基于綜采工作面支護優(yōu)化設(shè)計的研究

＊馮云貴

（汾西礦業(yè)集團水峪煤業(yè) 山西 032300）

1.支護設(shè)計的研究現(xiàn)狀

在長壁開采礦井作業(yè)的實施階段，為綜采工作面施工作業(yè)提供了基本支持，應(yīng)將高產(chǎn)、高效作為主要目標，為集約化生產(chǎn)標準的實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。從國內(nèi)外的實踐和研究角度出發(fā)，可以看出在綜采工作面單產(chǎn)作業(yè)實施過程中，應(yīng)憑借加大工作面配套設(shè)備運行能力的方法，保障設(shè)備運行的可靠性。自20世紀80年代以來，世界各地在產(chǎn)煤作業(yè)的實施過程中，通常是以調(diào)高產(chǎn)煤效率為主要目的，基于安全性的施工原則，對技術(shù)基礎(chǔ)予以改善，基于技術(shù)的進步與發(fā)展，提高綜采工作面整體支護水平。對于綜采單產(chǎn)效率的提高模式來說，其主要通過對工作面尺寸予以增大，在快速推進截深的基礎(chǔ)上，對綜采工作面的適用范圍予以拓展，為機電一體化重型設(shè)備的使用提供了廣泛的空間支持，優(yōu)化了設(shè)備的更新和使用成效。

2.基于綜采工作面支護的優(yōu)化設(shè)計

（1）優(yōu)化綜采工作面端頭支護設(shè)計。在煤礦行業(yè)長久化的發(fā)展過程中，積極引進了新技術(shù)和新設(shè)備，促進采煤技術(shù)應(yīng)用水平的提升，通過及時改善綜采工作的環(huán)境條件，有效降低了施工人員的作業(yè)強度。在開采深度不斷增加的過程中，隨著對現(xiàn)代化機械裝備的引進和使用，設(shè)備運行水平仍然處于低級狀態(tài)，無法保障綜采作業(yè)發(fā)展的科學(xué)性和平衡性。為了能夠充分的解決新型問題，應(yīng)結(jié)合綜采工作面的實際情況加以分析，提出有針對性的整改辦法。對于綜采工作面來說，其中所布置的設(shè)備具有多樣性，且供電運輸系統(tǒng)相對較長，容易出現(xiàn)復(fù)雜化問題，切眼與上下巷在實際的連接過程中，在連接區(qū)域形成了端頭，為人員的行走和煤礦運輸作業(yè)的開展提供了助力支持。由于端頭的懸頂面積相對較大，需要承受來自采空區(qū)和周圍環(huán)境所帶來的壓力，在綜合壓力考驗的影響下，為了避免直接影響綜采工作面的運輸系統(tǒng)，需要從端頭入手，對支護體系予以加固處理。

（2）被動支護方式。以架棚支護為例，在巷道掘進作業(yè)的過程中，需要用到工字鋼梁這一基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)將工字鋼梁的長度控制在4.2m左右，以雙層的架設(shè)方法，增加背頂?shù)膶嶋H面積，并且能夠在壓力增強時，強化頂幫部的抗壓強度。另外，在架棚施工作業(yè)完成之后，還需要從工字鋼棚梁頂部位置入手，從垂直方向出發(fā)，對背板或者小圓木的間距設(shè)置予以嚴格管控，確保間距能夠處于0.3m左右。不僅如此，需要從背板的上方區(qū)域入手，及時的鋪設(shè)塑料網(wǎng)，且塑料網(wǎng)的層數(shù)為一層即可，避免在端頭位置的局部區(qū)域，出現(xiàn)托煤等問題。在加壓的過程中增加安全系數(shù)，創(chuàng)設(shè)穩(wěn)定、安全的運行環(huán)境，避免對人員生命安全造成不良影響。

