馬脊梁礦8107工作面安全采煤頂板控制技術(shù)研究

李恒旺

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬脊梁礦，山西大同 037000）

1 8107工作面概況

8107 工作面沿煤層底板布置，工作面運(yùn)輸巷道長2519m，回風(fēng)巷道長2603m，開切眼長243m。可采走向2439m，煤層平均厚6.20m，可采儲(chǔ)量518.1×104t。8107工作面地表位于馬脊梁礦與同忻礦礦界萬家咀村以北，窯洞村以西。該工作面地表有2條萬家咀大溝支溝穿過該工作面中部，溝寬50~120m；工作面西部地表道路發(fā)育，無光伏區(qū)。地表高差約113m，上覆7#、11#、14-2#及14-3#層為本礦采空區(qū)。

8107 工作面煤層賦存情況：8107 工作面煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層厚度4.65~8.33m/6.20m，含3~7層炭泥巖，高嶺巖夾矸，每層夾矸厚0.15~0.65m，5107巷局部煌斑巖侵入，預(yù)計(jì)影響較小。煤層屬于近水平煤層傾角大約在1°~2.5°之間。煤種主要為氣煤，靠近切巷和靠近盤區(qū)大巷區(qū)域有長焰煤?？刹尚灾笖?shù)1，變異系數(shù)15.1%。

8107工作面煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

2 巷道布置及采煤方法

2.1 巷道布置

8107 工作面為一進(jìn)一回兩巷布置，兩條巷道相互平行且與三條盤區(qū)大巷呈90°布置，兩巷均沿煤層底板布置。8107 工作面切眼巷位于工作面西南方向，切眼工作面幫距盤區(qū)皮帶巷2519m，切眼長243m。工作面由西南向東北方向推進(jìn)。工作面安裝一套KTC101 型通訊控制一體化系統(tǒng)，每隔15m 安裝一個(gè)分機(jī)。8107工作面切眼與順槽巷道相垂直，切眼掘?qū)?m，掘高3.6m，切眼巷長度243m。錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+鉸接頂梁+兩排單體液壓支柱聯(lián)合支護(hù)，支架鏟運(yùn)車可從單體液壓支柱與工作面中間通過[1]。

2.2 8107工作面采煤方法

工作面初采期間，初采12m 不放煤，初采12m 后，人工操作回收頂煤。采用“一釆一放”的方式循環(huán)作業(yè)，割煤截深為0.8m，放煤步距為0.8m，循環(huán)進(jìn)度為0.8m。停采線前20m 到停采線區(qū)段內(nèi)，只割煤不放煤。采用自然垮落法管理采空區(qū)頂板。

生產(chǎn)工藝：采煤機(jī)頭（尾）端頭斜切進(jìn)刀→割煤→移架→推前刮板輸送機(jī)→放頂煤→拉后刮板輸送機(jī)→采煤機(jī)尾（頭）端頭斜切進(jìn)刀→割煤→移架→推前刮板輸送機(jī)→放頂煤→拉后刮板輸送機(jī)，此為一個(gè)正規(guī)循環(huán)，照此往復(fù)不斷割煤。

3 8107工作面頂板管理方法

3.1 工作面頂板控制

工作面支護(hù)方式。在工作面支護(hù)作業(yè)中，8107 工作面所用的支架為ZF13000/25/38M 型正四連桿支架與ZFG13000/27.5/42HM型過渡支架，這兩種支架分別用了132架和9架，選用了自然垮落法來管理頂板。支架的中心距與端面距分別為1750mm 與340mm，可達(dá)到的最大控頂距與最小控頂距分別為6535mm 與5735mm。工作面支架布置見圖1。

