煤礦綜采工作面頂板支護(hù)管理分析

王強(qiáng)

（大同煤礦集團(tuán)同生精通興旺煤業(yè)有限公司，山西大同037003）

在煤礦生產(chǎn)的過程中，頂板事故屬于非常嚴(yán)重的事故。當(dāng)前通常選用工作面機(jī)械化綜采技術(shù)，當(dāng)在掘進(jìn)的過程中，工作面頂板往往會出現(xiàn)如下現(xiàn)象：第一，懸伸；第二，下沉；第三，斷裂；第四，塌落等。由于掘進(jìn)工作的進(jìn)行，導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)、應(yīng)力以及相應(yīng)的平衡力也發(fā)生了變化。假如不能對頂板進(jìn)行有效地支護(hù)，那么將可能導(dǎo)致巖層出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，從而給井下掘進(jìn)工作者帶來危險(xiǎn)。此外，為了能夠極大地提高采礦的效率，必須對頂板支護(hù)進(jìn)行嚴(yán)格的管理，從而才可以有效地保護(hù)回采巷道的安全性。筆者以某礦8105工作面為例子，對頂板支護(hù)管理情況進(jìn)行研究，為頂板支護(hù)提供科學(xué)的管理經(jīng)驗(yàn)。

1 工作面及頂板概況

該工作面選用U型布置，其運(yùn)輸槽長度、回風(fēng)順槽長度都設(shè)定為1137m，相應(yīng)的工作面切眼長度設(shè)定為135m，煤層厚度可以達(dá)到4.8m，容重能夠達(dá)到1.54t/m3，回收率為90%。通過分析表1可以發(fā)現(xiàn)，工作面直接頂組成成分主要是砂巖，其厚度可以達(dá)到6.09m，薄層狀，頁理發(fā)育。按照頂板堅(jiān)硬程度、工作面礦壓的影響程度可以將該頂板劃歸為Ⅱ類中等穩(wěn)定頂板。由于基本頂是砂質(zhì)泥巖與細(xì)砂巖，其厚度可以達(dá)到6.03m，中厚層狀，均勻?qū)永?，將其劃歸為屬Ⅱ級頂板。

表1 工作面圍巖巖性分析

2 工作面支護(hù)相關(guān)計(jì)算

經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，綜采工作面頂板支護(hù)大都采用液壓支架實(shí)施臨時(shí)支護(hù)。為了能夠有效地保證煤層不發(fā)生頂板下陷，必須對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)。

2.1 礦壓參數(shù)計(jì)算

（1）當(dāng)將煤采出之后，煤層頂端將出現(xiàn)懸臂的窗臺，當(dāng)煤頂懸露過長，將可能出現(xiàn)垮落的現(xiàn)象。通過分析已經(jīng)開采工作面的情況來看，直接頂首次出現(xiàn)垮落的步距可以達(dá)到30~40m之間，而垮落巖石填充采空巖區(qū)高度通常低于煤層采高。假如直接頂垮落之后，當(dāng)頂懸露一定的時(shí)間之后，將會出現(xiàn)周期性斷裂的現(xiàn)象，所產(chǎn)生的作用力將會作用在煤壁以及采空區(qū)域巖石上。相應(yīng)的基本頂初次垮落步距在60~80m之間，相應(yīng)的周期來壓步距通常在20~30m范圍內(nèi)，周邊工作回采過程中，采場所承受的最大壓強(qiáng)達(dá)到547kN/m2。

（2）液壓支架能夠有效地支撐直接頂，當(dāng)處于周期性來壓過程時(shí)，基本頂作用力能夠直接作用在支架上，通常合力是采高頂板巖石重量的6~8倍，如下公式可以計(jì)算采場支架的最大壓強(qiáng)：

式中:n——相應(yīng)的頂板重量系數(shù)，取值為8；

r——相應(yīng)的頂板巖石容重，取r=2500kg/m3；

g——相應(yīng)的重力加速度，取值為9.8N/kg；

H——相應(yīng)的工作面采高，取值為3.2m。

采場對支架最大壓強(qiáng):

