劉利斌

(西山煤電集團(tuán)馬蘭煤礦，山西 古交 030205)

0 引言

馬蘭煤礦位于山西古交市西南15 km，是一座設(shè)計(jì)年產(chǎn)量為400萬t的現(xiàn)代化大型礦井。工作面目前主采8號煤層，最低可采厚度為3.96 m，最大可采厚度為4.15 m，煤層傾角極小，屬近水平穩(wěn)定可采厚煤層。28307綜采工作面采用全部垮落法管理頂板，采空區(qū)的充填采用頂板隨支架前移自行垮落法。在上、下隅角段遇頂板不能順利垮落時(shí)，應(yīng)該制定專門針對采空區(qū)特殊部位頂板垮落專項(xiàng)解決預(yù)案，比如采取爆破等方式強(qiáng)制放頂[1]。

1 工作面頂板支護(hù)技術(shù)

1.1 液壓支架的選型計(jì)算

支架支撐范圍的確定：28307綜采工作面煤層頂?shù)装鍘r性特征見表1。馬蘭煤礦8號煤層為28307綜采工作面煤層，最低可采厚度為3.96 m，最大可采厚度為4.15 m，從而可以據(jù)此確定煤層的最小、最大采高。

Hmax=Mmax+0.2

(1)

Hmin=Mmin-0.25

(2)

式中：Mmax—煤層最大采高，m；Mmin—煤層最小采高，m；Hmax—支架最大支撐高度，m；Hmin—支架最小支撐高度，m。代入數(shù)據(jù)可以得出，液壓支架所需的最大支撐高度為4.35 m，支架最小支撐高度為3.71 m。

表1 28307工作面煤層頂?shù)装鍘r性特征表

支架支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算：28307綜采工作面液壓支架工作阻力用估算法計(jì)算，工作面支護(hù)強(qiáng)度按照所支撐的4～8倍采高的頂板巖層重量估算。

P=9.8×(4～8)·γ·h

(3)

式中：P—支架承受單位面積頂板壓力，kN/m2；γ—頂板巖層容重，2.6 t/m3；h—工作面最大采高，取4.15 m。故支護(hù)強(qiáng)度P為423～846 kN/m2，為了安全起見，該工作面頂板壓力按846 kN/m2考慮，即要求所選液壓支架支護(hù)強(qiáng)度不低于0.85 MPa的頂板荷載[2]。

液壓支架工作阻力計(jì)算：

F=1 000P·A·(L+C)/n

(4)

式中：F—支架工作阻力，kN；P—支架支護(hù)強(qiáng)度，取0.85 MPa；A—支架中心距，取1.5 m；L—支架頂梁長，取4.0 m；C—梁端距，取0.518 m；n—支架效率，取0.98。代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得：支架工作阻力F=5 878 kN，故支架工作阻力應(yīng)不小于5 878 kN。

根據(jù)支架高度和支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，28307工作面選用123架ZY6000-24/50型掩護(hù)式液壓支架頂板支護(hù)狀況如圖1所示。

1.2 端頭支護(hù)技術(shù)

支護(hù)方式：28307工作面端頭支護(hù)方式采用密集柱、戴帽點(diǎn)柱與端頭支架相互協(xié)調(diào)配合的支護(hù)方式。28307綜采工作面端頭布置4架ZYT9000 /21/46型端頭支架支撐頂板，工作面端尾采用6架ZYG9000/21/46型過渡支架配合鉸接頂梁進(jìn)行端頭支護(hù)。

圖1 工作面頂板支護(hù)狀況示意圖

采空區(qū)特殊工況支護(hù)方式：當(dāng)工作面采空區(qū)的老頂不能順利垮落，并且懸頂面積<10 m2時(shí)，采用雙排密集支架進(jìn)行維護(hù)，呈“三花型”布置，工作面兩排液壓支架的排間距0.3 m，柱間距0.3 m。如果頂板支架的懸頂面積超過10 m2時(shí)，必須針對該種情況制定專門的強(qiáng)制放頂措施預(yù)案[3]。

1.3 超前支護(hù)技術(shù)

超前支護(hù)壓力估算：距工作面30 m，頂板超前支護(hù)壓力進(jìn)行估算

(5)

式中：Q—工作面頂板壓力，kN；γ—巖石重力密度，取25 kN/m3；α—巷道寬度的1/2，巷道寬度為4.5 m(軌道巷4.2 m也按4.5 m測算)；f—巖石堅(jiān)固性系數(shù)，取2。代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得：Q=75 kN/m2，因此距工作面30 m的超前支護(hù)壓力為

Q采=l·h·Q

(6)

