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

    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 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。 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 面倾角变化，与其他条件无关［1］; 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［2］。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［3］( 迎山角一般用 β 表示) 。

    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。

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， 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［2］。现对支柱的受力情况进行分 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，Fm 为基本 顶与 A 之间的摩擦力，F1 为斜下方的围岩应力，F2 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，α 为工作面倾角，β 为支柱 方向和巷道顶底板法线之间的夹角( 迎山角) 。 

图 1 支柱和顶板受力示意 

    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、F1、F2 均可略去不计［1］，进而 F1、F2 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) —式( 4) : 

Fm + Zsin β≥Q ( 1) 

Zcos β≥P ( 2) 

Fm = ( Zcos β － Gcos α) f ( 3) 

Q = Gsin α; P = Gcos α ( 4) 

式中，f 为基本顶与直接顶之间的摩擦因数。 

由式( 1) —式( 4) 可以得出:

fcos β + sin β≥G( fcos α + sin α) /Z ( 5) 

  令 sin θ = f / 槡1 + f 2 ，sin θ = 1 / 槡1 + f 2 ( θ 为锐 角) ，则: sin( β + θ) ≥ G/ Z ·sin( α + θ) β≥arcsin G Z ·sin( α + θ [ ) ] － θ ( 6) 

每根支柱支护的直接重力为 G，则有:

G = hγ /N ( 7) 

式中，h 为直接顶的厚度; γ 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:

β≥arcsin hγ /NZ·sin( α + θ [ ) ] － θ ( 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 γ、支护密度 N 等，而支柱 初撑力 Z 需要通过现场观测来确定; 摩擦因数 f 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 γ 为 25 kN /m3 ， 支护密度 N 为 1. 89 根/m2 ，α 为 28°，初撑力 Z 通过 现场观测为 90 kN，岩石内摩擦因数 f 取 0. 3。将数 据代入式( 8) 计算得出: 迎山角 β≥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。α 为煤层倾角，β 为支柱迎 山角。则 AB = OC( tan α － tan β) 。

   工作面采高 OC 为 1. 8 m，煤层倾角 α 为 28°， 迎山角 β 为 4°; 从而可以计算出 AB = 0. 462 m。

4. 2 角度规定向法 

   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 长为 100 mm，手柄长 300 mm; 角度规面宽 50 mm， 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。

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) : 41-43． 

［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．

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乾坤矿装的便携式螺旋支柱介绍

乾坤矿装的便携式螺旋支柱是一款矿井临时支护设备，是矿井适用的金属单体支柱。

  便携式螺旋支柱由五部分组成：上承压板、上支柱、螺杆、下支柱、下承压板。 

具有轻便、结构简单、价格实惠、可回收反复使用、可远距离拆除等特点。

上承压板：
尺寸：63型号的为175mm x 175mm;

   48型号的为150mm x 150mm

上承压板主要用于增大支柱与顶板的接触面积，从而加大支柱承压重量。四个触角有利于加大支柱在支护时的抓取力度，防止滑动，确保支柱持久支护和稳固。

下承压板：
下承压板尺寸与上承压板尺寸相同： 
   63型号的为175mm x 175mm;
   48型号的为150mm x 150mm

  下承压板主要用于增大支柱与底板的接触面积，从而加大支柱承压重量。中心的回环有利于加大支柱下承压板与下支柱的契合，加大在支护时的抓取力度，防止滑动，确保支柱持久支护和稳固。

上支柱：
由无缝钢管制造而成，钢管壁厚4mm。支柱有63和48两种型号，63和48指的是钢管的直径，直径越大，支柱的承重能力越大；直径越小，支柱承压能力越小。
相对于下支柱，上支柱稍长。

下支柱：
由无缝钢管制造而成，钢管壁厚4mm。支柱有63和48两种型号，63和48指的是钢管的直径，直径越大，支柱的承重能力越大；直径越小，支柱承压能力越小。
相对于上支柱，下支柱稍短。