（3）主動支護方式。一方面，在使用錨桿支護方法時，需要在完成錨索支護作業(yè)之后，采用短孔的加固形式，對錨桿進行支護，以此來發(fā)揮出錨桿支護方法的補充效用。對不同層位的深孔和淺孔予以分析，在深淺孔相互結(jié)合的基礎(chǔ)上，能夠?qū)敯宀煌瑖鷰r類型進行加固，保障加固操作的合理性和有效性。其中，錨桿的型號應(yīng)保持在20mm×2.2m，以玻璃鋼錨桿為主，架棚方向需要與巷道方向保持一致，將巷道架棚的間距設(shè)置為0.8m×0.6m，使每1排都能夠布設(shè)6根左右的錨桿。

另一方面，可以使用錨索支護的形式。在使用錨索支護方法時，需要對錨索的規(guī)格予以嚴格管控，確保所選用的規(guī)格能夠被控制在17.8mm×7m的左右。為了在錨索支護的過程中，加強對頂板支護強度，需要在錨索之間形成連鎖的形式，在每2根錨索的中間區(qū)域，設(shè)置固定的1根錨索梁，且錨索梁的方向需要與巷道的帳篷方向保持一致，以此來強化懸頂?shù)墓δ芎妥饔?。在一般情況下，錨索梁的選型通常保持在1.8m左右，而錨索之間的間距則需要控制在1.2m左右。梁頭雖然能夠接觸，但仍然需要采取緊密接觸排列的形式對其予以處理。為了能夠加強對頂板的主動支護效果，還需要在工字鋼棚的兩側(cè)區(qū)域位置，距離兩端的0.4m的部位，對一組錨索梁進行打設(shè)，進一步強化工字鋼梁棚的提拉和加固作用。

（4）綜采工作面停采頂板支護設(shè)計。①確定停采位置。首先，在精細化的分析過程中，需要根據(jù)礦壓所產(chǎn)生的規(guī)律，切實的掌握總體的來壓布局。對于礦壓儀表的實際測量區(qū)域來說，需要在一定程度上予以適當?shù)脑黾?，確保最終的測量數(shù)據(jù)取值能夠擴大相應(yīng)的數(shù)值范圍，最終能夠為礦壓規(guī)律分析工作的開展提供助力支持，保障最終分析數(shù)據(jù)的準確性。與此同時，還需要加大對礦壓觀測人員的管理力度，不僅需要以專人專項的形式，安排專業(yè)專職的工作人員，從井上的工作面入手，對礦壓情況予以實時化的監(jiān)控，還需要加強實際的跟班力度，進一步對支架工作阻力的總體變化情況予以分析。通過對工作面來壓階段所產(chǎn)生的征兆進行綜合考慮，確保工作人員操作方法的規(guī)范性，為觀測作業(yè)的開展提供助力支持，并結(jié)合關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息加以記錄，保障記錄內(nèi)容的真實性與可靠性。

其次，在綜合考慮壓力問題的情況下，還應(yīng)保障停采位置確定的準確性，結(jié)合當?shù)貐^(qū)域的水文、地質(zhì)等構(gòu)造條件予以綜合考慮，在提出規(guī)范化要求的情況下，借助優(yōu)良的地段條件，為綜采工作面各項作業(yè)的開展奠定良好的基礎(chǔ)，發(fā)揮出頂板支護技術(shù)的實際效用。

最后，還需要對相關(guān)工作予以合理組織，確保所選出的停采位置具備適宜性，根據(jù)前期階段所測量到的數(shù)據(jù)信息，通過對周期來壓布局的統(tǒng)計，及時確定最終的停采位置，再根據(jù)對規(guī)律的掌握情況，對頂板區(qū)域進行來壓，待頂板的壓力完全釋放之后，再向前推進一段距離，及時開展停采作業(yè)。在一般情況下，向前推進的距離應(yīng)保持在2m～4m的區(qū)間范圍內(nèi)，使支架能夠處于穩(wěn)定的運行狀態(tài)，并且可以確保機道頂板處于穩(wěn)壓的區(qū)間范圍內(nèi)。

