劉旭輝

(山西華融龍宮煤業(yè)有限責任公司，山西 原平 034114)

0 引言

復雜結構厚軟煤層綜放工作面，由于煤層特點，易出現架前片幫和架間冒漏事故，支護較為復雜，成為安全生產必須面對的難題。文中以25101工作面為具體研究對象，研究復雜結構厚軟煤層綜放工作面的支護技術。

1 工作面概況

25101工作面位于該礦二水平一采區(qū)，地面標高1 336.5～1 338.5 m，工作面北部為25103工作面采空區(qū)，南部為F1斷層保護煤柱，東部為風井廣場保護煤柱，西為朔黃鐵路保護煤柱。

25101工作面所采煤層為5#煤層，是4.1～8.0 m的厚層煤，平均6.76 m，含0～4層夾矸，穩(wěn)定可采，煤層結構復雜。煤質呈黑～深黑色，玻璃～金剛光澤，斷口呈參差狀，節(jié)理及內生裂隙不發(fā)育，條帶狀、條紋狀結構，層狀構造平行層理發(fā)育。硬度為2～3，其宏觀煤巖類型以半亮型煤為主，其次為半暗型煤及亮煤，暗淡型煤少量。25101采區(qū)5#煤層屬中灰、中高硫煤，高發(fā)熱量之氣煤，視密度為1.36 t/m3。工作面傾斜方向煤層偽傾角12°～32°，工作面走向方向煤層偽傾角3°～10°。

25101工作面地層主要為上石炭統(tǒng)太原組，海陸交互相沉積，含煤系地層，以K1砂巖與下伏本溪組地層連續(xù)沉積。下部以淺灰色、灰白色中粗粒砂巖為主，夾薄層石灰?guī)r及薄煤層，石灰?guī)r有時相變?yōu)楹Ｏ?鈣質)泥巖；其下部為主要可采煤層5#煤層、灰色砂質泥巖及灰白色砂巖；中上部為灰白色中細粒石英砂巖、灰色砂質泥巖及泥巖、煤層及薄層海相(鈣質)泥巖或泥巖1～2層。煤層頂底板情況見表1。

表1 25101工作面煤層頂底板情況

2 采煤方法及工藝

2.1 采煤方法

25101工作面采用走向長壁后退式采煤方法[1]，綜合機械化放頂煤采煤工藝。工作面采用MG200/500-QWD型雙滾筒采煤機割煤，SGZ764/500、SGZ764/500型刮板輸送機運煤，ZF4200/17/28型液壓支架和ZFG4800/18/29型過渡支架支護頂板[2-3]，全部跨落法管理頂板。

2.2 回采工藝

采面煤層厚度4.1～15.4 m，根據探煤鉆孔，25101綜放工作面平均煤層厚度8.0 m，割煤高度2.5 m，放頂煤厚5.5 m。滾筒截深為0.6 m，牽引速度0～7.5 m/min，牽引方式為齒輪-齒軌式，支架的支撐范圍為1.7～2.8 m；確定工作面循環(huán)進尺為0.6 m，采高不超過2.5 m；平均放煤厚4.26 m，確定平均采放比為1∶2.2。

25101綜放工作面回采時，待老頂跨落后開始放煤，距停采線11.7 m開始鋪網時停止放頂煤。支架從機頭向機尾分別為4#～60#架放煤，初次放頂煤時操作放頂煤支架，正常情況下工作面采用自上向下割兩刀放一次頂煤的作業(yè)方式，即割煤、移架、推前部輸送機，隨著支架的前移工作面開始自上而下分段操作尾梁及尾梁伸縮板放頂煤。采用兩刀一放，自上而下的順序放煤的放煤工藝，即：循環(huán)放煤步距為1.2 m，由上而下順序放煤。過渡架不放頂煤(機頭3架及機尾7架)，第一輪放煤不超過40 s，第二輪放煤不超過1 min，第三輪放煤不超過3 min，第四輪見1/3巖石停止放煤，每班放煤不得少于4輪；工作面可以分多組同時放煤，每組間隔不少于20架，如圖1所示。

圖1 放頂煤開采示意圖

3 工作面支護強度

3.1 工作面支護強度計算

工作面支護強度計算方法有多種，本文分別采用回歸經驗公式、巖石容重加動載系數法和經驗巖重法計算25101工作面合理支護強度。

根據回歸經驗公式：

PZ=9.768KM0.21γ5

式中：PZ—支護強度，MPa；K—備用系數，1.3；M—煤層最大割煤高度5#煤層最大割煤高度2.5 m；γ5—頂板巖石容重，取24 000 N/m3。

經計算P=0.369 MPa，因此根據實測數據回歸計算液壓支架的支護強度為0.369 MPa。

巖石容重加動載系數法：巖石容量+動載系數法主要從理論角度，考慮支撐支架上方冒落帶巖石重量與老頂來壓時的動載系數。

PZ=KdrM/(Kp-1)

