陳 鵬

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司大陽煤礦分公司，山西晉城 048003）

隨著綜采技術(shù)在煤礦的普及應(yīng)用，采煤效率大幅提高的同時，資源采出率也得到了提升[1-2]。但在綜采大范圍投入時，煤層頂板會處于隨采隨落的狀態(tài)，支架設(shè)備的選擇將是保障綜采技術(shù)安全開采的核心設(shè)備。工作參數(shù)十分關(guān)鍵[3]，液壓支架參數(shù)選擇過大會增加一定的開采成本；若參數(shù)選擇過小，則不利于礦井的安全生產(chǎn)。此外針對綜采過程中遇到斷層、破碎區(qū)域，則需要采用超前支護(hù)，其中對順槽超前支護(hù)的液壓支架的選型、間距布置是超前支護(hù)的技術(shù)難點(diǎn)[4]。

1 工作面

大陽礦目前開采3#煤層的3306工作面，采用傾斜長臂綜放開采，放頂煤高度2.99m。根據(jù)對已采工作面的勘查，3#煤層在被開采后直接頂呈懸臂梁狀態(tài)懸浮一定時長后，隨液壓支架的前移隨采隨落。在直接頂垮落后，基本頂將在懸空一段時間后隨直接頂?shù)目迓?，并呈周期性斷裂沉降。頂板作用力主要集中于煤壁上和采空區(qū)垮落帶，單獨(dú)使用液壓支架很難起到支護(hù)作用。根據(jù)地測判斷，初次來壓步距約為30m，周期來壓步距為15m。在不進(jìn)行超前支護(hù)和聯(lián)合支護(hù)的情況下，頂板最大塌陷程度預(yù)計將超過1m，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)。

3306工作面隨工作面推進(jìn)支架前移頂板自行垮落充填采空區(qū)，最大、最小控頂距如圖1所示：支架最大控頂距為6112mm，最小控頂距為5312mm；推拉步距為800mm。

圖1 工作面控頂距示意圖（單位：mm）

1.1 支護(hù)方式

3306 工作面基本頂以深灰色細(xì)砂巖為主，較為堅硬，直接頂以黑色泥巖為主，屬較軟巖類。根據(jù)煤層厚度、頂板屬性以及采高條件，本工作面將采用ZF7200/17/33 型中間支架、ZFG/8000/18.5/33 過渡支架對頂板進(jìn)支護(hù)，最大控頂距6112mm，最小控頂距為5312mm，移架步距為800mm，分兩階段完成支護(hù)：

第一階段：在切眼內(nèi)布置107架ZF7200/17/33型中間支架，4 架ZFG8000/18.5/33 型過渡液壓支架，其中4架過渡架位于工作面機(jī)頭；

第二階段：切眼內(nèi)布置147架ZF7200/17/33型中間支架，7 架ZFG8000/18.5/33 型過渡支架，2 組ZT14400/20/40 型端頭支架，其中4 架過渡架位于工作面機(jī)頭，3架過渡架位于工作面機(jī)尾。

1.2 液壓支架的校核

（1）支架支護(hù)強(qiáng)度校核。ZF7200/17/33 型支架與ZFG8000/18.5/33 型支架的承受載荷將根據(jù)公式（1）進(jìn)行校驗：

式中：P——支架承受的載荷，kN；

h——放頂煤厚度，2.99m；

r1——煤的視密度，1.44t/m3；

r2——頂板巖石視密度，2.60t/m3；

M——工作面采高，2.60m；

L——工作面最大控頂距，取6.11m；

b——支架中心距，1.5m。

代入數(shù)據(jù)計算得支架載荷P=4546kN，小于支架最大工作阻力的7200kN，滿足載荷要求。

（2）支架初撐力校核。根據(jù)煤礦安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化的基本要求，液壓支架初撐力應(yīng)高于泵站壓力P泵的80%，所以液壓支架的初撐力P0需根據(jù)公式（2）計算:式中：P泵——泵站壓力，30MPa；