②頂板支護操作的優(yōu)化條件。首先，需要結(jié)合綜采工作面的實際情況予以分析，結(jié)合頂板的位置設(shè)置，從擴幫、抹角以及開設(shè)車窩等環(huán)節(jié)出發(fā)，及時開展頂板支護作業(yè)。所選用的錨桿、錨索掛網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)具備先進性的特點，保障支護方式的聯(lián)合性，在必要的情況下還應(yīng)對錨索鋼梁予以補打。另外，當綜采工作面的兩個巷道之間，出現(xiàn)的超前范圍為10m時，那么需要對補打錨索鋼梁進行鎖口處理，以此來保障撤退作業(yè)的安全性。

其次，在開展停采作業(yè)的過程中，還應(yīng)加大對綜采工作面采高位置的控制力度，保障機道寬度設(shè)置的合理性，通過提高鏈網(wǎng)的總體質(zhì)量，保障綜采工作面能夠達到“三直兩平”的設(shè)置要求，使兩側(cè)的通道能夠保持暢通性。在一般情況下，對于“三直兩平”的設(shè)置要求來說，需要確保工作面的煤壁、刮板輸送機和支架能夠持續(xù)處于同一條直線，而頂板和底板的位置都應(yīng)遵循平等性的要求，且頭巷和尾巷能夠具備暢通性的特點。在撤退作業(yè)的前期階段，還需要結(jié)合綜采工作面的實際情況，對浮煤等物質(zhì)予以全部清理，從而形成干凈、整潔的工作面條件，為后續(xù)撤退工作的開展提供支持。

最后，應(yīng)加強對支架等技術(shù)設(shè)施的綜合管理，在對綜采工作面進行回采時，需要定期組織支架檢修作業(yè)的開展，通過加大對支架設(shè)施的檢修力度，避免支架設(shè)施出現(xiàn)跑、冒、滴、漏等現(xiàn)象。待綜采工作面停采作業(yè)順利落實后，應(yīng)確保支架的完好率能夠達到100%的要求。

（5）綜采工作面沿空回采巷道支護優(yōu)化。①錨梁網(wǎng)支護。一方面，通過對巷道頂?shù)装宓南鄬σ平亢鸵平俣扔枰苑治?，并將其與兩幫移近量和移近速度進行對比，可以看出前者的總量和速度大于后者。在一般情況下，對頂?shù)装逅塾嫷淖畲笠平窟M行計算，可以看出通常為1756mm，而頂?shù)装宓淖畲笠平俣?，則能夠保持在445mm/d左右。另一方面，在開展綜采作業(yè)的過程中，若綜采工作面的前方區(qū)域，能夠?qū)ο锏涝O(shè)置帶來直接影響，且影響范圍能夠處于80m內(nèi)，可以看出：雖然采動作業(yè)具有直接影響，但卻能夠得到合理控制，并且能夠在綜采工作面前方區(qū)域，被控制于28m以內(nèi)。此時，在綜合工作面的前方區(qū)域出現(xiàn)了壓力峰值，實際的峰值距離為18m，此時巷道出現(xiàn)了明顯的變形情況，實際的變形量為最大范圍，基于合理的控制措施，使其能夠保持在綜采工作面前方區(qū)域的10m范圍以內(nèi)。

產(chǎn)生此類現(xiàn)象的原因，主要是由于巷道底部的鼓量相對較大，而頂板下沉量普遍較小所導(dǎo)致。通過對兩方區(qū)域所累計的最大移近量加以分析，最終的計算結(jié)果為1024mm，而最大移近速度則被控制在253mm/天。對于兩幫的移近量來說，其中主要是煤柱側(cè)的煤體，朝著巷內(nèi)進行移動的距離，在距離綜采工作面10m以內(nèi)的區(qū)間范圍內(nèi)，巷道底鼓變形和兩幫的移近速度呈現(xiàn)出了增大的態(tài)勢，而圍巖的變形速度在煤柱的一側(cè)相對較大，甚至大于煤體的一側(cè)。巷道內(nèi)部所增打的點柱，全部出現(xiàn)了折斷的情況，使巷道斷面有所減小。原始斷面面積為13.5m2，在縮小之后變?yōu)?.3m2，實際的收縮率相對較高，在一般情況下處于75.6%左右。

