厚煤層大采高堅硬頂板控制技術與支架適應性研究

秦路燕

（霍州煤電集團有限責任公司團柏煤礦，山西 霍州 031414）

1 工程概況

霍州煤電龐龐塔礦的9-700工作面，位于9#煤七采區南翼，主采的9#煤層，煤層均厚11.8m，賦存穩定，工作面標高為803～902m，傾角為4～24°，平均14°，工作面走向長2394m，傾斜寬232m，工作面設計采高為3.2m，割煤深度0.8m，放煤高度為8.6m，放煤步距0.8m，采放比1：2.69，單輪順序放煤。煤層頂底板巖層特性如表1所示。9-700工作面東部為已回采的9-702綜放工作面，上部為原老礦5#煤采空區，由于9-700工作面頂板為堅硬頂板，圍巖應力環境為高附加應力，可能會造成回采過程中液壓支架出現壓架事故，故需對工作面堅硬頂板進行處理，縮短其垮落步距，降低頂板來壓強度，見表1。

2 堅硬頂板控制技術

目前控制堅硬頂板破斷步距的方式主要有兩種：①改變堅硬頂板巖層的物理力學性能，一般通過高壓注水的方式實現[1-2]；②強制放頂來減小堅硬頂板的垮落步距[3-4]，根據9-700綜放工作面的實際開采過程中的情況可知，工作面在正常情況下可以自然垮落，工作面懸頂長度不長，支架承載壓力在額定阻力范圍內，但當工作面在地質條件發生變化或者推進速度過快時，基本頂便會出現不同程度的懸頂，從而給工作面安全生產帶來隱患，結合工作面地質資料及周圍礦井的經驗確定堅硬頂板以自然垮落為主[5]，并通過超前深孔松動爆破為輔的方式來實現對堅硬頂板的控制。

表1 工作面煤層頂底板巖性

工作面上覆巖層合理的放頂步距及角度是保證基本頂不發生滑落失穩的前提，在堅硬頂板的條件下，工作面上覆巖層基本頂自然垮落巖層破斷角為65°～85°，在破斷角小于此范圍時，堅硬頂板巖層便會發生滑落失穩，根據9-700綜放工作面的生產情況，可知基本頂的初次來壓平均步距為65m，周期來壓平均步距為30m，通過理論分析確定基本頂的周期合理步距為25m，巖層破斷角不低于85°。具體放頂孔的合理參數確定如下：

2.1 放頂高度

設置合理的堅硬頂板的放頂高度能夠起到較好的放頂效果，放頂高度通過下式確定：

式中：Kp為巖石的碎脹系數，對堅硬頂板取為1.3；M為割煤高度，取為3.2m；根據上述數據能夠計算得出H=10.7m，故最終確定有效的放頂高度為11m。

2.2 放頂孔角度

放頂孔的角度包括：水平角度及豎直角度。鉆孔角度對堅硬頂板爆破放頂的影響較大，在超前深孔爆破中合理布置鉆孔角度至關重要。

水平角度通過下式確定：

式中：α為放頂孔的水平角度，°；LH為放頂孔的水平長度，m；L梁為液壓支架頂梁的長度，取為5.1m。根據計算能夠得出放頂孔的水平角度α=7°。

放頂孔豎直角度的確定通過下式：

式中：W為減弱漏斗的最小抵抗線，取4.3m；β1、β2、β3為放頂孔的豎直角度，°；L 為放頂孔的長度，m；W1為松動爆破漏斗的抵抗線，取為4.3m；Lm為放頂孔無藥段的最小長度，m。計算得出切眼放頂孔的豎直角度為β1=32°、β2=29°、β3=21°；周期放頂的豎直角度為β1=21°、β2=19°，同時考慮到 9-700工作面的實際情況，最終確定周期放頂豎直角度為β1=25°、β2=20°，切眼放頂豎直角度為β1=40°、β2=30°、β3=20°。

