宋維康 張龍龍 楊 明

（通用技術(shù)集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250031）

1 工程概況

薄煤層在我國廣泛分布，在煤炭資源回收過程中仍有部分困難，其頂板的安全控制是最具代表性問題。邱集煤礦7 煤7809 工作面煤層走向由北東轉(zhuǎn)向南東，煤層傾角3°～13°，平均煤厚1.30 m，煤層賦存比較穩(wěn)定。工作面直接頂為泥巖，強(qiáng)度較低；基本頂為粉砂巖，較為堅(jiān)硬；直接底為黏土質(zhì)粉砂巖，遇水膨脹，強(qiáng)度低。頂?shù)装鍘r性如圖1。

圖1 頂?shù)装鍘r性柱狀圖

2 控頂支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 支護(hù)方法

7809 工作面采用短壁后退式采煤法，全部垮落法處理采空區(qū)。工作面循環(huán)推進(jìn)度為1.2 m。工作面采煤采用炮采工藝[1]?；诠ぷ髅婀こ态F(xiàn)狀及回采方法，采用正懸臂齊梁齊柱支護(hù)方式支護(hù)頂板。

2.2 支護(hù)參數(shù)

1）工作面合理支護(hù)強(qiáng)度Pt

采用經(jīng)驗(yàn)公式[2]計(jì)算工作面合理支護(hù)強(qiáng)度Pt：

式中：G為重力加速度，工程上通常取10 N/kg；h為工作面煤層平均采高，取1.30 m；r為頂板巖石容重，取2547 kg/m3；k為工作面支柱應(yīng)支護(hù)的上覆巖層厚度與采高之比，本文工作面取8。

計(jì)算得到工作面合理支護(hù)強(qiáng)度Pt為264.88 kN/m3。選取工作面礦壓參數(shù)參考中最大平均支護(hù)強(qiáng)度300 kN/m2。

2）支柱支撐能力及支護(hù)密度

支柱支撐力為：

式中：kg為支柱工作系數(shù)，取0.99；kz為支柱增阻系數(shù)，取0.95；kb為不均勻系數(shù)，取0.9；kh為工作面采高系數(shù)，取1；ka為工作面傾角系數(shù)，取1；R為支柱額定工作阻力，300 kN/根。

計(jì)算可得Rt為253.94 kN。

根據(jù)工作面所需的合理支護(hù)強(qiáng)度Pt及單根支柱的支撐能力Rt，可以計(jì)算出支柱支護(hù)密度n：

代入先前計(jì)算結(jié)果，得到每平方米支柱數(shù)量n為1.18 根?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)采用HDJB-1200 型金屬鉸接頂梁，據(jù)此確定排距為1.2 m，若要滿足現(xiàn)場(chǎng)工作面支護(hù)強(qiáng)度，柱距應(yīng)選為0.7 m，此時(shí)支護(hù)密度達(dá)到1.19 根/m2，大于理論支柱支護(hù)密度，滿足計(jì)算要求。

3）支柱高度及柱靴直徑

支柱最大及最小高度：

式中：Hmax為最大支柱高度，m；Hmin為最小支柱高度，m；Mmax為工作面最大采高，取1.4 m；Mmin為工作面最小采高，取1.3 m；a為卸載高度，取0.05 m；b為頂梁高度，取0.1 m；s為頂板下沉量，取0.1 m。

經(jīng)計(jì)算，Hmax=1.3 m，Hmin=1.05 m。

式中：Φ 為柱靴直徑，mm；Q為底板比壓，取5 MPa。

考慮到黏土巖遇水膨脹變軟，底板比壓降低，鐵鞋直徑取系數(shù)1.1，故柱靴直徑為279.4 mm。根據(jù)現(xiàn)有支護(hù)材料，取320 mm。

3 控頂支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)同煤層礦壓觀測(cè)結(jié)果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，決定該面采用“見四回一”的控頂方式控制頂板[3]。工作面炮道寬度850 mm，使用外注式單體液壓支柱配合金屬鉸接頂梁支護(hù)，采用正懸臂齊梁齊柱的支護(hù)形式，支柱支設(shè)在頂梁后端第5～6 個(gè)牙口內(nèi)。如圖2。

圖2 工作面支護(hù)設(shè)計(jì)圖（mm）

3.1 工作面控頂方法

3.1.1 正常工作時(shí)期頂板管理

工作面使用DW16-300/100 型單體液壓支柱和HDJB-1200 型金屬鉸接頂梁支護(hù)[4]。由于受構(gòu)造影響工作面局部煤層厚度會(huì)有變化，因此工作面還備有DW14-300/100 型、DW12-300/100 型單體液壓支柱。柱爪卡在頂梁后端第5～6 個(gè)牙槽內(nèi)。本面最大控頂距為5 m，最小控頂距為3.8 m，放頂步距為1.2 m。

