大傾角高瓦斯“三軟”煤層綜采工作面端頭支護技術研究

張曉飛

安徽省淮北市淮北礦業集團公司楊莊煤礦，淮北安徽 235025

大傾角高瓦斯“三軟”煤層綜采工作面端頭支護技術研究

張曉飛

安徽省淮北市淮北礦業集團公司楊莊煤礦，淮北安徽 235025

本文介紹了采煤工作面端頭范圍，分析了端頭頂板破斷規律、礦壓顯現特征和選擇端頭支護的原則，通過對8種常見端頭支護形式的歸納和比較，結合大傾角高瓦斯“三軟”煤層綜采工作面端頭支護形式的要求和特點，探討出適應該種生產地質條件的端頭混合支護方式，并在實踐中取得的良好效果，為類似條件下選擇端頭支護形式提供參考和依據。

端頭支護；破斷規律；大傾角；高瓦斯；“三軟”煤層

引言

工作面端頭是指長壁工作面兩端與回采巷道銜接的地段，是頂板控制的薄弱環節[1]，相對于近年來采煤工作面開采速度及產能的大幅度提高，端頭支護發展嚴重滯后[2]，統計表明，工作面端頭管理工作占整個工作面勞動量的30%，占工序時間的50%[3]，嚴重制約著勞動生產效率的進一步提升。端頭支護質量不僅影響工作面的單產和工效，而且還存在較為嚴重的頂板及瓦斯等方面的安全隱患，本文結合淮北礦務局N礦12125工作面生產地質條件，分析研究各種端頭支護的優缺點，最終得出適合大傾角高瓦斯“三軟”煤層工作面端頭的支護方式。

1 工作面概況

12125 工作面標高為-395～-493m，煤層厚度為2.1～3.4m，平均2.7m，直接頂泥巖，厚度1.0m左右，老頂為細砂巖，厚度4.1～7.8m，直接底為泥巖及5-1煤，老底為細砂巖，煤硬度f=0.3～0.5，實屬三軟煤層，傾角在24°～37°之間，平均31°，經鑒定該工作面煤層為高瓦斯有自燃傾向的煤層，可采儲量28.9萬噸，服務年限5.2個月，工作面上、下順槽全部為U型棚支護。

2 端頭范圍的界定及其頂板破斷規律

2.1 端頭范圍

回采工作面端頭區域與上下平巷相連處，并且許多情況下會有一定范圍的超前缺口，同時還要考慮端頭區域懸頂寬度以及由于兩巷預先掘出巷道外側幫已經松動的范圍[4]。那么端頭范圍S表達式為：

式中：LK——采面控頂寬度，m；

LZ——端頭缺口沿走向寬度，m；

LQ——端頭缺口沿傾斜長度，m；

LX——懸頂寬度，m；

B——工作面運輸巷或回風巷寬度，m：

BK——巷道松動范圍，BK=（0.28～0.78）B。

圖1 端頭范圍

2.2 頂板破斷規律

工作面端頭作業需要比較完整的直接頂條件，而老頂的變形、破斷規律直接決定著直接頂的破碎程度。下面通過建立端頭處老頂的變形破斷的力學模型，并通過該模型分析端頭處老頂的破斷規律，探究端頭支護的難點所在。

端頭處老頂變形破斷的力學結構可用兩鄰邊固支—弧形斜邊的“弧三角形懸板”的矩形薄板模型表示。當懸板懸露長度接近極限跨落步距，自由邊與固支邊交接的部位彎矩的峰值將持續增大，直至發生破斷。隨著工作面的持續推進，懸板將發生規律性的破斷，懸板的破斷最先發生在兩端最大彎矩處，并沿著弧形主應力線方向延伸。

“懸板”下的工作空間可以得到該結構的保護，維護條件比中部好。但在不易形成“懸板”結構的端頭將得不到保護，維護較困難[1,5]。

2.3 礦壓顯現特征

回采工作面端頭范圍內礦壓顯現不同于采面，這是選擇端頭支護要注意的問題。

（1）工作面后退式采煤，平巷要經歷掘進變形階段；（2）端頭范圍受多重支承壓力影響；（3）端頭范圍空頂面積大、頂板完整性差；

（4）煤壁對頂板的三角支承形成較大的懸臂，使端頭范圍壓力增加。

3 端頭支護的選擇

3.1 原則和依據

（1）圍巖穩定性，頂板壓力大小及其穩定性；

（2）煤層傾角；

（3）端頭頂板的懸露面積；

（4）端頭的支護方式、采煤工藝及二者的相互影響；

（5）布置端頭設備的方式。

3.2 支護形式及其比較

端頭范圍內的支護形式一般有以下幾種：

（1）四對八根工字鋼梁支護。該支護形式靈活、適應性強，架設、移除迅速，當工作面長度因地質等因素（如遭遇到陷落柱）而變化時，可以通過增減支架的數目以適應頂板來壓的規律性變化及工作面長度改變；長鋼梁的跨度大，為布置機頭、機尾提供了較大的無立柱的作業空間，同時有效支護了大范圍懸露的頂板；移動支架時，不會出現大范圍的支承力同時卸載，使頂板始終處于穩定。頂板來壓平穩的情況下，可提供最有效的端頭支護。

