整體頂梁組合懸移支架在“三軟”煤層工作面的應(yīng)用

王向楠，郭新建，趙源波，任朝飛，任好杰

（國(guó)投煤炭鄭州能源開(kāi)發(fā)有限公司，河南 登封 452470）

國(guó)投煤炭鄭州能源開(kāi)發(fā)有限公司教學(xué)三礦位于登封市徐莊鄉(xiāng)境內(nèi)，于2000年12月正式投產(chǎn)，礦井原設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.45 Mt／a，后經(jīng)工業(yè)局再次復(fù)核核定為0.84 Mt／a。該礦主采的二1 煤層受嵩山地質(zhì)構(gòu)造影響，產(chǎn)生滑動(dòng)、推移、擠壓、斷裂等地質(zhì)作用，形成大量的構(gòu)造煤，煤質(zhì)軟，頂?shù)装宸€(wěn)定性極差，屬于典型的“三軟”煤層〔1〕，工作面頂?shù)装骞芾黼y度大，片幫問(wèn)題嚴(yán)重。

1 工作面概況

1.1 工作面地質(zhì)條件

15031工作面設(shè)計(jì)開(kāi)采煤層為二1 煤層，通過(guò)鉆孔和掘進(jìn)勘探資料分析可列出該工作面煤層賦存結(jié)構(gòu)（見(jiàn)表1）。綜合來(lái)看15031 工作面內(nèi)煤層賦存較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，硬度較軟；直接頂為細(xì)粒砂巖，屬于1b亞類不穩(wěn)定頂板；直接底板主要為泥巖，屬于II類松軟底板，由此可知15031工作面開(kāi)采煤層屬于“三軟”煤層。

表1 煤層及頂?shù)装遒x存結(jié)構(gòu)

1.2 生產(chǎn)技術(shù)條件

根據(jù)工作面的地質(zhì)條件決定采用走向長(zhǎng)壁后退式布置工作面，使用整體頂梁組合懸移液壓支架配合采煤機(jī)進(jìn)行回采作業(yè)，屬于簡(jiǎn)易綜采技術(shù)的應(yīng)用。由于部分區(qū)域煤層較厚，因此在煤層厚度大于采高時(shí)需要進(jìn)行放頂煤操作，根據(jù)懸移支架和采煤機(jī)的參數(shù)，設(shè)定采高為2.3m。根據(jù)煤層厚度賦存狀況，以采高2.3m 為界限，分別采用不同的工藝流程：

（1）煤層厚度小于2.3m 區(qū)域，打眼、注水→放炮→挖窩→割煤→伸出伸縮梁護(hù)頂→同時(shí)移前后兩部運(yùn)輸機(jī)→移架→放頂煤→移托梁。

（2）煤層厚度大于2.3m 區(qū)域，注水→挖窩→割煤→伸出伸縮梁護(hù)頂→同時(shí)移前后兩部運(yùn)輸機(jī)→移架→放頂煤→移托梁。

2 懸移支架的適應(yīng)性分析

根據(jù)15031放頂煤工作面的直接頂、直接底分類情況，并結(jié)合煤層賦存條件、采高及工作面實(shí)際情況等因素，綜合考慮確定15031采煤工作面選用ZH2000／16／24Z型整體頂梁組合懸移液壓支架，通過(guò)對(duì)支架支護(hù)強(qiáng)度、可靠性進(jìn)行進(jìn)行計(jì)算，對(duì)懸移支架的適應(yīng)性進(jìn)行分析。

2.1 支護(hù)強(qiáng)度分析

支護(hù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)從下面三個(gè)時(shí)間段計(jì)算取最大值〔2-3〕。

（1）直接頂初次跨落期間。

合理的支護(hù)強(qiáng)度為：

式中：P1為支架支護(hù)強(qiáng)度，t／m2；MA為直接頂厚度，取9.86m；YA為直接頂平均容重，取2.56t／m3；LA為直接頂初次垮落步距，取8m；L為控頂距，取4.1m。

（2）老頂初次來(lái)壓期間

合理的支護(hù)強(qiáng)度：

式中：A 為直接頂作用力，t／m2；L大為最大控頂距，取4.1 m；L小為最小控頂距，取3.3 m；MB為老頂厚度，取12.6 m；YB為老頂容重，取2.56t／m3；Kt為巖重分配系數(shù)，受直接頂厚度與采高之比N／h=9.86／2.3=4.29，Kt取4.29；CB為老頂初次來(lái)壓步距，取12m。

（3）頂板周期來(lái)壓期間

合理的支護(hù)強(qiáng)度為：

式中：Cc為老頂周期來(lái)壓步距，取9m。

取以上最大值，合理的支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)為：

2.2 懸移支架可靠性計(jì)算

（1）工作面支護(hù)密度G（根／m2）核算：

式中：F為支柱工作阻力，取額定工作阻力（500kN／9.8 N／kg=51t）的85%為43.35t／根；n為支柱工作阻力利用系數(shù)，0.90；P為最大支護(hù)強(qiáng)度，取38.20t／m2。

