綜采工作面末采期間頂板支護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化與應(yīng)用

張 磊

(西山煤電集團(tuán)公司 官地礦， 山西 太原 030022)

目前，西山煤電集團(tuán)所屬礦井綜采工作面末采擴(kuò)循環(huán)段跨度已普遍超過(guò)3.2 m，現(xiàn)有支護(hù)手段主要對(duì)擴(kuò)循環(huán)通道頂板采取錨桿索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，忽視了支架頂梁上部煤巖體的支護(hù)效果，從后期拆架撤面效果來(lái)看，支架上部煤巖體較為破碎，難以自承，撤出一個(gè)架后，流渣現(xiàn)象明顯，需要加木垛進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。同時(shí)，擴(kuò)循環(huán)段頂板下沉量急劇增大，往往需要拉底作業(yè)才能滿(mǎn)足出架需要，不僅耗時(shí)耗力，也給施工作業(yè)帶來(lái)極大的安全隱患[1-3]. 針對(duì)此，必須對(duì)現(xiàn)有工作面末采技術(shù)中的支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)支架上方直接頂是否發(fā)生斷裂，建立了“懸臂梁”與“簡(jiǎn)支梁”兩類(lèi)不同頂板力學(xué)模型，基于力學(xué)分析結(jié)果，提出預(yù)緊鋼絲繩與預(yù)應(yīng)力錨索網(wǎng)支護(hù)技術(shù)，對(duì)支架上部直接頂支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，將上部頂板力學(xué)狀態(tài)由“懸臂梁”變?yōu)椤昂?jiǎn)支梁”，達(dá)到減少拆架通道頂板變形量的目的，并在官地礦33421綜采工作面末采工程中進(jìn)行應(yīng)用，進(jìn)行礦壓觀測(cè)，驗(yàn)證其使用效果。

1 末采期間頂板力學(xué)模型

當(dāng)工作面擴(kuò)循環(huán)完成后，根據(jù)“砌體梁”理論[4-5]，采場(chǎng)上覆巖層破斷后重新組合，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)[3-4]. 為方便計(jì)算，本文只討論基本頂斷裂在停采線(xiàn)后方這種情況，采場(chǎng)上部基本頂斷裂后，隨工作面的繼續(xù)推進(jìn)，頂板結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1. 巖梁B發(fā)生折斷，進(jìn)而扭轉(zhuǎn)，由于工作面不再推進(jìn)，巖梁A不再發(fā)生破壞，只是與巖梁B鉸接，此時(shí)巖梁B通過(guò)回轉(zhuǎn)給支架上方直接頂一個(gè)力矩M，當(dāng)支架上部直接頂未斷裂時(shí)，可將頂板力學(xué)模型簡(jiǎn)化為一頭固定，一頭鉸接的懸臂梁結(jié)構(gòu)，直接頂上部受巖體自身重力，呈均載荷q分布，梁端頭受基本的巖梁B的回轉(zhuǎn)作用，見(jiàn)圖2. 當(dāng)支架上部直接頂發(fā)生斷裂時(shí)，可將頂板力學(xué)模型簡(jiǎn)化為懸臂梁，見(jiàn)圖3，下面針對(duì)兩種力學(xué)模型分別進(jìn)行理論計(jì)算。

圖1 工作面末采擴(kuò)循環(huán)階段頂板結(jié)構(gòu)圖

圖2 支架上部直接頂未斷裂力學(xué)模型圖

圖3 支架上部直接頂斷裂力學(xué)模型圖

1) 支架上部直接頂斷裂時(shí)。

根據(jù)材料力學(xué)計(jì)算可知，撓度與轉(zhuǎn)角最大均發(fā)生在梁端，使用疊加原理將力學(xué)模型分解為均載作用與扭矩作用兩個(gè)模型，對(duì)梁端的擾度與轉(zhuǎn)角分別計(jì)算疊加。

對(duì)于均載作用q下，最大撓度與轉(zhuǎn)角分別為：

(1)

式中：

q—頂板上部載荷，kN；

E—頂板圍巖彈性模量，MPa；

l—頂板長(zhǎng)度，m；

I—截面的慣性矩，m4.

對(duì)于扭矩M作用下，最大撓度與轉(zhuǎn)角分別為：

(2)

式中：

M—支架上方頂板所受力矩，N·M.

