摘要：近几年来，单体液压支柱的推广使用,大大改善了采煤面的顶板管理,减少了顶板事故的发生,促进了生产的发展。本文就我矿多年来使用单体液压支柱的情况,肤浅地谈一谈这种支护装备对顶板控制效果的思考。
            关键词：单体液压支柱；顶板管理；安全效果；分析
         1.  概况
           矿井在八十年初采煤工作面都是使用金属摩擦支柱支护顶板。自85年起矿井才开始使用单体液压支柱,目前,矿井共三个回采工作面,全部都使用单体液压支柱配π型钢梁支护顶板。经过年多的生产实践及矿压观测证明,单体液压支往的支护性能基本上适应我矿各类顶板的变化规律,煤层顶饭得到了控制,解决了多种采煤方法的顶板管理问题,收到了比较好的安全效果和经济效果。
        2．采面顶板支护设计
        依据顶板压力确定支护的强度、密度进行计算，来确定采面支护的排、间柱，再按直接顶破碎与否，确定顶梁类型，背顶要求。
        2.1 矿压显现参数
        根据矿井多年对采煤工作面顶板压力观测,矿压显现规律如下：
        ⑴、工作面的初次垮落步距为11～20m左右，垮落前支柱最大工作阻力为161.7KN，活柱最大压缩量13mm。
        ⑵、初次来压步距为18～22m，顶板下沉量为100～200mm，147mm/h，支柱工作阻力为123.2KN。
        ⑶、周期来压步距为10～15m，顶板下沉量为60～100mm，55mm/h，支柱工作阻力为120.5KN。
        ⑷、超前压力影响范围12～20m，最强烈为8～12m。
        2.2 支护设计
        2.2.1顶板压力的确定：其计算公式为
                 P = k1.r.H×9.8×102         （ N/ m2 ）
        K1   顶板压力系数，一般为K=4～8  取4
        r    岩石容重    2.5t/m3。
                  H    工作面采高   1.8 米；     
        2.2.2每根支柱支护面积的确定：
           S=F平/（k2.P）
           S- 每根支柱支护面积（m2 ）
            F平（平均工作阻力）=294（额定工作阻力）×0.8=235.2 KN
               K 2  安全系数，一般为1.05～1.10  取K=1.05
               P - 单位面积顶板压力（ N/ m2  ）
        2.2.3支柱排距、柱距及迎山角的确定：
        根据工作面顶板岩性、控顶方式、邻近煤层顶板活动情况及工作面π型钢梁长度，确定排距1.0 m，验算柱距：
               ａ =  S/（k3.b）
                 a - 柱距
                S- 每根支柱支护面积（m2 ）
                b - 1.0 m（排距）
                k3--  柱距安全系数（一般为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（额定工作阻力）×0.8=235.2 KN
          H   工作面采高 1.8米；     K1   顶板压力系数，取K=4。
          r   岩石容重2.5吨/m3。     K 2  安全系数，取K=1.05。
          k3--  柱距安全系数 1.4。   b - 1.0 m（排距） 
        a - 柱距
        根据顶板管理有关规定及采面顶板压力显现规律，工作面支柱的柱距取0.8m。支柱迎山角沿倾斜方向向上迎2～3，沿走向方向往老塘迎1～2。架设时支柱必须成排、成行、成直线，其偏差不超过±100毫米。
        3. 工作面顶板支护要求
        3.1工作面支护.根据工作面采高，顶底板岩性及顶板下沉量,选用外注式系列单体液压支柱配л型梁支护,一梁三柱走向棚,二根一组，组间距0.8m，交替迈步前移，梁长2.4ｍ，梁间隔0.2m。梁端至煤壁不得大于300㎜；初撑力不小于90KN（11.47ＭＰａ），(工作面底板松软时必须下好底梁和穿好铁鞋并随工作面推进而循环使用，回采工作面放炮前后要实行二次注液)；煤层底板较坚硬时,单体液压支柱脚眼必须找毛,确保护效果.支护顶板正常情况下，每架棚背顶4组（两根一组）1.2米长的杂棒；顶板破碎时，每架棚背顶1.2米长木板皮4块。
        3.2  特殊支护