2.2 液壓支架支撐強(qiáng)度校驗(yàn)

通過分析工作面頂板板巖、采高等條件，在工作面設(shè)置ZZ12000/23/35型端頭支架1架，ZF7600/22/35型中間架86架，ZFG7500/20/35型過渡支架6架，數(shù)量共計(jì)93架。ZF7600/22/35型液壓支架參數(shù)介紹如下：選用林州重機(jī)集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的液壓支架。架型選用四柱放頂煤支架，型號選用ZF7600/22/35；支架長度：2200~3500mm；支架寬度：1430~1600mm；支架中心距：1500mm；初撐力：6185kN；支架工作阻力：7600kN；支 架 強(qiáng) 度：1.07~1.14MPa；移 架 步 距：630mm；操縱方式：手動本架控制；立柱：型式、缸徑、桿徑、行程參數(shù)分別為：雙伸縮，4根、?250/180mm、?235/160mm、160mm；推移千斤頂：型式、缸徑、桿徑、行程參數(shù)分別為：倒裝，一根、?180mm、?120mm、700mm；伸縮梁千斤頂：型式、缸徑、桿徑、行程參數(shù)分別為：普通雙作用，2根、?80mm、?60mm、700mm；護(hù)幫千斤頂：型式、缸徑、桿徑、行程參數(shù)分別為：普通雙作用，1根、?80mm、?70mm、470mm、247kN；插板千斤頂：型式、缸徑、桿徑、行程參數(shù)分別為：普通雙作用，2根、?80mm、?60mm、600mm、158kN；拉后溜千斤頂：型式、缸徑、桿徑、行程參數(shù)分別為：普通雙作用，1根、?140mm、?85mm、700mm、485kN；頂梁、掩護(hù)梁千斤頂：型式、缸徑、桿徑、行程參數(shù)分別為：內(nèi)進(jìn)液式，3根、?80mm、?60mm、170mm、158kN。

（1）支架工作阻力校驗(yàn)。選用如下公式計(jì)算頂板對單個(gè)支架的最大壓力：

式中:P——相應(yīng)的采場對支架的最大壓強(qiáng)，取值為627.2 kN/m2；

A——相應(yīng)的支架中心距，取值為1.5m；

L1——相應(yīng)的支架頂梁長，取值為2.9m；

L2——相應(yīng)的支架前梁長，取值為1.6m。

通過上述計(jì)算可以達(dá)到，采場頂板作用在單個(gè)支架最大壓力為4233.6kN，由此可以看出小于液壓支架的支護(hù)工作阻力，因此滿足支架工作的需要。

（2）支架初撐力校驗(yàn)。支架初撐力不能低于0.8F=3 386.9kN。通過分析可以看出，支架的支護(hù)初撐力為5236kN，由此該值大于3 386.9kN，因此該支架能夠滿足支撐需要。

（3）支護(hù)強(qiáng)度校驗(yàn)。通過上述計(jì)算可以看出，采場對支架所施加的最大壓強(qiáng)為0.6272MPa，可是通過分析可以看出支架支護(hù)強(qiáng)度為0.74MPa，該數(shù)值大于采場對于支架的最大壓強(qiáng)，其滿足支架支護(hù)的需要。由此可以看出，ZF5600/17/35D型液壓支架可以滿足支護(hù)的需要。

2.3 控頂距計(jì)算

當(dāng)采煤工作面不斷推進(jìn)之后，液壓支架需要不斷前移，懸伸的頂板自行垮落，可以有效地填充采空區(qū)。選用如下公式計(jì)算ZF5600/17/35D型液壓支架的最大以及相應(yīng)的最小控頂距:

最大控頂距Lmax計(jì)算公式:

式中：L3——相應(yīng)的支架端面距，取值為0.26m；

LD——相應(yīng)的采煤機(jī)的截割深度，取值為0.8m。

因此可以得到最大控頂距為5.56m。

相應(yīng)的最小控頂距Lmin:

