復(fù)雜結(jié)構(gòu)厚軟煤層綜放工作面支護(hù)技術(shù)

劉旭輝

(山西華融龍宮煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 原平 034114)

0 引言

復(fù)雜結(jié)構(gòu)厚軟煤層綜放工作面，由于煤層特點(diǎn)，易出現(xiàn)架前片幫和架間冒漏事故，支護(hù)較為復(fù)雜，成為安全生產(chǎn)必須面對(duì)的難題。文中以25101工作面為具體研究對(duì)象，研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)厚軟煤層綜放工作面的支護(hù)技術(shù)。

1 工作面概況

25101工作面位于該礦二水平一采區(qū)，地面標(biāo)高1 336.5～1 338.5 m，工作面北部為25103工作面采空區(qū)，南部為F1斷層保護(hù)煤柱，東部為風(fēng)井廣場(chǎng)保護(hù)煤柱，西為朔黃鐵路保護(hù)煤柱。

25101工作面所采煤層為5#煤層，是4.1～8.0 m的厚層煤，平均6.76 m，含0～4層夾矸，穩(wěn)定可采，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜。煤質(zhì)呈黑～深黑色，玻璃～金剛光澤，斷口呈參差狀，節(jié)理及內(nèi)生裂隙不發(fā)育，條帶狀、條紋狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造平行層理發(fā)育。硬度為2～3，其宏觀煤巖類(lèi)型以半亮型煤為主，其次為半暗型煤及亮煤，暗淡型煤少量。25101采區(qū)5#煤層屬中灰、中高硫煤，高發(fā)熱量之氣煤，視密度為1.36 t/m3。工作面傾斜方向煤層偽傾角12°～32°，工作面走向方向煤層偽傾角3°～10°。

25101工作面地層主要為上石炭統(tǒng)太原組，海陸交互相沉積，含煤系地層，以K1砂巖與下伏本溪組地層連續(xù)沉積。下部以淺灰色、灰白色中粗粒砂巖為主，夾薄層石灰?guī)r及薄煤層，石灰?guī)r有時(shí)相變?yōu)楹Ｏ?鈣質(zhì))泥巖；其下部為主要可采煤層5#煤層、灰色砂質(zhì)泥巖及灰白色砂巖；中上部為灰白色中細(xì)粒石英砂巖、灰色砂質(zhì)泥巖及泥巖、煤層及薄層海相(鈣質(zhì))泥巖或泥巖1～2層。煤層頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。

表1 25101工作面煤層頂?shù)装迩闆r

2 采煤方法及工藝

2.1 采煤方法

25101工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式采煤方法[1]，綜合機(jī)械化放頂煤采煤工藝。工作面采用MG200/500-QWD型雙滾筒采煤機(jī)割煤，SGZ764/500、SGZ764/500型刮板輸送機(jī)運(yùn)煤，ZF4200/17/28型液壓支架和ZFG4800/18/29型過(guò)渡支架支護(hù)頂板[2-3]，全部跨落法管理頂板。

2.2 回采工藝

采面煤層厚度4.1～15.4 m，根據(jù)探煤鉆孔，25101綜放工作面平均煤層厚度8.0 m，割煤高度2.5 m，放頂煤厚5.5 m。滾筒截深為0.6 m，牽引速度0～7.5 m/min，牽引方式為齒輪-齒軌式，支架的支撐范圍為1.7～2.8 m；確定工作面循環(huán)進(jìn)尺為0.6 m，采高不超過(guò)2.5 m；平均放煤厚4.26 m，確定平均采放比為1∶2.2。

25101綜放工作面回采時(shí)，待老頂跨落后開(kāi)始放煤，距停采線(xiàn)11.7 m開(kāi)始鋪網(wǎng)時(shí)停止放頂煤。支架從機(jī)頭向機(jī)尾分別為4#～60#架放煤，初次放頂煤時(shí)操作放頂煤支架，正常情況下工作面采用自上向下割兩刀放一次頂煤的作業(yè)方式，即割煤、移架、推前部輸送機(jī)，隨著支架的前移工作面開(kāi)始自上而下分段操作尾梁及尾梁伸縮板放頂煤。采用兩刀一放，自上而下的順序放煤的放煤工藝，即：循環(huán)放煤步距為1.2 m，由上而下順序放煤。過(guò)渡架不放頂煤(機(jī)頭3架及機(jī)尾7架)，第一輪放煤不超過(guò)40 s，第二輪放煤不超過(guò)1 min，第三輪放煤不超過(guò)3 min，第四輪見(jiàn)1/3巖石停止放煤，每班放煤不得少于4輪；工作面可以分多組同時(shí)放煤，每組間隔不少于20架，如圖1所示。