支柱常用的规格型号有：1.5米，1.8米，2.米，2.5米，3米，3.5米。

便携式螺旋支柱的含义：以1.5米为例，金属钢管直径有48和63两款，最高支撑高度为1.5米。该款支柱可支撑1-1.5米范围内的任意高度，其他以此类推。

钢管直径越大，支柱承重越大，可支撑高度越高；支柱高度越高，支柱承重越小。




螺杆：
支柱的螺杆由螺纹钢特制而成。

 

   特制螺杆，尺寸为80厘米，安装在支柱上以后主要用来保证支护的升缩，一般升缩在50厘米之间。我们确认的型号为拉升后可支撑的高度，比喻63-3.5.就是这根支柱最高可支撑3.5米的高度，最低可支撑3米的高度，之间可以拧动螺杆拉升，可以支撑3-3.5米之间的任意高度。
  在螺杆的中间有4个齿状设计，主要是方便员工使用时升缩方便。

  乾坤矿装的这款便携式螺旋支柱，参数经过多次试验和客户使用数据验证的，正是因为这个原因，乾坤矿装的这款支柱不能超高度超承载能力使用，超高和超载使用将影响支柱的稳定性，甚至发生安全事故；也正因为这个原因，本着客户至以上，一切从客户的利益出发的原则，乾坤矿装不提供定制和特殊规格的制作。为此，很多客户不理解，指责我们不满足客户需求。

  其实，这款支柱自从研发十年来，我们的客户遍布全国各地，得到了客户的一致好评，虽然我们拒绝过不少的客户，但十年来，我们从没有因为质量和使用问题接到客户投诉，是一款轻便、简单、实用、实惠的好产品。

便携式螺旋支柱适用范围：

1、所有采场风爆工、出渣工、支护工作业时；

2、顶板破碎、倒三角节理发育、岩石不稳固的掘进工程作业时；

3、巷道破碎进行永久支护前。

便携式螺旋支柱使用方法和要求：

1、作业人员经过通风 、洒水、处理完松石后方可进行螺旋支柱支护；对上盘不稳固的采场要用锚杆和螺旋支柱结合支护。

2、支护时首先要根据矿体倾角或岩石破碎情况选择好支柱使用地点，在支柱的上下端均垫加长度适宜的木板，沿进入作业面的方向向前逐根支护，调整支柱顶住顶底板，用套管将丝杠拧紧确认无误后，方可进行作业。对当场用两根撬棍也无法撬下、需动炮处理的松石，对顶板破碎及上下盘围岩滑帮比较明显的采场，对上部有采空区的地点，必须进行加密支护。

3、便携式螺旋支柱支护时必须根据作业面的采幅宽度和顶板压力来确定使用支柱的数量，每个矿房不少于15根螺旋支柱。2米以上采幅采用双排支柱支护，1.5米以下的采幅采用单排支护，但不论是单排还是双排支柱支护，顶部都必须加承压板、木板等护住顶板，以加大接触面积。

4、便携式螺旋支柱不能超高度超承载能力使用（具体要求见附表），超高和超载使用将影响支柱的稳定性，甚至发生安全事故。

5、作业过程中，作业人员要经常检查丝杠松紧和顶板变化情况，及时将支柱拧紧，确保作业安全。

6、风爆工装药结束后，要按顺序由前向后依次拆卸支柱并清点数量；拆卸支柱时要及时观察顶板变化情况，发现异常立即停止拆卸，迅速撤离。

7、出渣工和支护工作业完毕后，须对丝杠重新紧固确认无误方可离开作业现场。撤下来的支柱须将螺母调至最低点，将丝杠置于套管内进行防护。

便携式螺旋支柱使用规定

1、无论作业现场的岩石结构是否存在危险，出渣工、风爆工在进行采矿或掘进作业时必须使用、支护工在顺路支护时必须使用、使用时必须按照上述方法规范支护。

2、把螺旋支柱的使用作为作业现场安全确认的重要内容，带班长或跟班领导必须在确认卡上填写支柱使用情况。

3、螺旋支柱要作为工具进行管理，要及时涂油防锈。使用时必须轻拿轻放，不得随意乱扔。

4、支柱外表出现损伤（如开裂、压扁、明显弯曲等）不能继续使用。

【联 系 人】：苏女士

【联系电话】：18075188209  

 

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