煤礦工作面堅(jiān)硬頂板支護(hù)方式的研究

王智慧

（山西平舒煤業(yè)有限公司， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

在開采頂板硬度系數(shù)較高的煤層時(shí)，通常面臨著采空區(qū)工作面回采后不能及時(shí)垮落的問題。煤礦的安全生產(chǎn)便不能有效地進(jìn)行，甚至有時(shí)還會(huì)有人員傷亡。本文以作為改進(jìn)采煤方法的支護(hù)技術(shù)為研究對(duì)象，提出了單體液壓支柱π鋼梁支護(hù)和XDY-1TY/1200型懸移支架支護(hù)兩種支護(hù)方式，以便有效地解決制約堅(jiān)硬頂板采煤順利生產(chǎn)的頑疾[1-2]。

1 平舒礦概況

平舒礦位于壽陽(yáng)縣大興莊村，井田位于沁水煤田的北部，東西平均走向長(zhǎng)9.407 km，南北平均傾斜寬2.96 km，井田面積為27.8205 km2，全井田內(nèi)剩余煤炭資源儲(chǔ)量127.50 Mt。開采范圍標(biāo)高為+900～+650 m，礦井核定生產(chǎn)能力為90萬(wàn)t/年，屬煤與瓦斯突出礦井。礦井現(xiàn)開采8號(hào)煤，位于太原組頂部，煤層厚1.34～2.50 m，平均1.64 m，中部最厚，東部稍薄結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般不含夾矸，頂板巖性為較堅(jiān)硬的砂巖。其中，工作面支柱和支架的材料決定著支護(hù)質(zhì)量的好壞。為了更好地控制頂板，支架和支柱應(yīng)選擇具有足夠初撐力和工作阻力的材料。

2 單體液壓支柱π鋼梁支護(hù)

目前，單體液壓支柱具有快速響應(yīng)，能夠使載荷呈均勻分布，保證采煤工作面穩(wěn)定的特點(diǎn)。所以，多數(shù)具有堅(jiān)硬頂板的礦區(qū)其支護(hù)方式正進(jìn)行著由傳統(tǒng)的支護(hù)到單體液壓支護(hù)的變革。

2.1 單體液壓支架實(shí)際支撐力及其確定方法

支柱的工作主要取決于支柱的初撐力，在支柱密度和支護(hù)系統(tǒng)剛度一定時(shí)，支柱的初撐力越大，則其工作阻力也越大。此時(shí)，支柱的初撐力對(duì)控制頂板起作用。提高初撐力可以避免直接頂離層，因?yàn)楫?dāng)初撐完成后，支柱的工作阻力在一定范圍內(nèi)會(huì)隨著頂板的下沉而不斷增大來(lái)抵消垮落帶巖重。因此適當(dāng)提高支柱的初撐力指標(biāo)，可以很好地預(yù)防頂板發(fā)生冒頂。根據(jù)煤礦安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，通常支柱初撐力應(yīng)大于等于其額定初撐力的70%～80%。

通過(guò)在煤礦的實(shí)際驗(yàn)證與經(jīng)驗(yàn)得知，支柱的有效支撐力RT可以表示為[3]：

2.1.1 支柱不鉆底

當(dāng)支柱不鉆底時(shí)有：

式中：KZ為增阻系數(shù)；KB為支柱承載時(shí)的不均勻系數(shù)；GB為回撤前支柱的理論工作阻力，kN/柱。

經(jīng)實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，式（1）中參數(shù)的取值范圍如表1所示。

表1 初撐力參數(shù)的取值范圍

2.1.2 支柱鉆底

當(dāng)支柱鉆底時(shí)，支柱的有效支撐能力和底板的抗壓入能力有關(guān)，當(dāng)?shù)装蹇箟喝肽芰Φ陀谥е闹文芰r(shí)：

式中：G'B為支柱的工作阻力，kN/柱。

當(dāng)出現(xiàn)支柱鉆底時(shí)，給支柱加裝鐵鞋防護(hù)，可以有效增大支柱的支撐能力。對(duì)于煤礦而言，其底板狀況優(yōu)良，抗壓入能力強(qiáng)，因此選用支柱不鉆底公式來(lái)計(jì)算單體液壓支柱的初撐力。各系數(shù)取值根據(jù)表1計(jì)算得RT=0.9×0.85×275=210.3 kN/根。

通過(guò)上式計(jì)算結(jié)果可以看出：煤礦單體液壓支柱的初撐力為210.3 kN/根，因此選用220 kN/根的單體液壓支柱即可。

2.2 支護(hù)密度的確定

目前，支護(hù)密度的確定對(duì)于單體液壓支柱來(lái)說(shuō)主要按照摩擦支柱的支護(hù)密度進(jìn)行設(shè)計(jì)，缺乏理論分析，因此容易出現(xiàn)強(qiáng)支柱，弱支護(hù)的現(xiàn)象。這嚴(yán)重制約了單體液壓支柱技術(shù)的發(fā)展。針對(duì)該情況，確定合理的工作面支護(hù)密度成為單體液壓支護(hù)技術(shù)的關(guān)鍵。單體液壓支柱的支護(hù)密度主要和以下幾個(gè)方面相關(guān)[4]：