2.3 放頂孔的布置方式

9-700綜放工作面放頂鉆孔的布置方式如圖1、圖2所示。

圖1 9-700工作面放頂鉆孔布置圖

圖2 9-700工作面放頂鉆孔剖面圖

3 支架適應性分析

為了分析研究9-700綜放工作面放頂效果及現有工作面支架阻力的適應性，在工作面傾向方向上布置了3個測區，分別位于工作面上端頭、中部及下端頭，每個測區布置兩條測線，通過自動記錄儀器對支架的工作阻力數據進行連續記錄，工作面測區布置如圖3所示。

圖3 9-700綜放工作面測點布置圖

回采期間支架工作阻力數據如表2所示。通過對數據進行分析得出支架在實際工作中工作阻力的變化狀態，從而對支架的工作效率及放頂效果進行有效的評價。據相關研究與現場經驗知支架的實際初撐力應不小于設計初撐力的75%。根據表2能夠得出，9-700綜采工作面的初次來壓步距為22～26m，且兩端頭的來壓步距大于中部的來壓步距，，周期來壓步距的范圍為18～22m，頂板來壓期間對中部支架的影響范圍稍小于對兩端頭支架的影響范圍。

表2 工作面液壓支架工作阻力數據表

通過分析表2中數據能夠得知，在工作面來壓期間，上部測區支架的最大初撐力7738、7496kN，為設計初撐力的74%及76.4%，中部測區支架最大初撐力為7725、7825kN，為設計初撐力的77.3%及76.3%，下部測區支架的最大初撐力為7306、7695kN，為設計初撐力的72.1%及76%，根據上述數據可知在實際應用中，支架的初撐力并未達到設定值，需提升支架的初撐力，充分發揮支架主動支承作用。

從表2中知工作面來壓期間支架最大工作阻力下部測區平均值為10085、10120kN，占額定阻力的77.9%、77.6%，中部測區平均值為11279、11158kN，占額定阻力的87.8%、87.1%，上部測區平均值為10506、10438kN，占額定阻力的 80.8%、80.3%，并根據最大工作阻力占額定工作阻力的比例可知現有支架在使用時保有一定的富余量，能夠對工作面的頂板進行有效支護，現有支架型號符合工作面生產要求。

回采工程中工作面來壓期間支架的加權工作阻力間接的反映頂板壓力的變化情況。在回采過程中工作面機頭到機尾的加權工作阻力占額定阻力的比例分別為 87.8%、87.5%、94.3%、94.2%、86.4%、82.1%，在工作面未來壓期間，支架的工作阻力占額定工作阻力的最大值為73.5%、最小值為63.7%，故根據上述數據可知現有支架能夠在工作面的回采過程中對頂板提供充分的支護。

根據9-700綜放工作面現使用的ZZ13000/28/60液壓支架，在回采期間，中部少數支架的安全閥門會開啟，立柱的下縮量不大，同時支架二級護幫板，對煤壁起到保護作用，加強了工作面圍巖的支護強度。綜上分析現有四柱支承掩護式液壓支架能夠適應工作面頂板壓力，液壓支架對煤壁及直接頂形成了有效的控制；另外根據工作面進行超前深孔松動爆破后，工作面的初次來壓步距約為21～23m，與計算得出的工作面的步距縮短了約42m，周期來壓步距為18～21m，與原計算得出的步距縮短了約15m，故可知對9-700綜放工作面堅硬頂板采用超前深孔松動爆破后有效的縮短了工作面的懸頂長度。

4 結 論

由于9-700綜放工作面為堅硬頂板，分析知其頂板來壓時較為強烈，通過對工作面的來壓步距及強度進行理論分析，同時考慮工作面地質條件的基礎上確定采用超前深孔松動爆破的方法對堅硬頂板進行處理，爆破后對液壓支架進行持續監測，分析數據可知工作面現有四柱支承掩護式支架能對頂板的完整性及煤壁片幫起到有效控制，另對頂板采用超前深孔預裂爆破后大大縮短了工作面的來壓步距，為工作面的安全生產提高了保障。