（2）金屬十字頂梁端頭支護。與其他形式的端頭支護相比，十字頂梁最顯著的優點是：支護體系的穩定性好，可以防止老頂來壓時推倒支架，使用靈活，通用性強，長短梁都可以接；十字頂梁簡單，架設方便、安全；它適用于回采巷道采用錨桿支護或巷道壓較大、變形嚴重的工作面端頭。

（3）普通鉸接頂梁端頭支護。

（4）網狀頂梁端頭支護。網狀頂梁傲為端頭支護的效果與十字頂梁支護基本相同，但更具靈活性，其更優良的支護性能將在破碎頂板情況下得以充分展示。

（5）HDJS型金屬雙楔鉸接頂梁端頭支護。其具有正反承載的特性，在端頭部位可鉸接成大跨度的剛性長梁，支護跨度大，為安全生產拓展了作業空間。

（6）卡塊(專用)項梁端頭支護。該卡塊項梁在兩梁間形成剛性鉸接結構，有效避免了普通鉸接梁在鉸接處塌陷下彎，確保了支護效果。

（7）端頭滑移支架。目前端頭滑移支架支護方式仍處于推廣的初期階段。端頭若采用滑移支架，既增大有效控頂面積，又體現了端頭支護向高度機械化、快速移架方向發展的趨勢，具有一定的優越性。

（8）端頭液壓支架。從現場生產實際情況看，是目前最先進的支護方式之一，符合“技術先進、經濟合理”的要求，安裝用時少且便于管理，極大節約了支護成本和坑耗。鑒于適用條件限制、初期設備投入高和管理人員的培訓耗時等諸多原因，端頭液壓支架的應用仍較少。

3.3 端頭支護方式的確定

（1）條件和要求：①回采巷道采用U型棚支護，故不能采用端頭滑移支架及端頭液壓支架；②所采煤層為高瓦斯煤層，工作面風量大，要求端頭有較大的自由空間；③“三軟”煤層，端頭老頂不易形成“弧三角形懸板”結構，頂板壓力較大，要求端頭支護具有高強度和高剛度；④所采用的支護形式，滿足在使用過程中減少對端頭頂板的反復作用，以保持頂板的結構。

（2）確定支護方式。經過對各種端頭支護方式的分析比較，結合本工作面具體的條件要求，最終采取的支護方式為：用長度大于3.2m，直徑大于0.18m的圓木進行套棚，并用HDJA-1200型鉸接頂梁在其下挑三排走向棚支護，棚腿為DZ25～DZ35型單體液壓支柱，且一梁一柱，采用笆片、半圓木或板皮將幫、頂背嚴過實，一個U型棚棚檔中間套一棵圓木。機尾用一對7.0m長礦用11#工字鋼大棚以“一梁六柱”形式挑跨機尾大棚，且大棚相互交錯、邁步式前移，邁步錯距為0.8m，根據現場機尾跨度，適當增加大棚數量，確保棚間距不超過0.8m。單體液壓支柱，初撐力不小于50kN，工作阻力不小于70kN。

（3）效果：雖然頂底板及幫部變形均在500mm左右，但經臥底后，端部滿足使用和通風斷面要求，取得較好的效果。

4 結論

（1）實踐表明，一梁一柱走向棚支護與“一梁六柱”形式挑跨機尾大棚的混合支護，適應該大傾角高瓦斯“三軟”煤層綜采工作面端頭，滿足使用要求。

（2）分析了各種端頭支護形式的特點和適用條件，為在選擇具體的支護形式時，提供參考和依據。

（3）端頭老頂能否形成“弧三角形懸板”結構，對端頭支護效果的影響甚大，對“三軟”煤層，在選擇端頭支護形式時，應該充分考慮在使用過程中，注意保持端頭老頂的“弧三角形懸板”結構。

[1]陳炎光,錢鳴高.中國煤礦采場圍巖控制.徐州：中國礦業大學出版社.1994

[2]張守祥.高產高效工作面端頭支護的研究.煤礦機電.2000(3):7～12

[3]劉昌平.大傾角厚煤層長壁綜放工作面端頭支護技術實踐.煤炭科學技術.2005,33 (10):23～25

[4]黃慶國.回采工作面端頭支護探析.1998,26(8):45～48

[5]劉長友,曹勝根,方新秋.采場支架圍巖關系及其監測控制.徐州：中國礦業大學出版社.2003

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.036

張曉飛 性別：男 出生年月：1974年3月職稱：采礦工程師。