        ⑴、密柱：采用单排密集支柱切顶，每空两根密柱，支柱应打紧、打牢、打对山，严禁打在浮煤、矸上，并保证有足够的初撑力。
        ⑵、丛柱：初次放顶或正常放顶时，放顶局部悬顶或冒落高度不充分[﹥（2×5）m2]，必须架设丛柱，每5m一组，每组三根支柱呈“品”字型架设，且必须打紧、打牢、打对山。
        ⑶、靠帮支柱：断层处、破碎带及工作面压力大，造成煤壁片帮，炮道超过规定的地段及采高大于1.6米处都必须打好靠帮临时支柱，其间距为0.8米，煤壁用木板皮卡紧，顶板用4组杂棒和木板皮接实。
        ⑷、戗柱：对于回采工作面大面积未来顶及俯斜开采地段则架设戗柱，其支护方式为液压支柱配圆木，靠近切顶线架设，沿倾斜方向一梁三柱，支柱间距0.8米。
        3.3  运输巷、回风巷及端头顶板控制
         3.3.1 采面上、下端头支护：工作面刮板运输机头尾处使用“四对八梁”支护一梁三柱，交替迈步前移，固定专人负责，超前回采工作面一排，倾斜长度不低于4.0米。梁长为2.6m的Л型钢梁，每组两根，间隔0.2m，其中一根迈步1.0m，每组间距0.8m。上、下端头第一根支柱分别距风巷下帮、机巷上帮的距离不大于0.5m。回采工作面刮板运输机头尾的固定支柱和压柱要打紧、打牢、打对山。刮板运输机头尾固定支柱分别为4根和2根，支柱与顶底板垂直架设。机、风巷分别架设一组л型梁，并交替迈步前进。
        3.3.2上、下安全出口支护：机、风巷用л梁抬棚后，巷道20米内，净高不低于1.6m。机、风巷人行道宽度不少于0.7m、柱距0.8m。上、下安全出口距煤壁10m抬双棚，10～20m内靠煤壁帮抬单棚。20米以外,巷道净高不低于1.8米。
        3.3.3备用支护材料：在工作面风巷中，常备有2.0m3以上的材料：园木（直径不小于160mm，L=2000～2600mm）、板皮（长×宽×厚=1200×200×20mm）、杂木棒（长1200㎜）、挡矸帘（长×宽=1200×600mm）；同时，应留有DZ-22及DZ-25型备用支柱及л梁，其数量不少于工作面在用支柱的5～10%，支柱必须正放，严禁倒立；回采工作面支柱编号管理，所有备用支护材料距工作面不超过50m，并码放好，挂好标识牌。
        3.3.4 支护操作顺序和要求：
        ①、 π型钢梁支护时，每组不少于2人，爆破后要求及时移梁，背好顶，一梁二柱，防止冒顶事故，与此同时及时支护好切顶线带帽顶柱，及时打好靠帮柱，只有将工作面的煤攉尽，移溜完毕，都形成一梁三柱后，方可开始切顶线放顶。
        ②、 向前移梁时，必须使π型钢梁沿煤层走向保持平行，必须按照由下而上顺序进行，并保证移梁宽度一致，严禁乱移。人员严禁站在采空区侧柱间操作。为防止π型钢梁旋扭，支柱与钢梁必须面接触，四爪卡牢。
        ③、 竖立支柱前，要按作业规程规定确定柱位，清扫柱位浮煤，刨柱窝、麻面、下好底梁。
        ④、支柱时，人员要站在该支柱地点上方操作。架设单体液压支柱时：1人扶柱，将手柄体和注液阀调整到规定位置。1人用注液枪清洗注液阀嘴，然后将注液枪卡套卡紧注液阀，开动手柄均匀升柱，使柱爪卡紧梁牙或柱帽，并供液使支柱达到规定初撑力为止。
        ⑤、升柱后要及时拴好联锁绳。
        ⑥、单体液压支柱架设工作结束后，必须对初撑力达不到要求的支柱，进行二次注液。
        ⑦、 单体液压支柱三用阀严禁架设成反方向
        4. 顶板控制与安全
        正确而完整的标准，应该是所设计的采面支护能够对付可能发生的各种类型的事故（漏顶、冒顶、推垮）。从力学原因分析，采面冒顶事故可以归纳漏顶、压垮、推到三种基本冒顶类型。
           4.1  采面顶板漏顶型冒顶事故分析
        当直接顶下沉过大、顶板破碎，而采面没有采取有效的针对顶板破碎地段，有效特殊支护或支柱失效就会出现漏冒型冒顶。通常都是按直接顶的类别确定对其防护措施。例如，对于完整的直接顶（我矿四煤层顶板）采用带帽点，对于中等稳定的直接顶（我矿二煤层顶板）采用带顶梁的支柱，对于破翠的直接顶（我矿三煤层顶板）不仅要使用Л型梁配支柱，而且Л型梁上面还要背竹笆、木板皮密背。
           炮道无支护空间是防漏重点。当直接顶很破碎或直接顶中存在游离岩块时，应尽量减少顶梁与煤壁之间的距离。为了防止工作面冒顶事故的发生，Л梁上面要及时用废旧的材料垫平，或者用编织袋装煤矸充填好，防止顶板空顶、和Л梁不实，造成不必要的冒顶。
         工作面上下两端头是防漏的另一个重点。严格执行规定的“四对八梁”交替迈步前进的措施。对于机巷煤在棚顶上及风巷在底板的情况下，分别采取超前支护，风巷假风巷等技术措施，完全能够防止溜头、溜尾处的局部冒顶。
