綜采工作面超前應(yīng)力集中區(qū)支護(hù)優(yōu)化

宣 鑫

（大同煤礦集團(tuán)同安煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 呂梁 035200）

綜采工作面在回采期間，受構(gòu)造應(yīng)力、回采應(yīng)力以及上覆巖層重力影響，在工作面前方20m范圍內(nèi)產(chǎn)生集中超前應(yīng)力區(qū)。工作面順槽超前應(yīng)力集中區(qū)傳統(tǒng)采用單體液壓支柱進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，但是對(duì)于特殊地質(zhì)條件或軟巖煤層綜采工作面的超前集中應(yīng)力區(qū)，采取單體柱支護(hù)時(shí)，支護(hù)數(shù)量多，勞動(dòng)強(qiáng)度大，支護(hù)強(qiáng)度低，單體柱頂梁支護(hù)斷面小，對(duì)應(yīng)力集中區(qū)頂板產(chǎn)生剪切破壞，加劇了頂板破壞程度。以8102工作面為例，對(duì)工作面超前應(yīng)力集中區(qū)加強(qiáng)支護(hù)方式進(jìn)行了優(yōu)化，提出了雙梁鋼棚支護(hù)方案。

1 概況

大同煤礦集團(tuán)晉華宮礦8102工作面位于井田301采區(qū)，工作面可采長度為185m，運(yùn)輸順槽（2102巷）、回風(fēng)順槽（5102巷）長度為1700m，工作面采用綜放工藝，回采煤層為12-2#煤層，煤層厚度為6.52m。

8102工作面運(yùn)輸、回風(fēng)順槽為矩形斷面，巷道設(shè)計(jì)斷面規(guī)格為寬×高=4.5m×3.3m，巷道原頂板采用錨桿、鋼帶、錨索等聯(lián)合支護(hù)。工作面回采期間，分別在順槽超前應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)支設(shè)單體液壓支柱，采用一柱一梁的支護(hù)方式，每排支設(shè)三根單體液壓支柱配“π”型頂梁支護(hù)頂板，頂梁長度為0.5m，支柱間距為1.2m，排距為1.0m。應(yīng)力區(qū)共計(jì)支設(shè)20排單體柱，隨工作面推進(jìn)前移。

8102工作面回采期間位于回風(fēng)順槽側(cè)共計(jì)揭露21條斷層，平均落差為0.9m，平均傾角為42°。斷層破壞了煤巖體連續(xù)穩(wěn)定性，導(dǎo)致工作面回采過程中回風(fēng)順槽側(cè)工作面應(yīng)力集中破壞嚴(yán)重，回風(fēng)順槽超前應(yīng)力區(qū)頂板破壞更加嚴(yán)重，局部區(qū)域出現(xiàn)漏頂現(xiàn)象，應(yīng)力集中區(qū)頂板最大下沉量0.45m，采用單體支柱支護(hù)時(shí)由于支護(hù)頂梁支護(hù)斷面小，對(duì)頂板無法實(shí)現(xiàn)有效保護(hù)。單體支柱屬于線性支護(hù)，在支護(hù)過程中支護(hù)頂梁對(duì)頂板出現(xiàn)條帶式切頂破壞，進(jìn)一步加劇了頂板破碎程度。受頂板超前集中應(yīng)力作用，單體柱受力不均勻，導(dǎo)致部分支柱出現(xiàn)自卸現(xiàn)象，部分單體柱柱體變形嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在前300m工作面回采過程中，回風(fēng)順槽超前應(yīng)力區(qū)共計(jì)損壞單體柱107根，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)124余萬元。

2 超前應(yīng)力區(qū)臨時(shí)支護(hù)優(yōu)化

為了提高回風(fēng)順槽超前應(yīng)力集中區(qū)頂板的穩(wěn)定性，防止頂板破碎、冒落事故發(fā)生，決定對(duì)應(yīng)力集中區(qū)原支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化，采用雙梁鋼棚支護(hù)代替單體支柱支護(hù)。

2.1 雙梁鋼棚支護(hù)組成

雙梁鋼棚支護(hù)主要由棚腿底座、棚腿、橫梁、縱梁、U型卡、連接桿等部分組成。

底座規(guī)格為長×寬=0.3m×0.3m，主要由厚度為4mm鋼板制成，底座與棚腿之間采用螺栓連接。棚腿長度為3.3m，棚腿主要由11#工字鋼梁制成，在棚腿頂端焊接一塊長度為0.3m、寬度為0.2m的對(duì)接鋼板，鋼板四個(gè)角分別焊制一個(gè)直徑為30mm圓孔，每架鋼棚三根棚腿。在棚腿兩側(cè)各焊制兩個(gè)圓環(huán)，環(huán)間距為1.5m。如圖1所示。

