亞辰煤業(yè)綜采放頂煤工作面頂板控制技術(shù)探討

張 雄

（山西呂梁離石西山亞辰煤業(yè)有限公司，山西 離石 033000）

1 工程概況

亞辰煤業(yè)有限公司位于山西呂梁離石市，礦井井田面積1.5 km2，可采煤層為8#、9#，根據(jù)設(shè)計(jì)能力0.6 Mt/a。礦井屬于低瓦斯礦井，現(xiàn)生產(chǎn)水平為+710 m水平，29103工作面開(kāi)采井田東翼9號(hào)煤層，北接9號(hào)右翼皮帶巷，南與山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)錦瑞煤業(yè)相鄰，東臨29102工作面采空區(qū)（保安煤柱25 m），西與山西樓俊集團(tuán)泰業(yè)煤業(yè)相鄰。29103工作面對(duì)應(yīng)上方間隔6.72～10.62 m為8號(hào)煤層28103、28104工作面采空區(qū)。9號(hào)煤層屬穩(wěn)定可采近水平厚煤層，煤層傾角5°～7°，平均6°，煤厚3.9～4.5 m，平均4.2 m。

29103工作面走向長(zhǎng)625 m，傾向長(zhǎng)148 m。根據(jù)煤層賦存情況，確定采煤機(jī)采高跟底為2.2 m，放頂煤高度為2 m，采放比為1∶0.68。工作面采用綜采放頂煤開(kāi)采工藝，全部垮落法管理頂板。工作面絕對(duì)瓦斯涌出量1.45 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為1.25 m3/t。工作面頂?shù)装鍘r性見(jiàn)表1。

表1 工作面頂?shù)装鍘r性

2 綜采放頂煤工作面頂板控制技術(shù)

2.1 工作面支護(hù)

工作面采用ZF5300/17/32支撐掩護(hù)式液壓支架支護(hù)，共106架，本架操作（機(jī)頭1#端頭支架除外），追機(jī)移架及時(shí)支護(hù)頂板，移架滯后采煤機(jī)后滾筒3～5個(gè)架為準(zhǔn)，支架接頂嚴(yán)實(shí)，初撐力不小于24 MPa。支架技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 ZF5300/17/32型液壓支架技術(shù)特征

液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度校驗(yàn)［1-2］：

（1）支架支撐高度的確定：

Hmax≥Mmax+0.2

Hmin≤Mmin-(0.2～0.3)

式中：Hmax、Hmin為支架最大、最小高度，m；Mmax、Mmin為工作面最大、最小采高，m。

則：支架最大高度Hmax≥2.5+0.2=2.7 m；支架最小高度Hmin≤2.5-0.3=2.2 m。

確定支架高度Hmax=2.7 m，Hmin=2.2 m，所選液壓支架型號(hào)符合需求。

（2）支架支護(hù)強(qiáng)度的計(jì)算：

P=Kd(g冒+g頂)

式中:P為支架支護(hù)強(qiáng)度，MPa；Kd為動(dòng)載系數(shù)，取1.5；g冒為冒落帶自重應(yīng)力，MPa；g頂為頂煤自重應(yīng)力，MPa。

g冒=r1h1，

g頂=r2h2

式中：r1為上覆巖層容重，取18 kN/m3；m為工作面采高，m=2.5m；δ為巖石初期碎脹系數(shù)，取δ=1.25；r2為頂煤容重，取r2=1.5×9.8=14.7 kN/m3；h2為放頂煤高度，h2=1.9 m。

則：g冒=r1h1=18×10＝180 kN/m2；g頂=r2h2=14.7×1.9＝27.9 kN/m2；P=312 kN/m3=0.32 MPa

取上述計(jì)算的最大值，支架支護(hù)強(qiáng)度不應(yīng)小于0.32 MPa。

（3）支架工作阻力計(jì)算

液壓支架工作阻力下限應(yīng)為：

F=PSCBC/K

式中：F為支架工作阻力，kN/架；P為額定支護(hù)強(qiáng)度，取440 kN/m2；SC為支架中心距，1.5 m；BC為支架最大控頂距，6.7 m；K為支撐效率，0.75。

代入數(shù)據(jù)F=4180 kN。則支架工作阻力應(yīng)不小于4180 kN。選取支架工作阻力為5300 kN。

（4）底板比壓計(jì)算

P=R0/S

式中：p為對(duì)底板的壓強(qiáng)，MPa；R0為液壓支架在額定壓力時(shí)，對(duì)底板的壓強(qiáng)，5300 kN；S為液壓支架底座面積，3.9 m2。

代入數(shù)據(jù)P=1.36 MPa。由于該工作面底板為泥巖，普氏系數(shù)為1.66 MPa，即底板所能承受的壓強(qiáng)為P2=1.66 MPa，因P2＞P,故工作面支架不會(huì)出現(xiàn)鉆底現(xiàn)象。