         此外，对采面中出现的地质构造破碎地带，应及时补充安全技术措施重点防范，以预防冒顶事故发生。同时对于软底板工作面，要及时下好底梁，确保采面不台阶下沉。
           4.2 采面压垮型冒顶事故分析
        在老塘断裂下沉的时候，或者是老塘顶断裂线进入采面空间时，因支柱的支护强度不够，或者支护质量有问题时而导致工作发生压垮型冒顶。
        目前，矿井采面都是使用单体液压支柱其可缩量可达800豪米，能够适应老顶结构下沉，而且单体支柱工作面的支护密度已达1.5-2倍左右，老塘切顶线全部采用密集支柱切顶，完全能够支撑直接顶的压力，因此，目前所使用的单体支柱，一般支护质量没有问题、和支护强度到位是可以控制压垮型冒顶。
        4.3 采面推垮型冒顶事故分析
        当直接顶中存在大块游离岩块时，就可能发生推垮冒顶。预防直接顶中大块游离岩块旋转推垮工作面的措施是：观测顶板中的断层，裂隙、煤层分叉等情况，判断大块游离岩块的存在，估计回柱时该大块游离岩石是否失稳旋转而下：如果不会失稳则可正常回柱；如果可能失稳则不能回柱，扩大控顶距，待大块岩块完全进入老塘再回柱。
        对于压、漏、推三种冒顶事故，必须用好采面支柱的支、护、稳三种性能。支是指支柱的支撑力与可缩性，其是对付顶板来压的，护是指支柱防护破碎直接顶的性能，通常是通过顶梁与背顶材料来实现，可见其是对付漏的；稳是指支柱抗衡沿层面向推力或拉力的性能。当采面应用液压支柱及绞接顶梁（Л型梁）时，可通过用支柱间或顶梁的联接与采面单体支柱联成一个整体（并增加连锁绳）等方法形成稳定性.
           5. 结论与建议
        使用单体液压支柱合理设计支护，就是要针对具体的煤层及其顶底板条件来确定，目的是促进顶板在一定时期内保持稳定，在支护强度内承受可能发生的压、漏、推现象。应当指出，不同采面发生压、漏、推冒顶的可能性各不相同，一个采面的不同地点，发生压、漏、推的危险也不一样，因此，合理设计支护时，必须因地制宜。建议单体液压支柱支护顶板重点主要从以下二方面落实。
        5.1 规范支护设计：支护设计应根据矿井煤层顶底板结构、压力显现规律、支柱性能等技术参数合理确定支护密度（支柱排距与柱距）。然后，加强现场质量管理，确保支护效果。
          5.2支护标准与顶板控制：
          ⑴、工作面控顶范围内，工作面顶板不出现台阶下沉。顶底板移近量采高≦100mm/m。π梁端至煤壁顶板冒落高度不大于200mm。新设支柱初撑力≧90kN。
        ⑵、底板松软时，支柱要穿柱鞋，钻底＜100mm。
        ⑶、工作面支柱要打成直线，其偏差不超过±100mm。柱距偏差不大于±100mm，排距偏差不超过±100mm。
        ⑷、工作面上下机头处使用好四对八梁，支柱初撑力≧90kN
        ⑸、工作面上、下出口及两巷，超前支护必须用液压支柱和长钢梁，距煤壁10m范围内打双排柱，10～20m范围内打单排柱。高度不低于1.6m，有0.7m宽人行道、柱距0.8m。
        ⑹、控顶距不超规定，采空区冒落高度普遍不小于1.5倍采高，局部悬顶（＜10m2）和冒落高度不充分用丛柱加强支护，超过的要强制放顶。
        ⑺、切顶线支柱数量齐全，无空载支柱和失效支柱，挡矸有效。特殊支护（戗柱、戗棚）符合要求。
        5.3  预防冒顶事故建议
        ⑴、加强工作面工程规格质量，严格按采煤工作面质量标准化要求架棚。支柱必须成排、成行，迎山有力，初撑力不少于90KN。
        ⑵、支柱架设必须根据煤层顶底板坡度而定，严禁架在浮煤、浮矸上，严禁鞋上穿鞋，帽上带帽，严禁架设光头支柱，底板松软时，要穿鞋支护。
        ⑶、合理布置好炮眼，按规定装药，防止放炮时崩倒支柱，对于放炮打倒、崩走样的支柱（或者漏液倒的支柱），必须及时扶好，补齐更换。
        ⑷、如果工作面出现抽槽、漏顶，首先对其周围支护进行加固，然后用木子抬好一梁三柱的走向棚，棚距为0.8m，并用板皮和挡矸帘背接好顶板。
        ⑸、认真做好回柱放顶工作，严禁超挖采煤，抓好工作面的正规循环作业，控制顶板压力。
        ⑹、加强工作面上、下安全出口和上、下巷道的修理和维护，保持上、下巷道的支护完整和畅通。需要改棚时，必须坚持先支后改的原则。
       
            参考资料：
        1、《回采工作面设计规范》。
        2、《煤矿安全规程》、《采煤工种技术操作规程》，
        3、矿井矿压显现观测资料。
        4、《单体液压支拄使用方法》