因此，梁端的撓度與轉(zhuǎn)角分別為：

(3)

2) 支架上部直接頂未斷裂時(shí)。

使用疊加原理將力學(xué)模型分解為均載作用與扭矩作用兩個(gè)模型，根據(jù)材料力學(xué)計(jì)算，對(duì)梁端的擾度與轉(zhuǎn)角分別計(jì)算疊加。

對(duì)于均載作用q下，當(dāng)x=0.422l時(shí)，最大撓度為：

(4)

對(duì)于扭矩M作用下，撓度為：

(5)

將x=0.422l帶入式(5)，可得：

(6)

因此，梁的最大撓度為：

(7)

通過(guò)比較分析可知，“懸臂梁”模型最大撓度要比“簡(jiǎn)支梁”模型最大撓度大4.0～4.4倍。也就是說(shuō)，支架頂梁上部直接頂斷裂時(shí)，直接頂變形劇烈，且變形最大點(diǎn)為支架前梁處。相反，當(dāng)支架上部直接頂不發(fā)生斷裂時(shí)，直接頂變形較小，且變形最大點(diǎn)為擴(kuò)循環(huán)段中部靠前，即與支架上部破碎煤巖體相距較遠(yuǎn)，對(duì)頂板管理有利。綜上，在綜采工作面末采過(guò)程中，必須加強(qiáng)支架上部直接頂支護(hù)強(qiáng)度，確保圍巖體穩(wěn)定。

2 末采期間頂板支護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化

現(xiàn)有末采技術(shù)，只是在末采過(guò)程中鋪設(shè)金屬網(wǎng)，只起到擋矸作用，不能提供主動(dòng)支護(hù)力，且在鋪網(wǎng)過(guò)程中，頻繁升降架，推進(jìn)度慢，支撐壓力對(duì)支架上部直接頂反復(fù)作用，造成該段直接頂破碎直至斷裂，最終上部頂板形成“懸臂梁”模型，失去“支架—圍巖”支護(hù)體系作用。根據(jù)理論分析可知，拆架通道頂板形成“簡(jiǎn)支梁”模型對(duì)頂板管理有利，為此需要采取一定的支護(hù)手段，確保支架上部直接頂不發(fā)生斷裂，形成“簡(jiǎn)支梁”模型。

提出了一種末采階段支護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化方法，即通過(guò)鋪設(shè)預(yù)緊鋼絲繩和打設(shè)錨索，增加支架上部煤巖體支護(hù)強(qiáng)度，同時(shí)優(yōu)化擴(kuò)循環(huán)段錨桿索網(wǎng)布置方式，對(duì)末采階段頂板進(jìn)行控制，其主要工藝如下：

1) 在綜采工作面末采鋪網(wǎng)過(guò)程中，當(dāng)金屬網(wǎng)進(jìn)至合適地點(diǎn)后，將直徑不小于26 mm的鋼絲繩一端固定于綜采工作面一側(cè)巷道一個(gè)支撐梁或錨索上，將鋼絲繩沿支架頂梁前鋪設(shè)在金屬網(wǎng)下并在每架處將兩者固定，使鋼絲繩位于金屬網(wǎng)的下側(cè)對(duì)金屬網(wǎng)形成托設(shè)。

2) 將鋼絲繩另一端沿工作面走向鋪設(shè)并拉緊，每間隔10 m使用2.4 m錨桿進(jìn)行固定，具體方法為將鋼絲繩壓在錨片下，錨桿預(yù)緊力不得低于60 kN，依次進(jìn)行，直至將第一根鋼絲繩鋪設(shè)完成，在工作面另一端頭將鋼絲繩使用繩卡預(yù)緊固定在梁或錨索上。

3) 鋪設(shè)完成第一道鋼絲繩后，工作面推進(jìn)2個(gè)循環(huán)，沿支架頂梁在各支架側(cè)護(hù)板間打設(shè)合適長(zhǎng)度的錨索進(jìn)行主動(dòng)支護(hù)，錨索長(zhǎng)度根據(jù)上部煤巖體進(jìn)行選擇，但必須固定在上部穩(wěn)定圍巖中，錨索間距1.5 m，預(yù)緊力不小于120 kN.

