大傾角高瓦斯“三軟”煤層綜采工作面端頭支護技術研究

張曉飛

安徽省淮北市淮北礦業(yè)集團公司楊莊煤礦，淮北安徽 235025

大傾角高瓦斯“三軟”煤層綜采工作面端頭支護技術研究

張曉飛

安徽省淮北市淮北礦業(yè)集團公司楊莊煤礦，淮北安徽 235025

本文介紹了采煤工作面端頭范圍，分析了端頭頂板破斷規(guī)律、礦壓顯現(xiàn)特征和選擇端頭支護的原則，通過對8種常見端頭支護形式的歸納和比較，結合大傾角高瓦斯“三軟”煤層綜采工作面端頭支護形式的要求和特點，探討出適應該種生產(chǎn)地質條件的端頭混合支護方式，并在實踐中取得的良好效果，為類似條件下選擇端頭支護形式提供參考和依據(jù)。

端頭支護；破斷規(guī)律；大傾角；高瓦斯；“三軟”煤層

引言

工作面端頭是指長壁工作面兩端與回采巷道銜接的地段，是頂板控制的薄弱環(huán)節(jié)[1]，相對于近年來采煤工作面開采速度及產(chǎn)能的大幅度提高，端頭支護發(fā)展嚴重滯后[2]，統(tǒng)計表明，工作面端頭管理工作占整個工作面勞動量的30%，占工序時間的50%[3]，嚴重制約著勞動生產(chǎn)效率的進一步提升。端頭支護質量不僅影響工作面的單產(chǎn)和工效，而且還存在較為嚴重的頂板及瓦斯等方面的安全隱患，本文結合淮北礦務局N礦12125工作面生產(chǎn)地質條件，分析研究各種端頭支護的優(yōu)缺點，最終得出適合大傾角高瓦斯“三軟”煤層工作面端頭的支護方式。

1 工作面概況

12125 工作面標高為-395～-493m，煤層厚度為2.1～3.4m，平均2.7m，直接頂泥巖，厚度1.0m左右，老頂為細砂巖，厚度4.1～7.8m，直接底為泥巖及5-1煤，老底為細砂巖，煤硬度f=0.3～0.5，實屬三軟煤層，傾角在24°～37°之間，平均31°，經(jīng)鑒定該工作面煤層為高瓦斯有自燃傾向的煤層，可采儲量28.9萬噸，服務年限5.2個月，工作面上、下順槽全部為U型棚支護。

2 端頭范圍的界定及其頂板破斷規(guī)律

2.1 端頭范圍

回采工作面端頭區(qū)域與上下平巷相連處，并且許多情況下會有一定范圍的超前缺口，同時還要考慮端頭區(qū)域懸頂寬度以及由于兩巷預先掘出巷道外側幫已經(jīng)松動的范圍[4]。那么端頭范圍S表達式為：

式中：LK——采面控頂寬度，m；

LZ——端頭缺口沿走向寬度，m；

LQ——端頭缺口沿傾斜長度，m；

LX——懸頂寬度，m；

B——工作面運輸巷或回風巷寬度，m：

BK——巷道松動范圍，BK=（0.28～0.78）B。

圖1 端頭范圍

2.2 頂板破斷規(guī)律

工作面端頭作業(yè)需要比較完整的直接頂條件，而老頂?shù)淖冃?、破斷?guī)律直接決定著直接頂?shù)钠扑槌潭?。下面通過建立端頭處老頂?shù)淖冃纹茢嗟牧W模型，并通過該模型分析端頭處老頂?shù)钠茢嘁?guī)律，探究端頭支護的難點所在。

端頭處老頂變形破斷的力學結構可用兩鄰邊固支—弧形斜邊的“弧三角形懸板”的矩形薄板模型表示。當懸板懸露長度接近極限跨落步距，自由邊與固支邊交接的部位彎矩的峰值將持續(xù)增大，直至發(fā)生破斷。隨著工作面的持續(xù)推進，懸板將發(fā)生規(guī)律性的破斷，懸板的破斷最先發(fā)生在兩端最大彎矩處，并沿著弧形主應力線方向延伸。

“懸板”下的工作空間可以得到該結構的保護，維護條件比中部好。但在不易形成“懸板”結構的端頭將得不到保護，維護較困難[1,5]。

2.3 礦壓顯現(xiàn)特征

回采工作面端頭范圍內礦壓顯現(xiàn)不同于采面，這是選擇端頭支護要注意的問題。

（1）工作面后退式采煤，平巷要經(jīng)歷掘進變形階段；（2）端頭范圍受多重支承壓力影響；（3）端頭范圍空頂面積大、頂板完整性差；

（4）煤壁對頂板的三角支承形成較大的懸臂，使端頭范圍壓力增加。

3 端頭支護的選擇

3.1 原則和依據(jù)