圖1 放頂煤開(kāi)采示意圖

3 工作面支護(hù)強(qiáng)度

3.1 工作面支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算

工作面支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算方法有多種，本文分別采用回歸經(jīng)驗(yàn)公式、巖石容重加動(dòng)載系數(shù)法和經(jīng)驗(yàn)巖重法計(jì)算25101工作面合理支護(hù)強(qiáng)度。

根據(jù)回歸經(jīng)驗(yàn)公式：

PZ=9.768KM0.21γ5

式中：PZ—支護(hù)強(qiáng)度，MPa；K—備用系數(shù)，1.3；M—煤層最大割煤高度5#煤層最大割煤高度2.5 m；γ5—頂板巖石容重，取24 000 N/m3。

經(jīng)計(jì)算P=0.369 MPa，因此根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)回歸計(jì)算液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度為0.369 MPa。

巖石容重加動(dòng)載系數(shù)法：巖石容量+動(dòng)載系數(shù)法主要從理論角度，考慮支撐支架上方冒落帶巖石重量與老頂來(lái)壓時(shí)的動(dòng)載系數(shù)。

PZ=KdrM/(Kp-1)

式中：PZ—支架支護(hù)強(qiáng)度，MPa；Kd—?jiǎng)虞d系數(shù)，取2；r—巖石容量，取2 400 kg/m3；M—采高，取2.5 m，Kp—巖石的碎脹系數(shù)，取1.3。

則PZ=2×2 400×2.5×10-5/(1.3-1)=0.40 MPa，因此根據(jù)巖石容重+動(dòng)載系數(shù)法計(jì)算液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度為0.4 MPa。

經(jīng)驗(yàn)巖重法：按支撐采高6～8倍的上覆巖重計(jì)算。

PZ=(6～8)Mr×10-5

式中：PZ—支架支護(hù)強(qiáng)度，MPa；r—巖石容量，取2 400 kg/m3；M—采高，取2.5 m。

計(jì)算得PZ=0.48 MPa

參數(shù)選取：通過(guò)上述3種方法計(jì)算，取其最大者為0.48 MPa，即要求所選液壓支架支護(hù)強(qiáng)度[4]應(yīng)不低于0.48 MPa的頂板荷載。

3.2 支架支護(hù)阻力

F≥PZ×Bc×L/η

式中：PZ—工作面額定支護(hù)強(qiáng)度，取PZ≥0.48 MPa；L—支架中心距，取1 500 mm；Bc—控頂距，取5.348 m；η—支撐效率，取η=0.95。

則F≥0.48×1.5×5.348×103/0.95=3 851 kN。

3.3 支架支護(hù)強(qiáng)度驗(yàn)算

本工作面中間架選用ZF4200/17/28型放頂煤液壓支架，工作阻力4 200 kN，支護(hù)強(qiáng)度0.66 MPa，共計(jì)87架。

Q=3 851 kN<4 200 kN

P=0.48 MPa<0.66 MPa

所以，工作面選用ZF4200/17/28型綜采放頂煤支架能夠滿(mǎn)足工作面支護(hù)需要。

4 頂板支護(hù)方式

4.1 正常工作時(shí)期的頂板支護(hù)方式

25101工作面采用60架ZF4200/17/28型支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架和6架ZFG4800/18/29型過(guò)渡液壓支架支護(hù)頂板，ZF4200/17/28型液壓支架最小控頂距為4 748 mm，最大控頂距為5 348 mm，支架中心距1 500 mm，初撐力為3 768 kN(泵站壓力為30 MPa)，工作阻力為4 200 kN。ZFG4800/18/29型過(guò)渡液壓支架最小控頂距為5 609 mm，最大控頂距[5]為6 209 mm，初撐力[6]為3 768 kN(泵站壓力為30 MPa)，工作阻力為4 800 kN。支架移架步距為0.60 m[7]。

4.2 端頭支護(hù)