圖1 工作面支架布置剖面圖

3.2 端頭及超前支護(hù)頂板管理

3.2.1 支護(hù)材料的選擇

選用DW45-250/100X 型單體柱與DFB1200 型π型梁相互配合來進(jìn)行工作面的端頭及超前支護(hù)。

單體柱的強(qiáng)度、支護(hù)密度計(jì)算：

（1）合理支護(hù)強(qiáng)度的計(jì)算：

式中：Pt——合理的支護(hù)強(qiáng)度，kN/m2；

h——直接頂及頂煤厚度，m（頂煤煤厚2.9m，直接頂厚2.94m）；

γ——容重，kN/m3，直接頂一般可取25kN/m3，煤體取14.1kN/m3；

k——載荷不均勻系數(shù)，一般取1.1~1.2，取1.2。

（2）支護(hù)密度采用下列公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：n——支護(hù)密度，根/m2；

Rt——支柱實(shí)際支撐能力，kN/根。

①2107 巷：巷道支護(hù)設(shè)計(jì)為三排錨桿、一排錨索，錨索錨固力大于470kN，頂錨桿?20mm 錨固力大于125kN，考慮錨桿、錨索的支護(hù)力，計(jì)算得每平方米的支護(hù)強(qiáng)度為255kN。

n=94.1/(211+255)=0.2(根/m2)

則每根單體柱有效支護(hù)的面積為：

S=1/0.2=5(m2/根)

即在柱距為1.0m情況下，寬5.4m巷道需支護(hù)1.1根。

②5107 巷：巷道支護(hù)設(shè)計(jì)為一排錨桿、一排錨索，錨索錨固力大于470kN，頂錨桿?20mm 錨固力大于125kN，考慮錨桿、錨索的支護(hù)力，計(jì)算得每平方米的支護(hù)強(qiáng)度為310kN。

n=94.1/(211+310)=0.2(根/m2)

則每根單體柱有效支護(hù)的面積為：

S=1/0.2=5(m2/根)

即在柱距為1.0m情況下，寬5.4m巷道需支護(hù)1.1根。

（3）單體柱支護(hù)強(qiáng)度的驗(yàn)算。尾超前為密集支護(hù)，故不做驗(yàn)算，本驗(yàn)算為頭超前支護(hù)強(qiáng)度驗(yàn)算。

①直接頂單位面積的壓力為：

式中：Qz——直接頂單位面積上的最大壓力，kN/m2；

k——載荷不均勻系數(shù)，通常為1.1~1.2；

γ——頂板巖石容重，通常為25kN/m3；

h——直接頂厚度，為2.94m。

②單體柱額定支護(hù)強(qiáng)度：

式中：Pmax——單體柱額定支護(hù)強(qiáng)度，kN/m2；

F——單體柱額定工作阻力，kN；

S——單體柱有效支護(hù)面積，通常為1.8m2。

通過以上計(jì)算得選用的單體柱支護(hù)強(qiáng)度Pmax+255≥Qz，符合支護(hù)需求。

3.2.2 運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷超前支護(hù)

（1）頭超前支護(hù)形式。根據(jù)我隊(duì)8113 小煤柱工作面回采經(jīng)驗(yàn)，頭巷為非臨空巷道壓力顯現(xiàn)不明顯，巷道原支護(hù)基本有效。根據(jù)我隊(duì)其它工作面回采經(jīng)驗(yàn)及集團(tuán)公司規(guī)定，2107巷超前支護(hù)距離為30m，在進(jìn)行支護(hù)作業(yè)時(shí)，可選用三根單體柱與π型梁相互配合來支護(hù)。2107巷超前支護(hù)：采用三根單體柱與π型梁相互配合進(jìn)行支護(hù)，梁與巷道垂直，可布設(shè)三排單體柱，兩排單體柱間的柱距為1m，排距可控制在1.2m 與2.53m。使用彈簧扣可調(diào)式硬連接防倒，防倒安設(shè)高度為單體柱2/3處，使用彈簧扣式防墜，防倒防墜齊全有效。2107巷超前支護(hù)的距離為30m。