（1）圍巖穩(wěn)定性，頂板壓力大小及其穩(wěn)定性；

（2）煤層傾角；

（3）端頭頂板的懸露面積；

（4）端頭的支護方式、采煤工藝及二者的相互影響；

（5）布置端頭設備的方式。

3.2 支護形式及其比較

端頭范圍內的支護形式一般有以下幾種：

（1）四對八根工字鋼梁支護。該支護形式靈活、適應性強，架設、移除迅速，當工作面長度因地質等因素（如遭遇到陷落柱）而變化時，可以通過增減支架的數(shù)目以適應頂板來壓的規(guī)律性變化及工作面長度改變；長鋼梁的跨度大，為布置機頭、機尾提供了較大的無立柱的作業(yè)空間，同時有效支護了大范圍懸露的頂板；移動支架時，不會出現(xiàn)大范圍的支承力同時卸載，使頂板始終處于穩(wěn)定。頂板來壓平穩(wěn)的情況下，可提供最有效的端頭支護。

（2）金屬十字頂梁端頭支護。與其他形式的端頭支護相比，十字頂梁最顯著的優(yōu)點是：支護體系的穩(wěn)定性好，可以防止老頂來壓時推倒支架，使用靈活，通用性強，長短梁都可以接；十字頂梁簡單，架設方便、安全；它適用于回采巷道采用錨桿支護或巷道壓較大、變形嚴重的工作面端頭。

（3）普通鉸接頂梁端頭支護。

（4）網(wǎng)狀頂梁端頭支護。網(wǎng)狀頂梁傲為端頭支護的效果與十字頂梁支護基本相同，但更具靈活性，其更優(yōu)良的支護性能將在破碎頂板情況下得以充分展示。

（5）HDJS型金屬雙楔鉸接頂梁端頭支護。其具有正反承載的特性，在端頭部位可鉸接成大跨度的剛性長梁，支護跨度大，為安全生產(chǎn)拓展了作業(yè)空間。

（6）卡塊(專用)項梁端頭支護。該卡塊項梁在兩梁間形成剛性鉸接結構，有效避免了普通鉸接梁在鉸接處塌陷下彎，確保了支護效果。

（7）端頭滑移支架。目前端頭滑移支架支護方式仍處于推廣的初期階段。端頭若采用滑移支架，既增大有效控頂面積，又體現(xiàn)了端頭支護向高度機械化、快速移架方向發(fā)展的趨勢，具有一定的優(yōu)越性。

（8）端頭液壓支架。從現(xiàn)場生產(chǎn)實際情況看，是目前最先進的支護方式之一，符合“技術先進、經(jīng)濟合理”的要求，安裝用時少且便于管理，極大節(jié)約了支護成本和坑耗。鑒于適用條件限制、初期設備投入高和管理人員的培訓耗時等諸多原因，端頭液壓支架的應用仍較少。

3.3 端頭支護方式的確定

（1）條件和要求：①回采巷道采用U型棚支護，故不能采用端頭滑移支架及端頭液壓支架；②所采煤層為高瓦斯煤層，工作面風量大，要求端頭有較大的自由空間；③“三軟”煤層，端頭老頂不易形成“弧三角形懸板”結構，頂板壓力較大，要求端頭支護具有高強度和高剛度；④所采用的支護形式，滿足在使用過程中減少對端頭頂板的反復作用，以保持頂板的結構。

（2）確定支護方式。經(jīng)過對各種端頭支護方式的分析比較，結合本工作面具體的條件要求，最終采取的支護方式為：用長度大于3.2m，直徑大于0.18m的圓木進行套棚，并用HDJA-1200型鉸接頂梁在其下挑三排走向棚支護，棚腿為DZ25～DZ35型單體液壓支柱，且一梁一柱，采用笆片、半圓木或板皮將幫、頂背嚴過實，一個U型棚棚檔中間套一棵圓木。機尾用一對7.0m長礦用11#工字鋼大棚以“一梁六柱”形式挑跨機尾大棚，且大棚相互交錯、邁步式前移，邁步錯距為0.8m，根據(jù)現(xiàn)場機尾跨度，適當增加大棚數(shù)量，確保棚間距不超過0.8m。單體液壓支柱，初撐力不小于50kN，工作阻力不小于70kN。

（3）效果：雖然頂?shù)装寮皫筒孔冃尉?00mm左右，但經(jīng)臥底后，端部滿足使用和通風斷面要求，取得較好的效果。

4 結論

（1）實踐表明，一梁一柱走向棚支護與“一梁六柱”形式挑跨機尾大棚的混合支護，適應該大傾角高瓦斯“三軟”煤層綜采工作面端頭，滿足使用要求。

（2）分析了各種端頭支護形式的特點和適用條件，為在選擇具體的支護形式時，提供參考和依據(jù)。

（3）端頭老頂能否形成“弧三角形懸板”結構，對端頭支護效果的影響甚大，對“三軟”煤層，在選擇端頭支護形式時，應該充分考慮在使用過程中，注意保持端頭老頂?shù)摹盎∪切螒野濉苯Y構。

[1]陳炎光,錢鳴高.中國煤礦采場圍巖控制.徐州：中國礦業(yè)大學出版社.1994

[2]張守祥.高產(chǎn)高效工作面端頭支護的研究.煤礦機電.2000(3):7～12

[3]劉昌平.大傾角厚煤層長壁綜放工作面端頭支護技術實踐.煤炭科學技術.2005,33 (10):23～25

[4]黃慶國.回采工作面端頭支護探析.1998,26(8):45～48

[5]劉長友,曹勝根,方新秋.采場支架圍巖關系及其監(jiān)測控制.徐州：中國礦業(yè)大學出版社.2003

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.036

張曉飛 性別：男 出生年月：1974年3月職稱：采礦工程師。