2.2 端頭支護(hù)

（1）端頭支護(hù)：工作面端頭采用ZFG6000/17/32H支撐掩護(hù)式放頂煤端頭支架支護(hù)，共6架，輔助半圓木、單體進(jìn)行支護(hù)。

（2）機(jī)頭、機(jī)尾切頂支護(hù)：正常支護(hù)時(shí)，機(jī)頭、機(jī)尾沿切頂線支設(shè)兩排密集支柱配合半圓木作為端頭的切頂支護(hù)。切頂線位置為：機(jī)頭與轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)尾齊，機(jī)尾與運(yùn)輸機(jī)機(jī)尾齊；半圓木規(guī)格：長(zhǎng)度3.2 m，直徑180 mm。隅角側(cè)切頂支護(hù)第一排單體柱距400 mm，往外按排距800 mm打設(shè)第二排單體，柱距800 mm。采煤機(jī)在機(jī)尾機(jī)頭返刀拉兩端頭支架前，沿推進(jìn)方向前800 mm處，以800 mm的柱距打一排單體，拉出支架、移出后溜子后，及時(shí)回撤落山側(cè)第一排密集支柱，將原第二排柱距800 mm的切頂支柱按柱距400 mm支護(hù)成密集支護(hù)，隨工作面的推進(jìn)進(jìn)行循環(huán)支護(hù)。

2.3 特殊條件下頂板支護(hù)管理

（1）當(dāng)工作面頂板破碎嚴(yán)重時(shí)，及時(shí)超前帶壓拉架，正確使用伸縮梁；若移架前頂板已冒落，應(yīng)立即停止生產(chǎn)，用圓木、板梁將頂部勾嚴(yán)勾實(shí)，配合帶壓拉架。

（2）工作面來(lái)壓時(shí)確保液壓支架初撐力合格，防止工作面老頂周期來(lái)壓和沖擊性壓力損壞支架部件。

（3）工作面停采前兩巷進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，確定停采前一般30 m范圍不放頂煤，保證停采線內(nèi)部15 m范圍內(nèi)兩巷及工作面頂板完整。

3 礦壓觀測(cè)

回采過(guò)程中，工作面每隔10道液壓支架下安設(shè)一組BZY-60型雙針壓力表，對(duì)工作面支架的來(lái)壓阻力、煤壁片幫情況進(jìn)行觀測(cè)，由綜采隊(duì)技術(shù)員每天填寫(xiě)監(jiān)測(cè)參數(shù)，并進(jìn)行分析處理。

圖1 工作面液壓支架工作阻力

通過(guò)處理數(shù)據(jù)，選取具有代表性的工作面第50、100號(hào)液壓支架在工作面推進(jìn)0～200 m的范圍內(nèi)受力情況進(jìn)行繪圖。根據(jù)礦壓觀測(cè)資料及液壓支架工作阻力分析，回采時(shí)直接頂初次垮落步距為10～15 m，老頂初次來(lái)壓步距為10 m，周期來(lái)壓步距為8 m，在工作面回采過(guò)程中頂板能夠自行垮落。

在工作面來(lái)壓期間，第50、100號(hào)液壓支架最大工作阻力分別達(dá)到4736 kN、4802 kN，分別占額定工作阻力的89.4%、90.6%，可以得到液壓支架的設(shè)計(jì)支護(hù)能力完全可以滿足29103工作面的安全生產(chǎn)需求，且支架支撐能力得到了較大程度的發(fā)揮。

但在工作面推進(jìn)過(guò)程中遇到斷層及頂煤破碎區(qū)，由于頂板軟弱，支架穩(wěn)定性較差。因此在頂煤破碎地段，需要加強(qiáng)支架位態(tài)控制，防止支架過(guò)大的低頭與抬頭造成端面冒頂，以保證工作面的正常推進(jìn)。

4 結(jié)語(yǔ)

1）針對(duì)亞辰煤業(yè)29103放頂煤工作面具體地質(zhì)條件，選用了ZF5300/17/32支撐掩護(hù)式液壓支架支護(hù)，共106架，并針對(duì)支架支護(hù)強(qiáng)度及支架工作阻力進(jìn)行了驗(yàn)算，均滿足工作面要求。

2）工作面端頭采用ZFG6000/17/32H支撐掩護(hù)式放頂煤端頭支架支護(hù)，共6架，輔助半圓木、單體進(jìn)行支護(hù)，并制定了機(jī)頭機(jī)尾切頂支護(hù)的詳細(xì)工藝。

3）分析了工作面來(lái)壓、停采、通過(guò)破碎區(qū)時(shí)的頂板控制技術(shù)措施。最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)50、100號(hào)支架監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到直接頂初次垮落步距為10～15 m，老頂初次來(lái)壓步距為10 m，周期來(lái)壓步距為8 m，回采期間液壓支架工作阻力未超過(guò)額定阻力，可以保證工作面的安全回采。