（2）尾超前支護(hù)形式。8107 工作面緊鄰已回采結(jié)束的8105 工作面，面間煤柱為4.5m，結(jié)合8113 小煤柱工作面回采經(jīng)驗(yàn)，預(yù)計(jì)8107工作面回采期間5107巷超前段會(huì)出現(xiàn)頂板下沉、底板鼓起、兩幫收縮等強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，根據(jù)8113小煤柱工作面的開采經(jīng)驗(yàn)，超前支護(hù)距離暫定為100m。

5107 巷超前支護(hù)：工作面回采前100m 采用“三梁三柱”支護(hù)，也就是用三根單體柱與三根π型梁相互配合進(jìn)行支護(hù)，讓梁與巷道相互垂直。共三排單體柱，每排單體柱柱距為1m，自煤柱側(cè)到工作面幫側(cè)的排距依次為0.8m、1.9m、1.9m、0.8m，支護(hù)距離為100m。使用彈簧扣可調(diào)式硬連接防倒，防倒安設(shè)高度為單體柱2/3處，使用彈簧扣式防墜，防倒防墜齊全有效。

100m后采用單體柱配合木垛的方式加強(qiáng)支護(hù)，單體柱采用“五梁五柱”即五根單體柱配合五根1.2m長π型梁的方式進(jìn)行支護(hù)，單體柱采用DW45-250/100X型，支護(hù)長度100m，使用彈簧扣可調(diào)式硬連接防倒，防倒安設(shè)高度為單體柱2/3 處，使用彈簧扣式防墜，防倒防墜齊全有效?？棵褐鶄?cè)幫和工作面幫各支一排木垛，木垛規(guī)格為：2.0m×1.5m，方木規(guī)格為：2000mm×150mm×150mm 和1500mm×150mm×150mm，其中2m長方木順巷道方向支設(shè)，1.5m 方木與巷道垂直方向支設(shè)，支護(hù)距離都大于100m，可把兩排木垛布設(shè)為三花交錯(cuò)式，相鄰兩木垛間距設(shè)為5.0m，排距設(shè)置為3.1m，兩木垛間隙為3.0m，間隙內(nèi)按要求支設(shè)4排單體柱，隨著工作面的不斷推進(jìn)，逐步向前倒支木垛[2]。

3.2.3 工作面端頭、安全出口的頂板管理

（1）頭端頭采用一組端頭支架（兩架）和2#過渡支架配合一梁一柱柱塞懸浮式單體液壓支柱帶1.2m長的“π”型梁維護(hù)頂板。并布設(shè)高度比1m 高，寬度比0.8m寬的行人過橋在前后溜之間。當(dāng)工作面端頭支架至煤柱幫二者間的距離大于0.8m時(shí)，架設(shè)1排單體支柱，且每增加一個(gè)0.6m布設(shè)1排單體柱，單體柱柱距1.0m，單體柱支設(shè)長度從關(guān)門柱至頭超前支護(hù)。

（2）尾端頭采用過渡支架配合一梁一柱柱塞懸浮式單體液壓支柱帶1.2m 長的“π”型梁維護(hù)頂板。尾安全出口高度不得低于1.8m，寬度不得小于0.8m。當(dāng)工作面142#液壓支架至煤柱幫的距離大于0.8m時(shí)，布設(shè)1排單體支柱，增加一個(gè)0.6m布設(shè)1排單體柱，單體柱柱距1.0m，單體柱支設(shè)長度從關(guān)門柱至尾超前支護(hù)。

3.2.4 架、回梁工藝

（1）架超前支護(hù)的“π”型梁時(shí)，執(zhí)行“先支中間后支兩邊，先將梁放在凳子上再將梁放在單體柱上”，至少六人配合架梁，一人扶單體柱，兩人扶凳子，兩人放“π”型梁，一人操作液槍。先將“π”型梁放在凳子上，放好后，用鉛絲雙股把“π”型梁與頂板支護(hù)固定在一起，再操作液槍緩慢升中間的單體柱，待單體柱接實(shí)頂板后，用卡子將單體與“π”型梁固定，再操作液槍支兩側(cè)的單體柱，待兩側(cè)單體柱也接頂后，人員撤到5m以外安全地點(diǎn)，操作液槍人員進(jìn)行遠(yuǎn)方操作將柱升緊升牢，達(dá)到初撐力。支柱時(shí)，嚴(yán)禁將單體柱快速升起，以防支柱滑倒傷人。