1）支柱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

2）工作阻力的大小；

3）工作面采高和工作面煤層的性質(zhì)。

合理支柱密度經(jīng)煤礦安全通用準(zhǔn)則查詢可知可用下式表示：

式中：N 為支護(hù)密度，根 /m2；PT為支護(hù)強(qiáng)度，kN/m2；a為排距，m；b為柱距，m。

通過(guò)上式可以看出：支柱的密度同支護(hù)強(qiáng)度成正比，同支柱的實(shí)際支撐能力成反比。

2.3 支護(hù)強(qiáng)度的確定

支護(hù)強(qiáng)度與對(duì)頂板的要求有關(guān)，應(yīng)根據(jù)工作面的不同區(qū)別對(duì)待。根據(jù)實(shí)施階段不同，可以分為以下幾個(gè)階段。

2.3.1 初次來(lái)壓階段

懸頂?shù)目迓浒l(fā)生在直接頂初次垮落后。此時(shí)，工作面支架將受到懸頂附加的作用力，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)得知，阻止懸頂持續(xù)斷裂所需的支護(hù)強(qiáng)度可用下式表示：

式中：W為垮落頂板作用力，359.1 kN/m2；mZ為直接頂厚度，m；kZ為直接頂容重，kg/m3；gZ為垮落頂板懸頂系數(shù)。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)得知，按照巖梁斷裂時(shí)煤壁附近下切危險(xiǎn)的極限狀態(tài)計(jì)算老頂巖梁初次來(lái)壓階段的合理支護(hù)強(qiáng)度，如下式所示：

式中：fE1為老頂（裂隙帶）厚度，取值 1.5 m；ρE1為老頂（裂隙帶）容重，取4 800 kg/m3；x0為初次垮落（老頂巖梁）步距，取0.8 m；Lk為控頂距（最大），取10 m。

帶入數(shù)據(jù)計(jì)算解得PT1=503.1 kN/m2。

2.3.2 正常推進(jìn)階段

初次來(lái)壓結(jié)束到工作面完工的整個(gè)過(guò)程為正常推進(jìn)階段，整個(gè)過(guò)程為阻止頂板垮落所需的合理支護(hù)強(qiáng)度為：

式中：C為運(yùn)動(dòng)步距（老頂巖梁），取0.44 m。

帶入數(shù)據(jù)計(jì)算解得PT2=520.6 kN/m2。

取最大值作為合理的支護(hù)強(qiáng)度，即PT=520.6kN/m2。

根據(jù)初撐力計(jì)算，選擇RT=220 kN/根。

綜上所述，支柱的密度N=PT/RT=520.6/220=2.36根/m2。即支柱的密度為2.36根/m2。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，取間距為0.8 m，則排距為0.7 m。

3 XDY型懸移頂梁液壓支架支護(hù)

XDY型懸移頂梁液壓支架是一種自移式輕型支架，它具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)輸和安裝方便等特點(diǎn)[5]。

3.1 頂板一次冒落高度計(jì)算

式中：H為頂板一次冒落的高度，m；M為采高距離，取 2.2 m；Kp為巖石初始的碎脹系數(shù)，Kp=1.25～1.5，取1.25。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得H=8.8 m。

3.2 頂板壓力計(jì)算

式中：L為工作面斜長(zhǎng)，取140 m；a為最大控頂距（工作面），取 3.4 m；r為巖石容量，取 2.68 g/cm3；1.3為動(dòng)壓系數(shù)。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得P=14 593.78 N。

3.3 每部支架承受能力

式中：Z為工作面支架數(shù)（1.0 m設(shè)一個(gè)支架），取140。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得P'=104.24 kN。

4 液壓支架型號(hào)選擇與校驗(yàn)

根據(jù)煤礦工作面的地質(zhì)特征，現(xiàn)采用XDY-1TY/1200型懸移支架，該支架工作阻力1 200 kN。架間打一根加強(qiáng)柱。利用鋼銷固定支柱和梁，且采用集中控制的升降方法。

4.1 承載能力校驗(yàn)

XDY-1TY/1200型懸移支架的工作阻力為1 200 kN，大于支架所要承受的壓力，故滿足支護(hù)強(qiáng)度的需求。

4.2 安全系數(shù)校驗(yàn)

式中：P1為每平方米頂板壓力，30.66 kN。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得N=3.30。煤礦安全操作規(guī)程（第三本），要求安全操作系數(shù)為2.5，顯然3.30＞2.5，所以設(shè)計(jì)滿足要求。

通過(guò)承載能力和安全系數(shù)的校驗(yàn)可知，XDY-1TY/1200型懸移支架滿足該煤礦工作面支護(hù)強(qiáng)度的要求。

5 結(jié)論

1）單體液壓支柱π鋼梁支護(hù)的π鋼梁長(zhǎng)2.4 m，額定承載力為250 kN，工作面最小控頂距3.2 m，最大控頂距4.0 m。采用錯(cuò)梁齊柱，一梁三柱式布置。

2）XDY-1TY/1200型懸移支架的額定工作阻力為495 kN，梁間距1 m，最大控頂距為3.4 m，最小控頂距為2.8 m，放頂步距0.6 m，采用一梁兩柱的布置方式。

參考文獻(xiàn)

[1]王建紅.國(guó)外難垮落頂板控制技術(shù)綜述[J].煤，2008（5）：17-19.

[2]付凱，蘇承東.薄煤層堅(jiān)硬頂板采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[J].焦作工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004（5）：338-341.

[3]陳炎光，錢鳴高.中國(guó)煤礦采場(chǎng)圍巖控制[M].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1994.

[4]楊海新.條帶工作面堅(jiān)硬頂板控制技術(shù)的研究[J].礦山測(cè)量，2005（1）：53-55.

[5]王成武.童亭煤礦堅(jiān)硬頂板下的高檔普采[J].煤炭技術(shù)，2005（5）：51-52.