大傾角工作面兩巷布置及端頭支護(hù)方式研究

辛家祥

(天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

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大傾角工作面兩巷布置及端頭支護(hù)方式研究

辛家祥

(天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

[摘要]大傾角工作面兩巷掘進(jìn)布置及端頭支護(hù)方式對(duì)維護(hù)端頭區(qū)安全作業(yè)空間、保證工作面正常推進(jìn)具有重要意義。對(duì)比分析了大傾角工作面兩巷多種掘進(jìn)布置方式和幾種常見(jiàn)端頭支護(hù)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了影響巷道布置的幾個(gè)關(guān)鍵要素，提出了大傾角端頭支護(hù)原則，為合理確定巷道布置、巷道斷面尺寸及端頭支護(hù)方式提供了依據(jù)和可行方法。

[關(guān)鍵詞]大傾角工作面;兩巷布置;端頭支護(hù)

[引用格式]辛家祥.大傾角工作面兩巷布置及端頭支護(hù)方式研究[J].煤礦開(kāi)采，2015，20(6)：31-33，111.

傾角大于25°的煤層統(tǒng)稱為大傾角煤層，為實(shí)現(xiàn)大傾角煤層綜合機(jī)械化開(kāi)采布置的工作面稱為大傾角綜采工作面。工作面與上下兩巷交叉區(qū)域稱為端頭區(qū)，端頭區(qū)設(shè)備布置密集，是采掘、運(yùn)輸設(shè)備的交接點(diǎn)，還是行人、通風(fēng)、運(yùn)料及輸煤的咽喉，因此如何根據(jù)煤層傾角正確處理上下兩巷與工作面切眼之間的相對(duì)位置關(guān)系，選取合理的端頭支護(hù)方式，對(duì)于改善端頭區(qū)作業(yè)環(huán)境和安全狀況，實(shí)現(xiàn)大傾角工作面端頭的安全支護(hù)和工作面正常推進(jìn)具有重要意義。

1兩巷布置方式及斷面尺寸確定

1.1工作面兩巷布置方式分類(lèi)及其特點(diǎn)

對(duì)于大傾角工作面，一般按巷道底板與煤層底板的相對(duì)位置關(guān)系對(duì)巷道布置方式進(jìn)行分類(lèi)，而巷道頂板則要根據(jù)煤層厚度、硬度及頂板狀況，巷道內(nèi)設(shè)備的尺寸及布置方式進(jìn)行選擇，是沿傾斜煤層頂板掘進(jìn)還是水平掘進(jìn)，是煤頂、巖頂還是煤巖頂(如圖1所示)。

圖1　大傾角工作面巷道布置與煤層關(guān)系

(1)巷道底板水平掘進(jìn)，完全在煤層內(nèi)，即煤底。

(2)巷道底板水平掘進(jìn)，完全不在煤層內(nèi)，即巖底。

(3)巷道底板水平掘進(jìn)，一部分在煤層內(nèi)，一部分在底板巖石內(nèi)，即煤巖底。

(4)巷道底板沿煤層底板掘進(jìn)，即巖底。

(5)巷道頂板水平掘進(jìn)。

(6)巷道頂板沿煤層頂板掘進(jìn)，即巖頂。

不同巷道掘進(jìn)布置方式及其特點(diǎn)如表1所示。

除表1所列巷道布置方式外，還有工作面端頭

表1　巷道底板與煤層底板相對(duì)位置及其特點(diǎn)

圓弧過(guò)渡(如圖2所示)，該方式巧妙地將大傾角工作面下端頭布置成圓弧過(guò)渡，從而可以采用常規(guī)端頭支架支護(hù)，但僅適用于較厚煤層的開(kāi)采。

圖2　大傾角工作面下端頭圓弧過(guò)渡布置

由以上分析可知，大傾角工作面巷道沿底板水平掘進(jìn)留煤巖底布置方式優(yōu)勢(shì)明顯，同等條件下可考慮優(yōu)先選用。近幾年大傾角綜采工作面巷道頂板一般沿煤層頂板掘進(jìn)，巷道底板采取破底留煤巖底的方式掘進(jìn)，取得了較好的效果。同時(shí)，為減少輸送機(jī)下鏈回煤，保證運(yùn)輸系統(tǒng)煤流順暢，工作面下端頭處輸送機(jī)機(jī)頭要有一定的卸載高度，這就要求運(yùn)輸巷底面要低于工作面底板，導(dǎo)致運(yùn)輸巷必須破底掘進(jìn)。