工作面金屬頂梁之上用3 根串桿接頂，頂板破碎處用木板梁配串桿將頂背實(shí)背嚴(yán)。串桿尺寸0.8 m×0.05 m×0.03 m，木板梁規(guī)格為1.2 m×0.2 m×0.1 m。7 煤底板為黏土巖及粉砂巖，硬度較小，支柱易鉆底，達(dá)不到支護(hù)強(qiáng)度，所以施工中要在柱下穿鐵鞋。工作面有水或遇底板過于松軟處，要在鐵鞋下加墊木垛料，保證支柱鉆底量不大于100 mm/m。

工作面支架必須架設(shè)牢固，支柱要打成直線，柱距均勻，頂梁垂直煤壁，相互平行。梁頭要齊，鉸接率大于90%，頂板按要求背實(shí)，背頂物料要搭接使用，背頂料兩端放置在頂梁上，嚴(yán)禁出現(xiàn)耷拉串桿。梁頭要接頂，不得在無柱懸臂梁上再掛懸臂梁。穿鞋不偏腳，鐵鞋墊于實(shí)底，支柱初撐力不得小于11.5 MPa。

3.1.2 正常工作時(shí)期特殊支護(hù)形式

1）從柱支設(shè)

工作面初采期間在工作面每隔8 m 支設(shè)一組叢柱，連續(xù)4 根對(duì)柱，柱下穿鞋，初撐力不小于11.5 MPa，隨面前移。

2）密集柱支設(shè)

在放頂線兩路頂梁間支設(shè)一根戴帽點(diǎn)柱，并掛好擋矸簾，作為切頂、擋矸密集柱。密集柱迎山有力，并拴好防倒繩，嚴(yán)禁支在浮煤上，密集柱初撐力不低于1.5 MPa。密集柱支設(shè)應(yīng)迎山有力，支設(shè)牢固，并和切頂排支齊?；刂鶗r(shí)，應(yīng)先超前一個(gè)棚檔支好密集柱后方可回柱。

3）臨時(shí)柱支設(shè)

工作面放炮后，待班長(zhǎng)、爆破工、瓦檢員檢查無危險(xiǎn)后，人員進(jìn)入施工地點(diǎn)，先用鎬等長(zhǎng)把工具敲幫問頂，找掉懸矸傘檐，然后掛梁，掛頂梁時(shí)用水平楔背緊。然后扒窩打支臨時(shí)柱，臨時(shí)柱要支在頂梁中間牙槽內(nèi)，迎山有力，并拴好防倒繩，嚴(yán)禁支在浮煤上，臨時(shí)柱初撐力不低于1.5 MPa。

端頭處正規(guī)支柱必須穿鞋，確保支柱初撐力不小于11.5 MPa。關(guān)門支柱、密集支柱、對(duì)柱初撐力可以不穿鞋，但支柱初撐力不小于1.5 MPa。關(guān)門支柱間距不大于300 mm。

3.2 巷道及端頭控頂

3.2.1 兩巷超前支護(hù)

7809 探煤巷從工作面煤壁向外不小于22 m 范圍內(nèi)引兩路金屬鉸接頂梁配合DW22-300/100 型單體液壓支柱加強(qiáng)支護(hù)，頂梁平行巷道方向鉸接使用，采用兩塊短木料接頂，柱頂正上方一塊，頂梁端頭一塊，短木料規(guī)格：220 mm×200 mm×40 mm。兩排支柱支設(shè)在刮板輸送機(jī)兩側(cè)，下側(cè)支柱距下幫距離為600 mm，支柱間、排距1000 mm×1200 mm。人行道位于巷道上幫，寬度不小于800 mm。

3.2.2 端頭支護(hù)

頂梁間距不大于0.6 m 且布置均勻，覆蓋工作面溜頭。支柱應(yīng)支到實(shí)底，并做到迎山有力，初撐力不小于11.5 MPa。鉸接頂梁之間要用圓銷聯(lián)接好，雙楔銷安設(shè)牢固，成對(duì)使用齊全，反向插入打緊。通過改柱，人行道寬不得小于0.8 m，始終保持出口暢通，無雜物?？缌镱^無柱懸臂梁間距不大于2.4 m。安全出口專人維護(hù)，保證無失效、變形支柱及損壞頂梁。

4 效果

7809 工作面頂板強(qiáng)度較低，回采期間控頂困難，給工作面回采造成極大安全隱患。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和理論計(jì)算，設(shè)計(jì)“見四回一”的控頂方式控制頂板，使用外注式單體液壓支柱配合金屬鉸接頂梁支護(hù)?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，支護(hù)效果良好，回采期間巷道圍巖收斂變形在可控范圍之內(nèi)，巷道超前壓力影響段圍巖擾動(dòng)變形小。通過合理設(shè)計(jì)和規(guī)范施工，杜絕了因控頂強(qiáng)度不足導(dǎo)致的工作面頂板漏冒，解決了頂?shù)装遘浫鯇?dǎo)致的頂板管控難題。