急傾斜薄煤層前探梁支護(hù)設(shè)計(jì)及效果驗(yàn)證

劉 杰

（西山煤電集團(tuán)公司西銘礦，山西 太原 030052）

引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，我國急傾斜薄煤層的儲量相對豐富，主要分布于西南和東北等地區(qū)。鑒于急傾斜薄煤層工作面的特點(diǎn)，該煤層的開采以爆破開采方式為主或者放棄開采，從而極大地造成了煤炭資源的浪費(fèi)，而且在開采中也極易發(fā)生安全事故。針對急傾斜薄煤層的難開采、安全性低以及勞動(dòng)強(qiáng)大等問題，對其開采中前探梁的支護(hù)設(shè)計(jì)，并對工作面設(shè)備的穩(wěn)定性進(jìn)行評估，對保證生產(chǎn)效率和提高安全性具有重要意義[1]。本文重點(diǎn)針對急傾斜薄煤層綜采工作面完成前探梁的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，并對回采工藝和設(shè)備穩(wěn)定性進(jìn)行評估。具體闡述如下：

1 S16 綜采工作面概況

某礦S16 工作面所屬煤礦的生產(chǎn)能力為500 萬t/年，該礦井采用立井開拓方式進(jìn)行開采。經(jīng)探測可知，S16 工作面的煤層傾角較大，屬于急傾斜工作面；工作面煤層的厚度范圍為1.9～3.1 m，煤層的平均厚度為2.2 m，屬于薄煤層。S16 綜采工作面頂?shù)装宓刭|(zhì)條件，如表1 所示。

表1 S16 綜采工作面頂?shù)装宓刭|(zhì)條件

此外，S16 工作面的最大涌水量能夠達(dá)到50 m3/h。

2 前探梁支護(hù)設(shè)計(jì)

S16 工作面巷道的斷面形狀為梯形，鑒于該工作面煤層傾角較大且煤層較爆，在掘進(jìn)過程中采用炮掘進(jìn)工藝。工作面斷面上部寬度為2.5 m，下部寬度為3.2 m，整體高度為2.1 m。為保證掘進(jìn)過程中安全性，采用前探梁對巷道進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)的同時(shí)，為其布置11 號工字鋼的金屬棚支架對其進(jìn)行永久支護(hù)。其中，金屬棚支架指尖的距離為0.6 m；同時(shí)，在金屬棚頂板采用雙層笆片對其進(jìn)行保護(hù)，在金屬棚左右兩側(cè)采用單層笆片進(jìn)行保護(hù)[2]。本文重點(diǎn)對臨時(shí)支護(hù)的前探梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

一般的前探梁結(jié)構(gòu)包括有探梁、固定桿和固定套。具體應(yīng)用方案為：采用兩個(gè)移動(dòng)套環(huán)將前探梁穿過，對固定桿上的螺帽進(jìn)行控制，保證前探梁前端與頭部和幫部的金屬網(wǎng)貼緊。前探梁作為臨時(shí)支護(hù)設(shè)備其主要功能是避免片幫事故的發(fā)生。

2.1 探梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)S16 工作面巷道的施工條件，確定適用于該工作面探梁的長度為4 m。一般情況下，探梁采用方鋼進(jìn)行加工，對應(yīng)的尺寸為上部寬度為50 mm、下部寬度為70 mm。為方便加工，在探梁分別焊接一條長度為6 mm 的防墜鏈，防墜鏈采用鋼筋進(jìn)行加工。探梁結(jié)構(gòu)的主視圖和側(cè)視圖如圖1 所示。

圖1 探梁結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

2.2 前探梁固定環(huán)套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

固定環(huán)套的主要功能是對已經(jīng)固定的前探梁的前后位置進(jìn)行調(diào)整。固定環(huán)套的基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 固定環(huán)套結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