運(yùn)輸順槽端頭支護(hù)：①25101工作面運(yùn)輸順槽端頭選用ZFG4800/18/29型支撐掩護(hù)式過(guò)渡支架支護(hù)頂板，運(yùn)輸機(jī)頭采用支柱配5 m長(zhǎng)雙排π型鋼梁充當(dāng)工作面端頭支架；支護(hù)巷道棚梁口，采用4根5.0 m的“π”型鋼梁和DZ-31.5型單體液壓支柱進(jìn)行支護(hù)，π型鋼梁排距0.3 m，π型鋼梁托住巷道棚梁邊，一梁六柱，π型鋼梁兩端頭0.2 m處分別打設(shè)2根單體支柱，靠電機(jī)打設(shè)2根單體支柱，單體對(duì)齊布置，鋼梁與排頭1#架平行支護(hù)，與1#架距離不超過(guò)0.5 m；排頭1#架外側(cè)距離大于工作面幫棚梁口不大于0.5 m；②運(yùn)輸順槽端頭必須保證0.8 m寬的安全出口，工作面20 m范圍內(nèi)進(jìn)行單體液壓支柱配合鉸接頂梁超前加強(qiáng)支護(hù)，工作面安全出口高度不低于1.8 m；③轉(zhuǎn)載溜幫的行人側(cè)利用單體液壓支柱配合鉸接頂梁支設(shè)在支架頂梁上，工字鋼頂梁與鉸接交接處墊上木料，并保證安全出口暢通；工作面端頭及三角區(qū)支護(hù)必須保證足夠的支護(hù)密度，柱排距不大于1 m，切頂線(xiàn)支設(shè)一排帶帽點(diǎn)柱，點(diǎn)柱間距不大于0.3 m，每循環(huán)及時(shí)回撤，確保支護(hù)齊全，擋矸有效。支柱必須支設(shè)在實(shí)底上，支柱鉆底量超過(guò)100 mm時(shí)必須穿底鞋，底鞋規(guī)格圓形直徑為300 mm；工作面上、下出口的人行道寬度不得小于0.8 m，凈高不低于1.8 m；④為維護(hù)后部刮板輸送機(jī)電機(jī)、減速機(jī)，要求在機(jī)頭、機(jī)尾4組支架上鋪金屬網(wǎng)，沿工作面方向鋪網(wǎng)，要求金屬網(wǎng)長(zhǎng)邊平行工作面，金屬網(wǎng)長(zhǎng)短邊搭接0.2 m；隨著工作面的推進(jìn)，連續(xù)鋪設(shè)，并與順槽金屬網(wǎng)進(jìn)行連接，與順槽金屬網(wǎng)搭接長(zhǎng)度不小于30 cm；⑤工作溜端頭支護(hù)隨轉(zhuǎn)載溜的向前推移及時(shí)回撤支柱，不得提前回收，每循環(huán)及時(shí)回撤，確保支護(hù)齊全，擋矸有效，回柱時(shí)，必須停止轉(zhuǎn)載溜，回柱后轉(zhuǎn)載溜機(jī)尾距切頂線(xiàn)最長(zhǎng)不超過(guò)2.0 m的距離。

回風(fēng)順槽端頭支護(hù)：25101工作面回風(fēng)順槽端頭采用ZFG4800/18/29型過(guò)渡液壓支架支護(hù)頂板，當(dāng)支撐掩護(hù)式過(guò)渡支架與巷道棚梁口距離不得大于0.5 m時(shí)，支架尾增加一組ZF4200/17/28型液壓支架。當(dāng)過(guò)渡支架與上幫煤壁之間的間距達(dá)到0.5～1.0 m時(shí)，使用DZ-31.5型單體液壓支柱配合1.0 m鉸接頂梁進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)走向沿巷道方向，靠近采空區(qū)側(cè)支設(shè)單體與工作面切頂排一致；當(dāng)過(guò)渡支架與上幫煤壁之間的間距大于1.0 m時(shí)，順巷道方向支設(shè)兩排DZ-31.5型單體液壓支柱配合1.0 m鉸接頂梁支護(hù)。所有支護(hù)必須與順槽巷道對(duì)應(yīng)超前支護(hù)頂梁進(jìn)行聯(lián)鎖。回風(fēng)順槽超前必須保證0.8 m寬的安全出口，工作面20 m范圍內(nèi)進(jìn)行單體液壓支柱配合鉸接頂梁超前加強(qiáng)支護(hù)，巷道高度不得低于1.8 m。

機(jī)頭鋪聯(lián)網(wǎng)：工作面機(jī)頭、機(jī)尾三架支架上方鋪設(shè)頂網(wǎng)，網(wǎng)的長(zhǎng)邊沿工作面傾斜方向，要求工作面的網(wǎng)與順槽的網(wǎng)聯(lián)好，鋪網(wǎng)長(zhǎng)邊對(duì)接[8-9]，短邊搭接，搭接量不小于0.3 m，聯(lián)網(wǎng)間距0.1 m，采用“三扭一扣壓辮式”聯(lián)法。

5 結(jié)語(yǔ)

25101工作面開(kāi)采的5#煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，針對(duì)煤層賦存等地質(zhì)條件以及煤層頂?shù)装迩闆r，確定采用綜合機(jī)械化放頂煤采煤法，頂板處理采用全部垮落法。同時(shí)對(duì)工作面進(jìn)行了合理的支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算，對(duì)工作面正常回采以及端頭進(jìn)行了優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)，保證了工作面的安全生產(chǎn)。