P0——液壓支架初承力。

經(jīng)過計算，液壓支架初承力24MPa。

（3）支架的結(jié)構(gòu)參數(shù)校核。支架高度應(yīng)處于最大支護(hù)高度和最小支護(hù)高度之間，最大高度：

式中：Hmax——支架最大支護(hù)高度，m；

Mmax——煤層最大采高，m；

S1——偽頂或浮煤冒落厚度，一般取0.2m。

經(jīng)過計算：Hmax=2.6+0.2=2.8（m）。

最小高度：

式中：Hmin——支架最小支護(hù)高度，m；

Mmin——煤層最小采高，m；

S2——頂板最大下沉量，取200mm；

a——支架移架所需最小下降量，取50mm；

b——浮煤厚度，取50mm。

經(jīng)過計算：Hmin=2.6-0.2-0.05-0.05=2.3（m）。

代入公式計算得，Hmax=2.8m，Hmin=2.3m，支架高度可滿足1700～3300mm，因此該支架在允許高度范圍內(nèi)，可見支架的高度符合控頂設(shè)計的要求。

1.3 液壓支架支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)對液壓支架的校驗，ZF7200/17/33型綜采放頂煤液壓支架和ZFG8000/18.5/33 型過渡支架可滿足綜放工作面回采后對頂板的支護(hù)需求，并可以在工作面回采過程中根據(jù)礦壓情況對支架進(jìn)行相應(yīng)的增減，并遵守以下安裝原則：①支架需平行布置，相鄰支架的間距應(yīng)控制在50mm內(nèi)避免擠咬；非應(yīng)力集中區(qū)域支架應(yīng)保持均勻排列，中心距偏差控制在100mm；支架頂梁平行與頂板支護(hù)，最大仰俯角不超過7°，高度與采高相匹配，支架的活柱行程不小于200mm。②當(dāng)監(jiān)測到頂板壓力過大時，甚至有冒頂征兆時，應(yīng)迅速追機(jī)拉架，以防頂板冒落；③移架過程中遇到頂板受損較大時可以超前拉架，超出規(guī)定的梁端距需打出伸縮梁。④移架時支架如果發(fā)生偏移需利用側(cè)護(hù)板及時調(diào)整支架形狀和走向，避免倒架、咬架等現(xiàn)象的發(fā)生。

2 超前支護(hù)設(shè)計

傳統(tǒng)的聯(lián)合支護(hù)方式具有人力成本高、支護(hù)效率低、支護(hù)成本高的缺點(diǎn)。針對工作面回采期間過斷層、破碎帶等區(qū)域時容易發(fā)生頂板事故，筆者提出了巷道超前支護(hù)的解決方案，每臺超前液壓支架配備有4根立柱及挑梁、替柱等裝置，支撐高度2100～3200mm，在對頂板支護(hù)時可以以單體液壓支柱混合使用。由于巷道邁步自移式超前液壓支架可以顯著降低工人勞動強(qiáng)度，與傳統(tǒng)超前支護(hù)方式相比具有支護(hù)面積大、支護(hù)效率高、自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)，而且還可以有效解決傳統(tǒng)支護(hù)方式對大斷面巷道適應(yīng)性差等問題，合理的超前液壓支架支護(hù)強(qiáng)度與支護(hù)距離是巷道超前支護(hù)的主要技術(shù)參數(shù)，支護(hù)強(qiáng)度與支護(hù)距離不足，則會導(dǎo)致巷道變形量大，不能滿足支護(hù)要求；而支護(hù)強(qiáng)度與支護(hù)距離過大，則不僅造成設(shè)備投資的浪費(fèi)，并且超前液壓支架對頂板的過度反復(fù)支撐還會破壞巷道頂板的完整性，從而引起冒頂?shù)劝踩鹿剩虼?，需要綜合分析巷道頂?shù)装鍘r性、地應(yīng)力分布、工作面回采等影響因素。

大陽礦采用超前支護(hù)，并根據(jù)公式（4）“超前支護(hù)強(qiáng)度加上原支護(hù)形式的支護(hù)強(qiáng)度在回采期間對巷道的殘余支護(hù)強(qiáng)度必須大于巷道回采期間圍巖對巷道的頂壓”進(jìn)行驗算：

式中：Pt——巷內(nèi)原支護(hù)及超前支護(hù)對頂板的支護(hù)強(qiáng)度，t;