4) 打設(shè)完預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)后，工作面再推進(jìn)1～2個(gè)循環(huán)，此時(shí)繼續(xù)鋪設(shè)鋼絲繩，鋪設(shè)方法同第一道。

5) 擴(kuò)循環(huán)段頂板采用4排錨桿索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，考慮到錨桿索協(xié)同承載作用機(jī)理，錨桿間距取1.0 m，錨索間距取1.0～1.5 m，排距均為900 mm，且錨桿索交替支護(hù)。

針對(duì)工作面頂板圍巖穩(wěn)定性及采高，可制定不同的支護(hù)強(qiáng)度，鋼絲繩可配合錨桿索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，但鋼絲繩不得少于2道，所打設(shè)鋼絲繩必須位于支架頂梁上部，且具有一定的預(yù)緊力。

3 末采期間頂板支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用

1) 支架上部直接頂支護(hù)系統(tǒng)。

官地礦33421綜采工作面末采首次使用鋼絲繩配合錨索控制支架頂梁頂板，支護(hù)示意圖見(jiàn)圖4，具體施工要求為：在鋪網(wǎng)過(guò)程中，要求在距支架頂梁端頭1.0 m處往后依次鋪設(shè)2道鋼絲繩，間距為3.0 m，直徑不小于26 mm，每架前用雙股14#鐵絲將金屬網(wǎng)與鋼絲繩相聯(lián)，在兩端頭各打一根起吊錨索，使用至少3道卡子將鋼絲繩固定在起吊錨索上，工作面每隔7個(gè)支架打設(shè)一根錨桿將鋼絲繩壓緊。同時(shí)，在支架立柱前500 mm處施工4.2 m長(zhǎng)錨索一排，間距1.5 m.

2) 擴(kuò)循環(huán)段錨桿索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)。

隨工作面推進(jìn)，待第一道4 m板梁全部落入采空區(qū)并被矸石壓實(shí)后，將支架對(duì)齊，開(kāi)始擴(kuò)循環(huán)，頂板采用錨桿索聯(lián)合支護(hù)配合穿插梁的方式進(jìn)行支護(hù)。

錨桿索布置形式為：第一排在支架頂梁端前300 mm的位置打設(shè)錨桿索支護(hù)，錨桿索交替布置，間距為1 m，第二排、第三排、第四排支護(hù)同第一排，錨桿索位置交叉布置，排距均為0.9 m，錨索規(guī)格為d21.6 mm×4 200 mm，錨桿規(guī)格為d22 mm×2 400 mm. 頂板破碎段配合穿梁支護(hù)，梁選用4.2 m工字鋼梁，每架兩根，梁的一端頂死煤幫，另一端插入支架不小于0.4 m，間距0.75 m，均勻布置。

圖4 33421綜采工作面末采支護(hù)設(shè)計(jì)圖

通過(guò)實(shí)施該支護(hù)技術(shù)，在該面拆架期間，通過(guò)礦壓觀測(cè)可知，頂板變形量低于300 mm，符合使用要求，同時(shí)不需要在拆架三角煤處加打支護(hù)，為安全生產(chǎn)創(chuàng)造良好條件。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 基于“砌體梁”理論，以支架上部直接頂是否斷裂為判別標(biāo)準(zhǔn)，提出綜采工作面末采擴(kuò)循環(huán)期間“懸臂梁”與“簡(jiǎn)支梁”兩類(lèi)不同頂板力學(xué)模型，并進(jìn)行了力學(xué)分析，得出最大撓度及位置，通過(guò)分析對(duì)比，為綜采工作面末采擴(kuò)循環(huán)期間頂板支護(hù)提供理論基礎(chǔ)。

2) 以“簡(jiǎn)支梁”模型為基礎(chǔ)，提出預(yù)緊鋼絲繩與預(yù)應(yīng)力錨索網(wǎng)對(duì)支架上部直接頂支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)提高對(duì)支架上部直接頂?shù)闹鲃?dòng)支護(hù)，提高了擴(kuò)循環(huán)段頂板力學(xué)性能及支護(hù)強(qiáng)度，為末采期間及拆架撤面期間創(chuàng)造安全生產(chǎn)作業(yè)條件，該控制技術(shù)在官地礦33421工作面末采期間進(jìn)行應(yīng)用，通過(guò)礦壓觀測(cè)可知，頂板變形量低于300 mm使用效果良好。