如圖2 所示，固定環(huán)套的形狀為正方形，具體采用厚度為8 mm 的鋼板制造而成，固定套的寬度為80 mm。為保證固定環(huán)套能夠穩(wěn)定固定，在固定環(huán)套距離下部邊緣10 mm 的位置設(shè)計(jì)直徑為24 mm 的螺紋孔。

2.3 前探梁固定桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

固定桿的主要功能為對探梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定，在實(shí)際支護(hù)過程中可以根據(jù)工作面頂板和兩幫的具體情況合理確定固定桿的長度[3]。一般選用固定桿的長度包括有300 mm、400 mm 和500 mm 三種規(guī)格。根據(jù)對S16 工作面頂板和兩幫情況的勘測，最終確定采用長度為400 m、直徑為20 mm 的全螺紋錨桿通過焊接工藝完成對固定桿的加工。為避免固定桿的前后移動(dòng)，在固定桿一側(cè)焊接一個(gè)螺帽，為保證焊接強(qiáng)度，要求焊縫高度不小于10 mm。固定桿的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 前探梁固定桿結(jié)構(gòu)示意圖

3 前探梁支護(hù)安裝工藝及應(yīng)用效果

3.1 前探梁支護(hù)安裝工藝

在掘進(jìn)巷道錨網(wǎng)支護(hù)工藝實(shí)施之前，在工作面兩幫懸掛菱形網(wǎng)，而后將前探梁根據(jù)施工工藝安裝，在安裝完成后根據(jù)工作面的實(shí)際情況通過對環(huán)套進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得前探梁的前端與菱形網(wǎng)接觸達(dá)到支撐緊的目的，最終達(dá)到對防止工作面片幫的目的。前探梁安裝后的效果如圖4 所示，具體支護(hù)施工工藝如下：

圖4 前探梁在掘進(jìn)巷道的安裝效果

1）在掘進(jìn)巷道頂板完成臨時(shí)支護(hù)后，在兩幫懸掛金屬菱形網(wǎng)，并通過鐵絲將兩幫和頂板的金屬菱形網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)接；

2）在掘進(jìn)巷道工作面的迎頭后方安裝固定桿；

3）將固定環(huán)套分別套到固定桿的上方；

4）將前探梁通過固定環(huán)套與固定桿實(shí)現(xiàn)聯(lián)接，對通過對固定桿上螺帽進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證前探梁與煤壁緊靠；將前探梁前端與菱形網(wǎng)進(jìn)行固定聯(lián)接，從而達(dá)到防止工作面片幫的目的。為保證最終的防片幫效果，要求頂板和兩幫菱形網(wǎng)的聯(lián)接鐵絲的間距不小于200 mm。

3.2 前探梁支護(hù)效果驗(yàn)證

根據(jù)“3.1”中的施工工序?qū)⑶疤搅号R時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于掘進(jìn)巷道。實(shí)踐表明，工作面采用前探梁的臨時(shí)支護(hù)后從根本上解決了工作面兩幫片幫事故的問題；尤其對在工作面某些區(qū)域幫部能量異常的情況，極大的提升了現(xiàn)場工作人員的安全性。而且，在實(shí)際施工過程中發(fā)現(xiàn)，前探梁臨時(shí)支護(hù)工藝具有操作簡單、施工效率高的優(yōu)勢。

4 結(jié)語

綜掘工作面生產(chǎn)的安全性在很大程度上受制于工作面的支護(hù)效果。在實(shí)際生產(chǎn)中，除了采用常規(guī)的錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)的永久支護(hù)方式外，針對工作面兩幫片幫情況嚴(yán)重的問題還需采用類似前探梁的臨時(shí)支護(hù)方式。實(shí)踐表明，根據(jù)工作面的實(shí)際情況完成前探梁結(jié)構(gòu)尺寸及參數(shù)的設(shè)計(jì)，并結(jié)合規(guī)范的施工工藝完成前探梁的安裝，可從根本上解決工作面兩幫片幫情況，為保證生產(chǎn)率和人員的安全性具有重要意義。同時(shí)，前探梁具有施工效率高的特點(diǎn)，可在實(shí)際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。