1.2影響工作面兩巷布置的關(guān)鍵因素

為合理確定巷道的布置方式及斷面尺寸，下面重點(diǎn)介紹影響大傾角工作面巷道布置的幾個(gè)關(guān)鍵因素。

(1)對(duì)于運(yùn)輸巷，要根據(jù)巷道內(nèi)設(shè)備外形尺寸及行人通道、檢修通道、安全間隙等要素確定運(yùn)輸巷的寬度(如圖3所示)，為減少巷道寬度，可考慮設(shè)備錯(cuò)位平行布置，行人通道及檢修通道合并，必要時(shí)膠帶機(jī)可偏轉(zhuǎn)布置，為保證設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，偏轉(zhuǎn)距離不宜超過(guò)300mm。

圖3　運(yùn)輸巷設(shè)備布置平面

(2)必要時(shí)，可將輸送機(jī)減速器及電機(jī)布置在上端頭，既節(jié)省工作面下端頭空間，又可使輸送機(jī)底鏈由下向上順利運(yùn)行；還可考慮將乳化液泵站及噴霧泵站布置在回風(fēng)巷，此時(shí)主進(jìn)液管路在工作面傾斜方向無(wú)壓力損失，但須考慮回液阻力。

(3)為盡量減小運(yùn)輸巷的寬度，在滿足巷道內(nèi)設(shè)備布置，采煤機(jī)能自開(kāi)切口、割透端頭處三角煤，輸送機(jī)卸載高度足夠的前提下，要求轉(zhuǎn)載機(jī)到運(yùn)輸巷下幫的距離盡量小，留夠安全距離即可。

(4)回風(fēng)巷寬度的確定主要考慮采煤機(jī)能割透端頭處三角煤，并且輸送機(jī)機(jī)尾不宜懸臂太長(zhǎng)，避免影響設(shè)備強(qiáng)度及可靠性。

(5)上下兩巷的高度應(yīng)能滿足通風(fēng)、行人、設(shè)備布置等要求，還應(yīng)能與工作面頂?shù)装搴侠泶罱?，平滑過(guò)渡，防止底板滑落。

(6)為避免采區(qū)采掘關(guān)系失調(diào)，要根據(jù)采區(qū)地質(zhì)條件、開(kāi)采方式和支護(hù)類(lèi)型，選取合理的巷道斷面形狀；在滿足安全和使用要求的前提下，巷道破底及挑頂量應(yīng)盡量少，提高斷面利用率，縮小斷面，減少掘進(jìn)工程量，提高掘進(jìn)速度，降低造價(jià)并便于快速施工。

2端頭支護(hù)方式及其選擇原則

2.1工作面端頭常用支護(hù)方式

大傾角工作面端頭區(qū)空頂范圍大，頂板完整性差，另外受掘進(jìn)、回采等多重采動(dòng)影響，使端頭區(qū)壓力增加，造成頂板下沉及底鼓，不易支護(hù)。目前，國(guó)內(nèi)大傾角工作面端頭通常采用的支護(hù)方式主要有：

(1)單體支柱加π梁組成的“四對(duì)八梁”適用于回采巷道采用錨桿、錨網(wǎng)支護(hù)或巷道斷面較小、頂板下沉明顯、底鼓嚴(yán)重的工作面端頭，適應(yīng)性較強(qiáng)，但支護(hù)強(qiáng)度低，支設(shè)及移除困難，管理難度大。

(2)中置或偏置式端頭支架適用于煤層較厚工作面端頭圓弧過(guò)渡布置、頂板比較完整的工作面下端頭，自動(dòng)化程度高，移架速度快；當(dāng)應(yīng)用于沿頂板掘進(jìn)斜梯形巷道時(shí)，需在頂梁及斜梁(掩護(hù)梁)連接處設(shè)計(jì)特殊形式的連接塊，以適應(yīng)巷道形狀，保證接頂效果。

(3)橫式端頭支架原煤科總院北京開(kāi)采所上世紀(jì)90年代研制成功的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)橫式端頭支架在一定程度上解決了大傾角工作面下端頭三角區(qū)頂板支護(hù)(如圖4所示)，在綠水洞煤礦、昊華能源木城澗礦及峰峰集團(tuán)牛兒莊煤礦等推廣使用，取得了較好效果，但使用中存在移架困難、支架被擠死、行人通道被矸石堵死等問(wèn)題。

圖4　大傾角工作面配置橫式端頭支架布置

國(guó)外上世紀(jì) 70～80 年代有一些大傾角中厚煤層長(zhǎng)壁機(jī)械化開(kāi)采的報(bào)道，主要集中在前蘇聯(lián)、波蘭、德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)等主要采煤國(guó)家，西班牙、捷克等國(guó)家也作了一些研究和試驗(yàn)。但近年來(lái)，其研究進(jìn)展特別是大傾角端頭支護(hù)鮮見(jiàn)報(bào)道。

