煤礦工作面堅硬頂板支護方式的研究

王智慧

（山西平舒煤業有限公司， 山西 陽泉 045000）

引言

在開采頂板硬度系數較高的煤層時，通常面臨著采空區工作面回采后不能及時垮落的問題。煤礦的安全生產便不能有效地進行，甚至有時還會有人員傷亡。本文以作為改進采煤方法的支護技術為研究對象，提出了單體液壓支柱π鋼梁支護和XDY-1TY/1200型懸移支架支護兩種支護方式，以便有效地解決制約堅硬頂板采煤順利生產的頑疾[1-2]。

1 平舒礦概況

平舒礦位于壽陽縣大興莊村，井田位于沁水煤田的北部，東西平均走向長9.407 km，南北平均傾斜寬2.96 km，井田面積為27.8205 km2，全井田內剩余煤炭資源儲量127.50 Mt。開采范圍標高為+900～+650 m，礦井核定生產能力為90萬t/年，屬煤與瓦斯突出礦井。礦井現開采8號煤，位于太原組頂部，煤層厚1.34～2.50 m，平均1.64 m，中部最厚，東部稍薄結構簡單，一般不含夾矸，頂板巖性為較堅硬的砂巖。其中，工作面支柱和支架的材料決定著支護質量的好壞。為了更好地控制頂板，支架和支柱應選擇具有足夠初撐力和工作阻力的材料。

2 單體液壓支柱π鋼梁支護

目前，單體液壓支柱具有快速響應，能夠使載荷呈均勻分布，保證采煤工作面穩定的特點。所以，多數具有堅硬頂板的礦區其支護方式正進行著由傳統的支護到單體液壓支護的變革。

2.1 單體液壓支架實際支撐力及其確定方法

支柱的工作主要取決于支柱的初撐力，在支柱密度和支護系統剛度一定時，支柱的初撐力越大，則其工作阻力也越大。此時，支柱的初撐力對控制頂板起作用。提高初撐力可以避免直接頂離層，因為當初撐完成后，支柱的工作阻力在一定范圍內會隨著頂板的下沉而不斷增大來抵消垮落帶巖重。因此適當提高支柱的初撐力指標，可以很好地預防頂板發生冒頂。根據煤礦安全生產標準，通常支柱初撐力應大于等于其額定初撐力的70%～80%。

通過在煤礦的實際驗證與經驗得知，支柱的有效支撐力RT可以表示為[3]：

2.1.1 支柱不鉆底

當支柱不鉆底時有：

式中：KZ為增阻系數；KB為支柱承載時的不均勻系數；GB為回撤前支柱的理論工作阻力，kN/柱。

經實地現場測量，式（1）中參數的取值范圍如表1所示。

表1 初撐力參數的取值范圍

2.1.2 支柱鉆底

當支柱鉆底時，支柱的有效支撐能力和底板的抗壓入能力有關，當底板抗壓入能力低于支柱的支撐能力時：

式中：G'B為支柱的工作阻力，kN/柱。

當出現支柱鉆底時，給支柱加裝鐵鞋防護，可以有效增大支柱的支撐能力。對于煤礦而言，其底板狀況優良，抗壓入能力強，因此選用支柱不鉆底公式來計算單體液壓支柱的初撐力。各系數取值根據表1計算得RT=0.9×0.85×275=210.3 kN/根。

通過上式計算結果可以看出：煤礦單體液壓支柱的初撐力為210.3 kN/根，因此選用220 kN/根的單體液壓支柱即可。

2.2 支護密度的確定

目前，支護密度的確定對于單體液壓支柱來說主要按照摩擦支柱的支護密度進行設計，缺乏理論分析，因此容易出現強支柱，弱支護的現象。這嚴重制約了單體液壓支柱技術的發展。針對該情況，確定合理的工作面支護密度成為單體液壓支護技術的關鍵。單體液壓支柱的支護密度主要和以下幾個方面相關[4]：