因此，可以得到最小控頂距為4.76m，圖1為液壓支架空頂距示意圖。

圖1 液壓支架空頂距示意圖（單位：mm）

3 工作面液壓支架支護(hù)質(zhì)量要求

為了在回采時(shí)保證支護(hù)的有效性，液壓支架支護(hù)質(zhì)量要求如下：

（1）在現(xiàn)場對支架初撐力進(jìn)行檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)，支架立柱柱底設(shè)置的機(jī)械壓力表數(shù)值必須大于24MPa，而設(shè)置在支架位置的控制器壓力表不能低于240bar。

（2）將支架頂梁與頂板設(shè)置成為平行，同時(shí)接頂嚴(yán)密，這樣能夠有效地將最大仰角控制在±7°以內(nèi)。

（3）相結(jié)合支架配合較好，間隙控制在200mm以內(nèi)，不能出現(xiàn)較大的差錯(cuò)。

4 工作面頂板管理

當(dāng)位于工作面有效地支護(hù)基礎(chǔ)上，還必須對頂板進(jìn)行有效地管理，從而可以有效地起到優(yōu)化頂板支護(hù)的效果，進(jìn)而降低巷道圍巖的風(fēng)險(xiǎn)，具體措施如下：

（1）加強(qiáng)對施工的監(jiān)管力度，在回采時(shí)，工作人員必須發(fā)揮應(yīng)有的作用，對產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，加強(qiáng)事故多發(fā)點(diǎn)的檢測。對檢測到支護(hù)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而能夠有效地預(yù)測以及預(yù)防安全事故，進(jìn)而達(dá)到科學(xué)作業(yè)的目的。

（2）對設(shè)備以及相應(yīng)的技術(shù)進(jìn)行更新，主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：第一，更新與改進(jìn)老舊的支護(hù)設(shè)備，避免在工作的過程中存在隱患，此外，將新技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械設(shè)備中，從而能夠有效地優(yōu)化工作面支護(hù)質(zhì)量，最大限度地降低風(fēng)險(xiǎn)；第二，不斷進(jìn)行工藝技術(shù)革新，對頂板事故進(jìn)行分析，有針對性的優(yōu)化工藝，逐漸改進(jìn)支護(hù)工藝，從而將支護(hù)效果達(dá)到最佳。

（3）不斷健全管理機(jī)制，增強(qiáng)安全方面的管理。通常情況下可以構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)風(fēng)機(jī)管控機(jī)制，對頂板管理中存在的問題進(jìn)行辨識，同時(shí)能夠定性或者定量地對風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行評估，進(jìn)而確定風(fēng)險(xiǎn)等級。對于不能直接處理的安全隱患，必須委派專人進(jìn)行跟蹤調(diào)查，直至將風(fēng)險(xiǎn)消除為止。

（4）強(qiáng)化教育，注重深入培訓(xùn)，主要從如下兩個(gè)方面入手：第一，定期對井下工作人員進(jìn)行制度培訓(xùn)，尤其對頂板支護(hù)人員進(jìn)行培訓(xùn)，在培訓(xùn)的過程中必須設(shè)置相應(yīng)的考核機(jī)制，只有達(dá)標(biāo)者才可以上崗，反之將繼續(xù)參加培訓(xùn)直至合格為止方可上崗。第二，對于設(shè)置的工作面作業(yè)流程而言，需要在開工之前做好技術(shù)交底工作，從而使得從事工作的人員充分了解各個(gè)環(huán)節(jié)的工作流程以及內(nèi)容，與此同時(shí)需要強(qiáng)化頂板安全管理理念，進(jìn)而可以有效地優(yōu)化工作面頂板管理能力。

5 結(jié)論

筆者以某煤礦8105工作面選用的ZF7600/22/35型液壓支架進(jìn)行分析，對頂板支護(hù)問題以及相應(yīng)的解決辦法進(jìn)行分析，對支護(hù)的各個(gè)支撐力進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，滿足頂板支護(hù)的需要。同時(shí)從管理頂板支護(hù)入手對支護(hù)技術(shù)與設(shè)備進(jìn)行更新以及要求各個(gè)井下支護(hù)工作人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，只有滿足要求者方可上崗，這些都大大加強(qiáng)了支護(hù)的安全性，從而保證井下作業(yè)的安全。