式中：PZ—支架支護強度，MPa；Kd—動載系數，取2；r—巖石容量，取2 400 kg/m3；M—采高，取2.5 m，Kp—巖石的碎脹系數，取1.3。

則PZ=2×2 400×2.5×10-5/(1.3-1)=0.40 MPa，因此根據巖石容重+動載系數法計算液壓支架的支護強度為0.4 MPa。

經驗巖重法：按支撐采高6～8倍的上覆巖重計算。

PZ=(6～8)Mr×10-5

式中：PZ—支架支護強度，MPa；r—巖石容量，取2 400 kg/m3；M—采高，取2.5 m。

計算得PZ=0.48 MPa

參數選?。和ㄟ^上述3種方法計算，取其最大者為0.48 MPa，即要求所選液壓支架支護強度[4]應不低于0.48 MPa的頂板荷載。

3.2 支架支護阻力

F≥PZ×Bc×L/η

式中：PZ—工作面額定支護強度，取PZ≥0.48 MPa；L—支架中心距，取1 500 mm；Bc—控頂距，取5.348 m；η—支撐效率，取η=0.95。

則F≥0.48×1.5×5.348×103/0.95=3 851 kN。

3.3 支架支護強度驗算

本工作面中間架選用ZF4200/17/28型放頂煤液壓支架，工作阻力4 200 kN，支護強度0.66 MPa，共計87架。

Q=3 851 kN<4 200 kN

P=0.48 MPa<0.66 MPa

所以，工作面選用ZF4200/17/28型綜采放頂煤支架能夠滿足工作面支護需要。

4 頂板支護方式

4.1 正常工作時期的頂板支護方式

25101工作面采用60架ZF4200/17/28型支撐掩護式放頂煤液壓支架和6架ZFG4800/18/29型過渡液壓支架支護頂板，ZF4200/17/28型液壓支架最小控頂距為4 748 mm，最大控頂距為5 348 mm，支架中心距1 500 mm，初撐力為3 768 kN(泵站壓力為30 MPa)，工作阻力為4 200 kN。ZFG4800/18/29型過渡液壓支架最小控頂距為5 609 mm，最大控頂距[5]為6 209 mm，初撐力[6]為3 768 kN(泵站壓力為30 MPa)，工作阻力為4 800 kN。支架移架步距為0.60 m[7]。

4.2 端頭支護

運輸順槽端頭支護：①25101工作面運輸順槽端頭選用ZFG4800/18/29型支撐掩護式過渡支架支護頂板，運輸機頭采用支柱配5 m長雙排π型鋼梁充當工作面端頭支架；支護巷道棚梁口，采用4根5.0 m的“π”型鋼梁和DZ-31.5型單體液壓支柱進行支護，π型鋼梁排距0.3 m，π型鋼梁托住巷道棚梁邊，一梁六柱，π型鋼梁兩端頭0.2 m處分別打設2根單體支柱，靠電機打設2根單體支柱，單體對齊布置，鋼梁與排頭1#架平行支護，與1#架距離不超過0.5 m；排頭1#架外側距離大于工作面幫棚梁口不大于0.5 m；②運輸順槽端頭必須保證0.8 m寬的安全出口，工作面20 m范圍內進行單體液壓支柱配合鉸接頂梁超前加強支護，工作面安全出口高度不低于1.8 m；③轉載溜幫的行人側利用單體液壓支柱配合鉸接頂梁支設在支架頂梁上，工字鋼頂梁與鉸接交接處墊上木料，并保證安全出口暢通；工作面端頭及三角區(qū)支護必須保證足夠的支護密度，柱排距不大于1 m，切頂線支設一排帶帽點柱，點柱間距不大于0.3 m，每循環(huán)及時回撤，確保支護齊全，擋矸有效。支柱必須支設在實底上，支柱鉆底量超過100 mm時必須穿底鞋，底鞋規(guī)格圓形直徑為300 mm；工作面上、下出口的人行道寬度不得小于0.8 m，凈高不低于1.8 m；④為維護后部刮板輸送機電機、減速機，要求在機頭、機尾4組支架上鋪金屬網，沿工作面方向鋪網，要求金屬網長邊平行工作面，金屬網長短邊搭接0.2 m；隨著工作面的推進，連續(xù)鋪設，并與順槽金屬網進行連接，與順槽金屬網搭接長度不小于30 cm；⑤工作溜端頭支護隨轉載溜的向前推移及時回撤支柱，不得提前回收，每循環(huán)及時回撤，確保支護齊全，擋矸有效，回柱時，必須停止轉載溜，回柱后轉載溜機尾距切頂線最長不超過2.0 m的距離。

回風順槽端頭支護：25101工作面回風順槽端頭采用ZFG4800/18/29型過渡液壓支架支護頂板，當支撐掩護式過渡支架與巷道棚梁口距離不得大于0.5 m時，支架尾增加一組ZF4200/17/28型液壓支架。當過渡支架與上幫煤壁之間的間距達到0.5～1.0 m時，使用DZ-31.5型單體液壓支柱配合1.0 m鉸接頂梁進行支護，支護走向沿巷道方向，靠近采空區(qū)側支設單體與工作面切頂排一致；當過渡支架與上幫煤壁之間的間距大于1.0 m時，順巷道方向支設兩排DZ-31.5型單體液壓支柱配合1.0 m鉸接頂梁支護。所有支護必須與順槽巷道對應超前支護頂梁進行聯鎖。回風順槽超前必須保證0.8 m寬的安全出口，工作面20 m范圍內進行單體液壓支柱配合鉸接頂梁超前加強支護，巷道高度不得低于1.8 m。

機頭鋪聯網：工作面機頭、機尾三架支架上方鋪設頂網，網的長邊沿工作面傾斜方向，要求工作面的網與順槽的網聯好，鋪網長邊對接[8-9]，短邊搭接，搭接量不小于0.3 m，聯網間距0.1 m，采用“三扭一扣壓辮式”聯法。

5 結語

25101工作面開采的5#煤層結構復雜，針對煤層賦存等地質條件以及煤層頂底板情況，確定采用綜合機械化放頂煤采煤法，頂板處理采用全部垮落法。同時對工作面進行了合理的支護強度計算，對工作面正?；夭梢约岸祟^進行了優(yōu)化支護設計，保證了工作面的安全生產。