1）支柱的結構強度；

2）工作阻力的大?。?/p>

3）工作面采高和工作面煤層的性質。

合理支柱密度經煤礦安全通用準則查詢可知可用下式表示：

式中：N 為支護密度，根 /m2；PT為支護強度，kN/m2；a為排距，m；b為柱距，m。

通過上式可以看出：支柱的密度同支護強度成正比，同支柱的實際支撐能力成反比。

2.3 支護強度的確定

支護強度與對頂板的要求有關，應根據工作面的不同區別對待。根據實施階段不同，可以分為以下幾個階段。

2.3.1 初次來壓階段

懸頂的垮落發生在直接頂初次垮落后。此時，工作面支架將受到懸頂附加的作用力，根據相關文獻得知，阻止懸頂持續斷裂所需的支護強度可用下式表示：

式中：W為垮落頂板作用力，359.1 kN/m2；mZ為直接頂厚度，m；kZ為直接頂容重，kg/m3；gZ為垮落頂板懸頂系數。

根據相關文獻得知，按照巖梁斷裂時煤壁附近下切危險的極限狀態計算老頂巖梁初次來壓階段的合理支護強度，如下式所示：

式中：fE1為老頂（裂隙帶）厚度，取值 1.5 m；ρE1為老頂（裂隙帶）容重，取4 800 kg/m3；x0為初次垮落（老頂巖梁）步距，取0.8 m；Lk為控頂距（最大），取10 m。

帶入數據計算解得PT1=503.1 kN/m2。

2.3.2 正常推進階段

初次來壓結束到工作面完工的整個過程為正常推進階段，整個過程為阻止頂板垮落所需的合理支護強度為：

式中：C為運動步距（老頂巖梁），取0.44 m。

帶入數據計算解得PT2=520.6 kN/m2。

取最大值作為合理的支護強度，即PT=520.6kN/m2。

根據初撐力計算，選擇RT=220 kN/根。

綜上所述，支柱的密度N=PT/RT=520.6/220=2.36根/m2。即支柱的密度為2.36根/m2。根據現場實踐，取間距為0.8 m，則排距為0.7 m。

3 XDY型懸移頂梁液壓支架支護

XDY型懸移頂梁液壓支架是一種自移式輕型支架，它具有體積小、重量輕、結構簡單、運輸和安裝方便等特點[5]。

3.1 頂板一次冒落高度計算

式中：H為頂板一次冒落的高度，m；M為采高距離，取 2.2 m；Kp為巖石初始的碎脹系數，Kp=1.25～1.5，取1.25。

代入數據計算得H=8.8 m。

3.2 頂板壓力計算

式中：L為工作面斜長，取140 m；a為最大控頂距（工作面），取 3.4 m；r為巖石容量，取 2.68 g/cm3；1.3為動壓系數。

代入數據計算得P=14 593.78 N。

3.3 每部支架承受能力

式中：Z為工作面支架數（1.0 m設一個支架），取140。

代入數據計算得P'=104.24 kN。

4 液壓支架型號選擇與校驗

根據煤礦工作面的地質特征，現采用XDY-1TY/1200型懸移支架，該支架工作阻力1 200 kN。架間打一根加強柱。利用鋼銷固定支柱和梁，且采用集中控制的升降方法。

4.1 承載能力校驗

XDY-1TY/1200型懸移支架的工作阻力為1 200 kN，大于支架所要承受的壓力，故滿足支護強度的需求。

4.2 安全系數校驗

式中：P1為每平方米頂板壓力，30.66 kN。

代入數據計算得N=3.30。煤礦安全操作規程（第三本），要求安全操作系數為2.5，顯然3.30＞2.5，所以設計滿足要求。

通過承載能力和安全系數的校驗可知，XDY-1TY/1200型懸移支架滿足該煤礦工作面支護強度的要求。

5 結論

1）單體液壓支柱π鋼梁支護的π鋼梁長2.4 m，額定承載力為250 kN，工作面最小控頂距3.2 m，最大控頂距4.0 m。采用錯梁齊柱，一梁三柱式布置。

2）XDY-1TY/1200型懸移支架的額定工作阻力為495 kN，梁間距1 m，最大控頂距為3.4 m，最小控頂距為2.8 m，放頂步距0.6 m，采用一梁兩柱的布置方式。

參考文獻

[1]王建紅.國外難垮落頂板控制技術綜述[J].煤，2008（5）：17-19.

[2]付凱，蘇承東.薄煤層堅硬頂板采場礦壓顯現規律研究[J].焦作工學院學報（自然科學版），2004（5）：338-341.

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

[4]楊海新.條帶工作面堅硬頂板控制技術的研究[J].礦山測量，2005（1）：53-55.

[5]王成武.童亭煤礦堅硬頂板下的高檔普采[J].煤炭技術，2005（5）：51-52.