式中：Q采—距工作面30 m的超前支護(hù)壓力，kN；l—超前支護(hù)區(qū)域與工作面的距離，m；h—巷道寬度，m。代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得：Q采=10 125 kN，即距工作面30 m的超前支護(hù)壓力為10 125 kN。

單體支柱的選擇：計(jì)算選用最大支撐力250 kN的單體支柱的實(shí)際支撐能力

Rt=R·r

(7)

式中：Rt—單體支柱的實(shí)際工作阻力，kN；R—支架額定工作阻力，取250 kN；r—支架阻力影響系數(shù)，取0.85。代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得：Rt=212.5 kN，因此，距工作面30 m區(qū)域超前支護(hù)支架的工作阻力Q超為

Q超=60Rt

(8)

代入數(shù)據(jù)可得，距工作面30 m區(qū)域超前支護(hù)支架的工作阻力Q超=12 750 kN>10 125 kN，因此，選用最大支撐力250 kN的單體支柱滿足要求。

單體支柱的數(shù)量：超前支護(hù)30 m內(nèi)應(yīng)支設(shè)單體液壓支柱柱數(shù)為

(9)

式中：n—單體支柱密度，根；Rt—單體支柱實(shí)際支撐能力，kN/根。代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得：n=47.6，所以超前支護(hù)所需液壓支架為48架。

超前支護(hù)單體支柱布置：超前支護(hù)段初選QDZ 4200-250型單柱支柱，最大額定工作阻力250 kN。基于28307工作面的頂板巖性及采煤工作量，工作面軌道順槽與運(yùn)輸順槽的超前支護(hù)距離不得小于30 m，兩條巷道采用戴帽點(diǎn)柱的的超前支護(hù)方式對巷道頂板和側(cè)幫進(jìn)行維護(hù)[4]。距離工作面煤壁30 m的范圍內(nèi)，在兩巷兩幫打戴帽貼幫點(diǎn)柱，柱距1.2 m；從工作面煤壁起不小于10 m范圍內(nèi)，距保險(xiǎn)幫側(cè)單體不小于0.9 m，打一排戴帽點(diǎn)柱，柱距1.2 m。兩巷超前支護(hù)分別用60根單體進(jìn)行支護(hù)，通過計(jì)算，兩巷超前支護(hù)單體支柱設(shè)計(jì)滿足支護(hù)要求。

貼幫點(diǎn)柱維護(hù)及回采時(shí)的要求：超前維護(hù)貼幫點(diǎn)柱由檢修班進(jìn)行。超前維護(hù)工每班負(fù)責(zé)將出煤班回撤下的超前、端頭點(diǎn)柱打起。若煤幫煤體松軟有垮幫危險(xiǎn)時(shí)，需用背板或板梁將煤幫背緊剎牢。根據(jù)巷道高度變化，選用額定工作阻力為250 kN的不同支護(hù)高度的QDZ單體支柱對兩巷超前范圍頂板進(jìn)行維護(hù)。所有單體都必須戴上柱帽。由于頂板傾斜不適合用鐵柱帽，因此工作面必須采用木質(zhì)柱帽。圓班進(jìn)行回采時(shí)，兩巷超前維護(hù)貼幫點(diǎn)柱距離不得小于30 m；在出煤作業(yè)時(shí)，必須保證兩巷之間的單排點(diǎn)柱間距≥10 m。在對兩巷進(jìn)行超前支護(hù)作業(yè)時(shí)，單體支柱必須垂直頂板，并且單體液壓支架的初撐力必須要達(dá)到95 kN以上[5]。

2 特殊條件下頂板管理技術(shù)

2.1 工作面來壓期間的頂板管理方法

工作面在來壓期間，礦井的生產(chǎn)班組應(yīng)當(dāng)積極組織生產(chǎn)，加快工作面的推進(jìn)速度，從而盡快擺脫礦壓對煤層頂板及液壓支架的影響，同時(shí)必須要保證液壓支架的直線度和間距，以防由于礦壓影響而產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，液壓支架彎曲變形、工作面冒頂、片幫等事故的發(fā)生[6]。工作面初采前，首先要根據(jù)超前支護(hù)作業(yè)規(guī)程做好兩巷的超前支護(hù)工作，同時(shí)必須要保證乳化泵站及支架液壓系統(tǒng)完好無損，沒有出現(xiàn)液壓泵滴漏、滲油等現(xiàn)象，并且乳化泵站的輸出壓力不能低于30 MPa，工作面液壓支架的初撐力也必須大于24 MPa，超前支護(hù)段內(nèi)的單體支柱支撐力不得低于11.5 MPa。

