡，因此說倾斜巷道单体支柱支设时，无需迎山角。
而采用工字钢架棚巷道则不然，因工字钢棚支护没有初撑力，新架设的棚子即使接实顶板，支护材料与顶板直接仍存在一定的空隙，必然会导致直接顶下方的软岩破碎，在顶板压力未到之前工字钢棚首先要支护破碎顶板的重力，这就需要在顶板垂线与重力线直接找到一个平衡点，这就需要最合适的迎山角。因此说工字钢棚腿需支设一个迎山角。
通过受力分析：上覆破碎岩石G越重，相应的需要支设迎山角就越大，同时巷道坡度越大，沿层面的下滑力N就越大，但当巷道坡度大于45º时，上覆岩层就会产生滑动，一旦上覆破碎岩层产生滑动之后，再增大迎山角不但不能提高工字钢棚的稳定性，反而会降低工字钢棚的稳定性。因此很多书上提到了迎山角为巷道倾角的1/6—1/8，并且迎山角一般不大于8º，因为只有在巷道坡度大于45º时，迎山角才可能达到8º。
倾斜巷道当倾角大于45º时，破碎岩石下滑，堆积到一起，位于下方的顶板将给破碎岩石一个支撑力F，因此不需要很大的迎山角就可以平衡破碎岩石沿层面的下滑力P，但由于破碎岩石的滑动等原因造成大倾角棚子不稳定，因此大倾角巷道施工时，必须采取加固措施。
总之，根据以上支柱的受力分析可知，对于倾斜煤层单体支柱布置，为在同等条件下使支柱能获得最大的支撑力并保持稳定，关键就是要采取以下两点来控制：
1）倾斜煤层单体支柱工作面，因单体支柱具有很高的初撑力，由于下滑力的作用，初撑力就会使破碎岩体与顶板之间产生很大的摩擦力来平衡下滑力，因此说倾斜煤层单体支柱工作面支柱无需支设迎山角来平衡下滑力，只有支柱垂直顶底板支设才是最稳定性的。
2）架棚巷道迎山角的大小的选择不仅与巷道的坡度有关，而且顶板上覆破碎岩块的重量有关，顶板越破碎、破碎岩块的重量越重，工字钢棚的迎山角就越大，反之就越小。
参考文献：
[1]刘天明.倾斜煤层工作面开采的几点作法[J].河北煤炭，1985.04.
[2]阎永林.倾斜巷道棚式支架迎山角的验收量测[J].山西煤炭，1999.02.
[3]郭允祥,马福长,杨维祥.杂棚巷道支架迎山角的长度转换[J].矿山测量，2003.02.
[4]赵金波.支柱迎山角计算[J].煤炭技术，1999.04.
[5]刘善荃.开采破碎顶板工作面的技术措施[J].煤矿安全，1980.09.
作者简介：董市礼（1979- ），男，助理工程师，现在淮北朔里矿业有限责任公司掘进一区从事掘进技术管理工作。