②錨梁網(wǎng)支護、底板錨桿和煤柱加固段結(jié)合支護措施。沿空巷道等位置，對頂板錨索和底腳錨桿進行加打，仍然無法順利的解決巷道變形等問題，所以難以對巷道底鼓情況予以有效管控。對于此類問題來說，需要在部分綜采工作面的回采作業(yè)當中，沿著空段之前的位置，對沿空巷道的超前進行臥底處理，之后再在巷道的底板位置使用W型鋼帶和左旋螺紋鋼錨桿，將其融合之后加打成為4排錨桿。在一般情況下，左旋螺紋剛錨桿的規(guī)格應(yīng)保持在20mm×2500mm左右，而錨桿之間的排距則應(yīng)設(shè)置為700mm×800mm或者2200mm×1600mm。通過對錨桿與底板之間的夾角予以管控，使夾角能夠保持在45°或者60°左右。

在設(shè)置煤柱的過程中，需要采用高水速的凝材料，對煤柱予以加固處理，保障煤柱的穩(wěn)固性。在觀測頂?shù)装宓倪^程中，還應(yīng)從兩幫區(qū)域出發(fā)，對相對移近量予以綜合考慮?？梢钥闯觯诰C采工作面沿空巷道開采回采作業(yè)中，基于前期的準備階段，采取有效措施對巷道頂面煤柱錨柱予以加固，通過加大巷道底鼓的控制力度，并確保兩幫移近量控制的合理性，發(fā)揮出控制操作的實際效用。實際的采動情況對工作面前方所產(chǎn)生的影響范圍能夠被控制在10m以內(nèi)，而巷道頂?shù)装宓囊平縿t能夠被控制在800mm以內(nèi)，此時兩幫的移近量并未超過600mm，且巷道的高度能夠持續(xù)保持在2400mm以上，寬度則超過了3600mm。此時，可以看出斷面能夠保持在8.6m2以上，而斷面的收縮率則小于36%，不僅能夠保障巷道通風(fēng)斷面的總體質(zhì)量，還可以滿足綜采工作面的安全生產(chǎn)需求。

（6）綜采工作面超前應(yīng)力集中區(qū)的支護優(yōu)化設(shè)計。①雙梁鋼棚支護施工。首先，在利用雙梁鋼棚支護方法的過程中，需要對綜采工作面的施工區(qū)域加以處理，針對與其相對應(yīng)的超前工作面，需要及時開展支護處理操作，確保處理距離能夠保持在5m左右。對于同一個架棚腿來說，需要涉及到3個底座，所以需要在整體性的安裝過程中，保障底座的水平中心線設(shè)置準確，并與巷道之間能夠呈現(xiàn)出垂直的狀態(tài)，在整個安裝階段應(yīng)將偏角偏差范圍控制在3°以下。在回風(fēng)順槽的兩幫底板位置區(qū)域，需要對棚腿的底座加以調(diào)整，并結(jié)合巷道中部位置的底板區(qū)域，保障安裝底座方法的合理性，并實現(xiàn)對棚腿底座的充分利用，基于整體性的底座安裝作業(yè)，需要持續(xù)堅持平整性的施工原則，保證底板和底座之間能夠相互接觸，使實際的接觸面積能夠超過80%。

其次，在底座安裝作業(yè)順利完成之后，還需要涉及到3根棚腿基礎(chǔ)作用，保障棚腿安裝作業(yè)的科學(xué)性與合理性。在實際的安裝過程中，需要確保棚腿的牢固性與穩(wěn)定性，在兩幫位置的棚腿安裝作業(yè)完成后，需要及時進入到兩幫施工作業(yè)中，利用兩個錨桿基礎(chǔ)設(shè)施，對巷幫予以固定處理，促進后續(xù)施工作業(yè)的順利實施。