（2）回超前支護(hù)的“π”型梁時(shí)，先回撤兩端的單體柱：先拆除單體柱頭的卡子，人員站在有單體支護(hù)的位置用長柄回柱鉤一端插入支柱的三用閥，操作回柱鉤緩慢泄液，待柱降下后，一人扶柱，一人拆除聯(lián)接裝置，人工將單體柱抬到5m 以外的安全地點(diǎn)。再回中間的單體柱：先拆除單體柱頭的卡子，人員站在5m 以外的安全地點(diǎn)，遠(yuǎn)方操作回柱鉤緩慢降柱，令單體柱自行倒地，如單體柱和“π”型梁不能自行倒地，需人工進(jìn)行回倒單體柱時(shí)，人員要選擇5m 以外安全的地點(diǎn)，遠(yuǎn)方操作用長柄工具將單體柱推倒，人工將單體柱回出，如“π”型梁不能隨單體下落，人員要站在凳子上，兩人扶凳子，兩人將“π”型梁放在凳子上，放好后，兩人喊好口號(hào)，同時(shí)將“π”型梁扔到地上，人工將“π”型梁運(yùn)出超前支護(hù)以外。如頂板破碎，先支臨時(shí)支護(hù)再進(jìn)行回撤。

（3）回撤順序：由里向外逐架回撤。

3.2.5 支、回木垛工藝

（1）支設(shè)木垛時(shí)，方木與方木成井字型碼放，支設(shè)時(shí)保證層層穩(wěn)固、對(duì)齊，底板不平處及木垛接頂處用半圓木及木楔剎緊、背實(shí)，保證木垛接頂牢固、有效。支設(shè)木垛時(shí)至少有三人配合作業(yè)，一人負(fù)責(zé)觀察頂幫情況，一人遞料，一人支設(shè)。且當(dāng)支設(shè)木垛高于2m時(shí)，搭架子，架子要做到牢固可靠，并有專人扶。

（2）當(dāng)前溜尾推進(jìn)至距工作面?zhèn)饶径?.8m 尾斜切進(jìn)刀時(shí)由作業(yè)人員對(duì)木垛進(jìn)行回撤；當(dāng)前溜尾推進(jìn)至與煤柱側(cè)木垛靠巷口方向邊平齊時(shí)由作業(yè)人員對(duì)木垛進(jìn)行回撤。

3.3 采空區(qū)處理

8107 工作面頂板的垮落性較好，采用自然垮落法處理采空區(qū)頂板。

根據(jù)礦井前幾個(gè)放頂煤工作面回采經(jīng)驗(yàn)，工作面回采過程中除兩端頭懸板外工作面頂板能夠隨采隨垮。在采煤作業(yè)中，若遇到兩端頭古塘及工作面局部懸板大于10m2的情況，或遇到垮落高度不是很大的情況時(shí)，可通過在支架前提前斷網(wǎng)，退錨，不斷升支架，借助支架升力來讓頂煤破碎，使工作面及兩端頭古塘懸板垮落。如古塘懸板仍不能自行垮落，則優(yōu)先采用水壓致裂技術(shù)或施工密集切頂孔進(jìn)行放頂，使工作面及兩端頭古塘懸板及時(shí)隨采隨垮，嚴(yán)禁采取打眼放炮強(qiáng)制放頂[3]。

4 結(jié)束語

經(jīng)綜合應(yīng)用這些頂板管理措施后，8107 工作面頂板得到了很好的控制，不再出現(xiàn)冒頂、垮落現(xiàn)象，頂板下沉量控制在了安全范圍內(nèi)，取得了較好應(yīng)用效果，有效保障了8107工作面的安全生產(chǎn)。