Pn——單位排距所需的支護(hù)頂板強(qiáng)度，t；

My——直接頂厚度，3.19m；

Ry——直接頂容重，2.75t/m3；

Mm——頂煤厚度，2.99m；

Rm——煤的容重，1.44t/m3；

L——巷道凈寬度，運(yùn)輸順槽5.6m，軌道順槽4.8m；

W——單位排距，0.9m；

K——動壓系數(shù)，即來壓期間與正常回采期間頂板給予巷道的壓力比值，一般在1.1～1.2之間，取1.2。

經(jīng)過計算得：

3306 工作面運(yùn)輸順槽Pn=（3.19×2.75+2.99×1.44）×5.6×0.9×1.2=79（t）。

3306 工作面回風(fēng)順槽Pn=（3.19×2.75+2.99×1.44）×4.8×0.9×1.2=68（t）。

對此，將選擇?20mm 的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿結(jié)合DW35-300/110X型單體柱進(jìn)行巷道支護(hù)，其中，螺紋鋼錨桿的錨固力大于18t，分別在運(yùn)輸順槽布置7根、軌道順槽布置4根，支護(hù)的有效系數(shù)取0.7；單體柱額定工作阻力為31t，分別在運(yùn)輸順槽布置4根，軌道順槽布置4根。計算得：

運(yùn)輸順槽Pt=7×18×0.7+4×31=212.2（t）≥Pn=79t回風(fēng)順槽Pt=4×18×0.7+4×31=174.4（t）≥Pn=68t

通過計算可知，3306 工作面所選用的DW35-300/110X 型單體柱和高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿支護(hù)能力較強(qiáng)，超前“單體柱+螺紋鋼錨桿”支護(hù)強(qiáng)度能滿足超前支護(hù)的要求。

3 特殊時期的頂板控制

工作面在過斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造時，以及頂壓、老空等破碎區(qū)段時的支架布置形式不變，根據(jù)現(xiàn)場實際情況另行編制專項安全技術(shù)措施。

3.1 過頂壓、褶曲等破碎區(qū)段的控制措施

過破碎區(qū)時，通常保持原有支架布置方式，使支架處于穩(wěn)定的支護(hù)狀態(tài)，嚴(yán)格執(zhí)行“少降快拉”的原則，然后采取以下保護(hù)措施：①頂?shù)装逭移剑ＷC支護(hù)狀態(tài)垂直于巷道頂?shù)装?，并與頂?shù)装褰佑|緊密；②對于片幫嚴(yán)重區(qū)域在采煤機(jī)割煤后迅速拉架護(hù)頂；③對于割煤后仍出現(xiàn)片幫，當(dāng)支架已拉過超前架，但護(hù)幫板仍不能護(hù)頂時，選用規(guī)格為不小于100mm厚的板梁直頂煤幫；④當(dāng)頂板壓力大頂板破碎時，要對該區(qū)域采取補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)作業(yè)。

3.2 過斷層等頂板破碎區(qū)段的控制措施

3306 工作面受斷層等地質(zhì)構(gòu)造影響，部分地段條件不好時頂板較破碎。當(dāng)工作面過斷層期間，需注意工作面初次來壓，周期來壓的時間，在此期間要及時在片幫寬度大頂板破碎處，垂直煤壁將一些長短適宜的板梁及金屬網(wǎng)放在架內(nèi)以防冒頂時使用。必須加強(qiáng)頂板管理，防止片幫、冒頂事故發(fā)生。

4 結(jié)束語

以大陽礦3306工作面聯(lián)合支護(hù)和沿空順槽超前支護(hù)的液壓支架選型、校驗為背景，在分析煤巖層結(jié)構(gòu)、沿空順槽來壓周期等條件后，對支架的選型進(jìn)行了校驗的研究，得到以下主要結(jié)論：①工作面支護(hù)載荷4546kN，小于7200kNZF7200/17/33 型中間支架的最小阻力，并且滿足工作面的支撐高度并保留一定的余量；②超前液壓支架選用的DW35-300/110X 型單體柱和高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿支護(hù)能力較強(qiáng)，對運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽的支撐分別達(dá)到212.2t和174.4t，滿足超前支護(hù)的要求；③工作面過斷層、破碎區(qū)時，建議超前拉架，或采用長短適宜的板梁及金屬網(wǎng)放在架內(nèi)以防冒頂時使用。

根據(jù)工作面回采的推進(jìn)情況，整套放頂煤液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度完全能滿足需要，超前支護(hù)設(shè)備的準(zhǔn)確選型發(fā)揮了積極的安全保障作用。