實(shí)際支護(hù)密度為：Gs=4／（4.1×0.96）=1.02根／m2

式中：4為支柱數(shù)量；0.96為支架寬度；4.1為支架最大控頂距。

Gs＞G 工作面支護(hù)強(qiáng)度可滿足安全生產(chǎn)需要。

（2）懸移支架對(duì)工作面煤壁穩(wěn)定性的控制

懸移支架必須具有來(lái)自層面方向推力的抵抗力，提高支架的初撐力是防止頂板發(fā)生冒頂事故的有效措施。

式中：P初為支柱初撐力，kN／根；h為工作面平均煤厚度5.4m，頂煤厚度為5.4-2.3=3.1 m；r為煤層密度，取1.38t／m3；α為煤層傾角，取21°；G實(shí)為支護(hù)密度，取1.02根／m2；f為軟硬巖層之間摩擦系數(shù)，取0.5。

則：P初=〔3.1×1.38×（cos21°+sin21°／0.5）〕／1.02=7.14t／m2≈71.4kN

泵站壓力為31.5MPa時(shí)，懸移支架支柱初撐力為299 kN／根，可以防止推垮型冒頂事故的發(fā)生。

由上述核算可知，ZH2000／16／24Z型整體頂梁組合懸移液壓支架基本能夠滿足15031放頂煤工作面的支護(hù)要求，對(duì)放頂煤工作面煤壁片幫具有一定的防治作用。

3 懸移支架應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)

通過(guò)在15031工作面進(jìn)行懸移支架的應(yīng)用，該支架對(duì)于“三軟”煤層表現(xiàn)出良好的適用性，相較于傳統(tǒng)的單體液壓支柱配π型梁對(duì)棚支護(hù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)：

3.1 操作簡(jiǎn)單，有效降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度

相較于單體液壓支柱配π型梁對(duì)棚支護(hù)，懸移支架支護(hù)方式減少了多道操作程序，操作方式上也采用集中控制方式，操作簡(jiǎn)單方便，有效減輕了工人移架的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作面生產(chǎn)效率。

3.2 有效改善工作面環(huán)境和安全性

工作面所有懸移支架可通過(guò)頂部托梁實(shí)現(xiàn)整體性，可有效降低支架傾斜、倒架事故發(fā)生的幾率，提高支架的穩(wěn)定性。支架護(hù)頂面積增大，在割煤過(guò)后可及時(shí)伸出前探梁進(jìn)行護(hù)頂，支架背部設(shè)有擋矸板，可有效阻擋采空區(qū)矸石竄入工作面，使得工作面的工作環(huán)境得到有效改善，安全性得到提高。

3.3 頂煤回收率得到提高

采用懸移支架進(jìn)行放頂煤操作，通過(guò)針對(duì)不同頂煤厚度采取不同的放煤方式，設(shè)置不同的放煤口，可有效對(duì)放頂煤操作進(jìn)行控制，提高了頂煤回收率，經(jīng)濟(jì)效益顯著增加。

4 懸移支架應(yīng)用中的不足與改進(jìn)

懸移支架在15031工作面實(shí)際回采應(yīng)用過(guò)程中也體現(xiàn)出一些不足，針對(duì)這些應(yīng)用中顯現(xiàn)出的問(wèn)題也進(jìn)行了一些改進(jìn)。

4.1 存在架間縫隙，影響工作面工作環(huán)境

在實(shí)際支護(hù)過(guò)程中，由于架間存在較大的縫隙，當(dāng)頂板受采動(dòng)及放煤影響破碎程度較高時(shí)會(huì)有破碎煤巖體竄入工作面的現(xiàn)象發(fā)生，會(huì)對(duì)工作面環(huán)境和工作人員的安全造成一定的影響，針對(duì)這種不良現(xiàn)象提出了一種有效的解決辦法，將廢舊皮帶裁剪為適合長(zhǎng)寬，在懸移支架頂部單側(cè)邊沿進(jìn)行安裝，這種方法有效解決了架間縫隙過(guò)大攛矸的問(wèn)題。

4.2 煤層硬度較軟，煤壁易片幫

由于15031工作面屬于典型的“三軟”煤層，煤壁片幫問(wèn)題嚴(yán)重，為有效降低煤壁片幫事故發(fā)生的幾率，在懸移支架伸縮梁前方設(shè)計(jì)安裝了帶有護(hù)幫板的翻轉(zhuǎn)梁，在割煤過(guò)后伸出前探梁進(jìn)行護(hù)頂?shù)耐瑫r(shí)，可操作翻轉(zhuǎn)梁和護(hù)幫板對(duì)煤壁進(jìn)行支撐，降低了煤壁的片幫現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

整體頂梁懸移支架在該工作面的成功應(yīng)用，促進(jìn)了該礦“三軟”煤層開(kāi)采的技術(shù)進(jìn)步，并積累了豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，有效提高了工作面的生產(chǎn)效率和安全性，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了大量成本，提高了煤炭資源回收率，創(chuàng)造了可觀的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)在豫西礦區(qū)相同地質(zhì)條件的礦井中有借鑒推廣使用的意義。