2.2 過斷層期間的頂板管理方法

工作面過斷層帶時(shí)，工作面頂板會(huì)隨著斷層的發(fā)育出現(xiàn)落差，斷層區(qū)段內(nèi)的煤層節(jié)理大量發(fā)育，煤巖體破碎程度嚴(yán)重，從而工作面頂板易出現(xiàn)片幫、掉塊等問題。因此必須將斷層影響范圍內(nèi)的支架頂梁調(diào)整為同一水平或平緩過渡，避免架間錯(cuò)差大漏頂煤，擴(kuò)大漏冒頂范圍而影響頂板管理；過斷層期間，在采煤機(jī)割過煤后，支架工必須立即帶壓拉架，并及時(shí)打出防片幫板[7]。

2.3 工作面發(fā)生冒頂事故時(shí)的頂板管理方法

在工作面發(fā)生冒頂現(xiàn)象時(shí)，常常會(huì)使局部瓦斯?jié)舛仍龃?，容易?dǎo)致瓦斯事故和頂板事故雙重災(zāi)害的發(fā)生。工作面冒頂高度超過支架有效支護(hù)高度后，必須采取對應(yīng)的勾頂措施。勾頂作業(yè)前，首先必須檢查發(fā)生冒頂事故區(qū)域內(nèi)的瓦斯?jié)舛?，必須保證瓦斯?jié)舛鹊陀谠试S勾頂作業(yè)瓦斯?jié)舛鹊淖畲笾禃r(shí)，方可進(jìn)行作業(yè)。同時(shí)，勾頂作業(yè)前必須先進(jìn)行“敲幫問頂”檢查工作，從而及時(shí)清理頂板冒頂事故后的活石、片幫、碎渣等易對人體造成安全隱患的危險(xiǎn)源，方可進(jìn)行下一步勾頂作業(yè)[8]。

2.4 過頂板破碎帶期間頂板管理方法

工作面過破碎帶時(shí)，支架要隨采煤機(jī)割煤后及時(shí)拉出，并保證支架接頂嚴(yán)密，若煤壁片幫嚴(yán)重或頂板較為破碎，應(yīng)在前滾筒割煤后及時(shí)拉架并打出護(hù)幫板，必要時(shí)應(yīng)在割煤前超前拉架。采取以上措施后工作面端面距仍不符合規(guī)定時(shí)，若支架端面距小于518 mm時(shí)，必須帶壓超前拉架，拉架到位后，打出防片幫板，可以有效維護(hù)頂板；當(dāng)支架端面距大于518 mm時(shí)，超前拉架后，必須在每道支架上方穿入兩根板梁，板梁間距為750 mm，板梁插入支架頂梁一端的深度不小于1 000 mm，另一端頂至煤壁，并升緊支架。巷道內(nèi)頂板破碎、離層、壓力大時(shí)，在原鋼帶間加套板梁或圓木棚，板梁或圓木上方用背板、柱帽勾頂，確保接頂嚴(yán)實(shí)，有效支護(hù)頂板，單體支柱的支設(shè)與超前支護(hù)的方法一致[9-11]。

3 結(jié)論

(1)28307工作面選用125架ZY6000-24/50型掩護(hù)式液壓支架與DW42-250/110XL型單體柱配合鉸接頂梁進(jìn)行支護(hù)；工作面端頭布置4架ZYT9000/21/46型端頭支架支撐頂板，工作面端尾采用6架ZYG9000/21/46型過渡支架配合鉸接頂梁進(jìn)行支護(hù)。

(2)根據(jù)巷道高度變化，選用額定工作阻力為250 kN的不同支護(hù)高度的QDZ型單體支柱對兩巷超前范圍頂板進(jìn)行支護(hù)。采用戴帽點(diǎn)柱的超前支護(hù)方式對巷道頂板和側(cè)幫進(jìn)行維護(hù)。距離工作面煤壁30 m的范圍內(nèi)，在兩巷兩幫打戴帽貼幫點(diǎn)柱，柱距1.2 m；從工作面煤壁起不小于10 m范圍內(nèi)，距保險(xiǎn)幫側(cè)單體不小于0.9 m，打一排戴帽點(diǎn)柱，柱距1.2 m。超前支柱必須垂直頂板，且初撐力必須達(dá)到95 kN以上，整個(gè)作業(yè)過程同樣也必須嚴(yán)格執(zhí)行“敲幫問頂”制度。

(3)工作面頂板在周期性來壓、過斷層期間、冒頂事故及過頂板破碎帶等特殊條件下，應(yīng)根據(jù)各自條件相應(yīng)調(diào)整液壓支架的高度及支撐角度，同時(shí)要做好頂板超前支護(hù)與端頭支護(hù)的移架步調(diào)，確保特殊條件下頂板管理工作安全、有序進(jìn)行。