2.2工作面端頭支護(hù)方式選擇原則

大傾角條件下的“支架-圍巖”系統(tǒng)，支架頂梁所受?chē)鷰r外載與支架結(jié)構(gòu)中心是非對(duì)稱的，而傳統(tǒng)支架的結(jié)構(gòu)型式和工作特性一般都是對(duì)稱的,因而當(dāng)支架應(yīng)用于大傾角工作面時(shí)，其工況會(huì)產(chǎn)生較大變化，造成“支架-圍巖”系統(tǒng)的整體失穩(wěn),導(dǎo)致支護(hù)設(shè)計(jì)失敗，乃至發(fā)生安全事故。

因此，大傾角工作面端頭支護(hù)方式選取時(shí)，要綜合考慮端頭區(qū)頂板壓力大小及其完整性、穩(wěn)定性，端頭區(qū)頂板懸空面積，回采巷道的原有支護(hù)方式和工作面生產(chǎn)工藝等要素。不論采取何種結(jié)構(gòu)形式的端頭支護(hù)方式，都要求能護(hù)得住、站得穩(wěn)、升得起、降得下、走得動(dòng)。

(1)護(hù)得住指端頭支護(hù)應(yīng)具有足夠的無(wú)立柱空間，能實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面端頭區(qū)機(jī)頭機(jī)尾、轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)尾等設(shè)備的防護(hù)，能滿足支架移架步距的要求；有足夠的行人、通風(fēng)斷面，實(shí)現(xiàn)行人安全進(jìn)出工作面及工作面安全生產(chǎn)；具有安全防護(hù)裝置，能防止工作面滾落的矸石傷人傷設(shè)備。

(2)站得穩(wěn)指端頭支護(hù)能較好適應(yīng)巷道形狀，不僅設(shè)備自身接頂、接底性能好，還能為排頭支架提供穩(wěn)定支撐，防止工作面支架傾倒及下滑。

(3)升得起、降得下指端頭支護(hù)應(yīng)具有合理的工作阻力和工作高度，既能較好支撐頂板又不破壞頂板完整性，巷道頂板冒落時(shí)支架能及時(shí)升起來(lái)接頂，頂板下沉?xí)r支架能降得下，防止壓死架；可采取改變傳統(tǒng)端頭支架移架方式或降低支架初撐力等措施，避免對(duì)頂板反復(fù)有力支撐。

(4)走得動(dòng)指端頭支護(hù)具有較大的推溜力、拉架力，確保輸送機(jī)機(jī)頭機(jī)尾、轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)尾及設(shè)備自身能順利前移。

除此之外，端頭支護(hù)還應(yīng)能滿足采煤機(jī)自開(kāi)缺口；對(duì)于不需留巷的工作面，要求端頭支護(hù)還要具有較強(qiáng)切頂能力，以便工作面過(guò)后頂板及時(shí)垮落；端頭支護(hù)還應(yīng)具有回收巷道原有支護(hù)設(shè)施的機(jī)構(gòu)和裝置。

3結(jié)論

重點(diǎn)對(duì)比分析了大傾角工作面上下兩巷多種掘進(jìn)布置方式的優(yōu)缺點(diǎn)及影響巷道布置的幾個(gè)關(guān)鍵要素，為優(yōu)化大傾角工作面巷道布置方式、巷道斷面尺寸及合理布置巷道內(nèi)設(shè)備等提供技術(shù)依據(jù)；介紹了幾種大傾角工作面常見(jiàn)端頭支護(hù)方式，總結(jié)出選擇確定大傾角端頭支護(hù)方式的基本原則及要求，對(duì)提升大傾角工作面端頭支護(hù)機(jī)械化程度、加快工作面推進(jìn)速度，促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

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[責(zé)任編輯：鄒正立]

·開(kāi)采技術(shù)與裝備·

Study on Roadway Layout and the Face End Support Pattern for

Large Inclined Angle Working Face

XIN Jia-xiang

(Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.,Beijing 100013，China)

Abstract：The study on roadway layout and the face end support pattern for large inclined angle working face is important significance for maintaining safe working space and guaranteeing drawing speed of working face.This paper analyzes the advantages and disadvantages of a variety of roadway arrangement modes and common face end support patterns for large inclined angle working face，introduces several key factors that would influence roadway layout，proposed the principle of face end support，which provided theory basis and feasible method for the reasonable roadway layout，cross-sectional dimensions and support pattern for face end.

Key words：large inclined angle working face；roadway layout；support pattern for face end

[作者簡(jiǎn)介]辛家祥(1983-)，男，山東陽(yáng)谷人，工程師，主要研究方向?yàn)椴擅汗ぷ髅嬉簤褐Ъ茉O(shè)計(jì)。

[基金項(xiàng)目]國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2014CB046302)；開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部青年創(chuàng)新基金(KJ-2014-TDKC-13)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.008

[收稿日期]2015-05-19

[中圖分類(lèi)號(hào)]TD822.2;TD355

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1006-6225(2015)06-0031-03