橫梁長度為0.5m，在橫梁一側(cè)中部同樣焊接一塊對(duì)接板，對(duì)接板規(guī)格與棚腿頂端對(duì)接板相同。在橫梁兩端各焊制兩個(gè)直徑為30mm圓孔，孔間距為0.15m。

縱梁為18#槽鋼，縱梁長度為4.5m，每架鋼棚采用兩根縱梁。U型卡主要由直徑為20mm圓鋼制成。

2.2 雙梁鋼棚支護(hù)施工

（1）雙梁鋼棚超前工作面5.0m架設(shè)。首先在回風(fēng)順槽兩幫底板及巷道中部底板處安裝棚腿底座，底座安裝時(shí)必須保證平整，底座與底板接觸面積不得低于80%，同一架棚腿三個(gè)底座安裝后底座水平中心線必須與巷幫垂直，允許偏角≤3°。

（2）底座安裝后，依次安裝三根棚腿，棚腿安裝必須牢固可靠。兩幫處棚腿安裝后，在巷幫施工兩個(gè)錨桿將其固定。棚腿安裝后，將橫梁連接板與棚腿頂端連接板對(duì)接，并采用四根12#螺栓將其固定。

（3）棚腿及橫梁安裝后，在同一架鋼棚兩根橫梁之間安裝兩根縱梁，縱梁與橫梁之間采用U型卡進(jìn)行固定。

（4）雙梁鋼棚架設(shè)間距為1.5m，待所有鋼棚架設(shè)完成后，在相鄰兩架鋼棚棚腿之間分別安裝兩組拉桿進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)。當(dāng)工作面回采推進(jìn)距第一架鋼棚間距不足2.0m時(shí)，及時(shí)拆除鋼棚。

（5）當(dāng)過斷層破碎帶超前集中應(yīng)力區(qū)頂板出現(xiàn)嚴(yán)重破碎時(shí)，鋼棚架設(shè)完成后，在相鄰三架鋼棚頂梁之間安裝四根“JW”型鋼帶。鋼帶長度為3.2m，寬度為0.28m，鋼帶與巷道走向平行布置。

圖1 8102工作面超前應(yīng)力區(qū)雙梁鋼棚支護(hù)示意圖

3 應(yīng)用效果

8102工作面回風(fēng)順槽超前應(yīng)力集中區(qū)采用雙梁鋼棚支護(hù)后，通過3個(gè)月實(shí)際應(yīng)用效果觀察發(fā)現(xiàn)，取得了明顯成效。

（1）降低了支護(hù)成本費(fèi)用。工作面回采520m，回風(fēng)順槽共計(jì)架設(shè)340架雙梁鋼棚，回收327架，與傳統(tǒng)單體液壓支柱相比，雙梁鋼棚損壞率小，全面可降低支護(hù)成本費(fèi)用87余萬元。

（2）降低了勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度。采用單體液壓支護(hù)支護(hù)頂板時(shí)，每班需安排5人進(jìn)行支設(shè)，按每班回采進(jìn)度為4.0m計(jì)算，每班需支設(shè)4排單體液壓支柱，共計(jì)12根，并需回收12個(gè)支柱，勞動(dòng)強(qiáng)度大，支護(hù)難度大。而采用雙梁鋼棚支護(hù)后，每班支護(hù)安裝兩架即可，3人即可滿足施工要求，大大降低了勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度及勞動(dòng)成本費(fèi)用，縮短支護(hù)時(shí)間。

（3）提高了頂板穩(wěn)定性。原單體液壓支柱支護(hù)時(shí)，屬于不連續(xù)線性支護(hù)，當(dāng)工作面出現(xiàn)周期來壓時(shí)，超前應(yīng)力集中區(qū)壓力顯現(xiàn)嚴(yán)重，單體柱無法實(shí)現(xiàn)讓壓作用，導(dǎo)致單體柱液缸負(fù)荷加大，支柱失效現(xiàn)象嚴(yán)重。而雙梁鋼棚頂梁在受壓作用下可與頂板同步變形，起到讓壓作用，防止鋼棚支護(hù)失效，進(jìn)一步提高了頂板穩(wěn)定性。工作面回采期間應(yīng)力集中區(qū)頂板下沉量控制0.15m以下。

（4）避免頂板切頂破壞。原單體柱頂端“π”型頂梁鋼性強(qiáng)，受力作用下對(duì)頂板煤巖體產(chǎn)生剪切破壞，而雙梁鋼棚頂梁支護(hù)斷面大，而且在嚴(yán)重破碎區(qū)可通過安裝走向鋼帶加大頂板支護(hù)斷面，解決了線性支護(hù)時(shí)切頂破壞等技術(shù)難題。