最后，對于棚腿安裝作業(yè)的后期階段來說，可以利用橫梁連接板等基礎(chǔ)設(shè)施，使其能夠與棚腿自身的頂端位置予以連接，保障連接操作的效性，將4根相同規(guī)格的螺栓進行固定，并保證固定處理操作的實效性。

②優(yōu)化綜采工作面超前應(yīng)力集中區(qū)支護的基本要求。首先，需要有意識、有目的的降低支付成本費用，結(jié)合雙梁鋼棚支護方法的實際情況，在綜采工作面中保障上述支付方法利用的科學(xué)性與合理性，根據(jù)雙梁鋼棚支護方法的總體應(yīng)用情況，在深入觀察和全面分析的過程中，基于整體性的形式，優(yōu)化該類支護方法的使用效果。在雙梁鋼棚支護方法的應(yīng)用階段，若綜采工作面的回采距離為520m，且回風(fēng)順槽當中的雙梁鋼架數(shù)量為340架左右時，能夠確保雙梁鋼棚被順利架設(shè)和充分利用，且實際的回收總量相對較多。將雙梁鋼棚支護方法與傳統(tǒng)形式的單體液壓支護形式進行對比，在深入分析的過程中，可以看出使用雙梁鋼棚支護方法時，能夠有效降低設(shè)備的損壞率，并且可以減少在支護優(yōu)化階段所需用的成本投入。

其次，還應(yīng)提高頂板的穩(wěn)定性。在使用單體液壓支護方法時，由于所使用的線性支付方式缺乏連續(xù)性，當實際的支護周期相對較長，那么超前應(yīng)力集中區(qū)所出現(xiàn)的壓力則會過于明顯，并且使負荷量隨之增大，使支柱失去了原有的效用。在使用雙梁鋼棚頂梁支護方法時，盡管處于受壓的狀態(tài)，但仍然能夠與頂板之間的變形情況保持一致，避免對最終的支護效果造成不良影響。

最后，幫助施工人員降低勞動強度。在使用單體液壓支護方法時，需要在頂板位置開展支護施工作業(yè)，可以看出對于每一班支護操作來說，都需要安排5人左右，才能夠促進支護設(shè)置作業(yè)的順利實施。若針對每一班的回采進度進行計算和分析，將進度標準設(shè)置為4m，那么此時每一班所需要設(shè)置的支護數(shù)量為4排，并且是以單體液壓支柱為主，總體的支柱數(shù)量為12根，在后續(xù)的回收過程中也必須回收12根單體液壓支柱，所以會提高整體的勞動力和勞動強度，為之后優(yōu)化作業(yè)的開展帶來了較大的難度。在使用雙梁鋼棚支護方式的過程中，可以確保每一班的支護支架為2架即可，并且可以減少實際的勞動力安排，且一般為3人即可，能夠滿足整體性的施工要求，不僅可以逐步減少總體的勞動強度，還可以達到節(jié)省成本費用的效果，進一步縮減了支護操作的時間，保障綜采作業(yè)面超前應(yīng)力集中區(qū)支護控制作業(yè)的有效性。

3.結(jié)論

對于部分綜采工作面施工項目來說，所設(shè)置的煤層結(jié)構(gòu)具有簡易性的特點，需要在煤層開采作業(yè)當中，針對當?shù)貐^(qū)域的地質(zhì)條件和煤層頂?shù)装迩闆r予以全方位的分析，從而才能夠篩選出更加合適的支護設(shè)計方法，促進綜采作業(yè)的順利進行。通過對綜采工作面的實際情況予以全面分析，保障支護設(shè)計方案的合理性與科學(xué)性，結(jié)合回采階段所出現(xiàn)的頂板控制、巷道支護以及超前支護等情況，通過優(yōu)化支護設(shè)計方案，促進綜采工作面生產(chǎn)作業(yè)的安全進行，為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益。