煤礦綜采工作面頂板支護管理研究

張中雨 馮屯生

（潞安集團余吾煤業有限責任公司，山西 長治 046100）

頂板事故是嚴重威脅煤礦生產安全的重要問題之一。對于當前廣泛采用的工作面機械化綜采技術，隨著工作面回采作業的不斷推進，工作面前方的頂板巖體逐漸出現懸伸、下沉、斷裂、塌落等現象，巖體結構、應力和平衡狀態在此過程中不斷發生變化。如果不及時對頂板進行合理、有效的支護，巖層的不穩定狀態將對下方的采掘作業人員造成極大的安全隱患，甚至引發頂板事故。另一方面，為保證企業生產效率，避免因頂板嚴重變形造成的采掘工作推延或停滯，還應做好頂板支護的管理工作，確保在整個回采過程中巷道的穩定性和安全性，為回采作業創造良好條件。針對這一問題，本文將以小常礦3402 工作面為例，對其頂板支護和管理實踐進行研究，為相關應對方案的制定提供參考[1-3]。

1 工作面及頂板概況

小常礦3402 工作面采用U 型布置，其中運輸順槽長度1360 m，回風順槽長度1360 m，工作面切眼162 m，煤層厚度6.88 m，容重1.38 t/m3，回收率為95%。

如表1 所示，工作面直接頂以砂質泥巖為主，厚度1.55 m，薄層狀，頁理發育。按頂板的堅硬程度、穩定程度及對工作面礦壓影響程度分，直接頂為Ⅱ類中等穩定頂板。基本頂為砂巖，厚度為12.193 m，中厚層狀，均勻層理，屬Ⅱ級頂板，基本頂來壓明顯。

表1 工作面圍巖巖性分析

2 工作面支護相關計算

當前綜采工作面的支護多采用液壓支架對頂板進行臨時支護。為保證形成有效支護，需對支護相關參數進行校驗計算[4-5]。

2.1 礦壓參數計算

（1）當煤層被開采后，直接頂呈懸臂梁狀態，能懸露一定時間，隨著支架的前移，能夠順利垮落。根據已采周邊工作面情況，直接頂初次垮落步距約為30～40 m，垮落巖塊充填采空區高度小于煤層采高。當直接頂垮落后，基本頂懸露一定距離后呈周期性斷裂下沉，其作用力主要作用在前方煤壁上和采空區直接頂垮落巖石上，只有少部分作用力通過直接頂作用于支架上。基本頂初次垮落步距約為60～80 m，周期來壓步距為20～30 m，周邊工作面回采期間采場最大壓強547 kN/m2。

（2）液壓支架主要支撐直接頂自重。在周期來壓期間，基本頂的部分作用力通過直接頂作用于支架上，其合力一般按6～8 倍采高的頂板巖石重量計算。采場對支架的最大壓強計算如下：

式中：n 為頂板重量系數，一般取6～8，本次計算取n=8；r 為頂板巖石容重，取r=2500 kg/m3；g 為重力加速度，g=9.8 N/kg；H 為工作面采高，H=3.2 m。

采場對支架最大壓強：

P=627.2 kN/m2=0.627 2 MPa

2.2 液壓支架支撐強度校驗

根據工作面頂底板巖性及煤層厚度、采高等條件，本工作面選用鄭州煤礦機械公司生產的放頂煤支架及其相配套的過渡支架。工作面分別布置ZFG6500/20/35 型過渡支架3 架，ZF5600/17/35D 型中間架104 架，ZFG6500/20/35 型過渡支架3 架，共計110 架。ZF5600/17/35D 型中間架的主要技術參數如表2 所示。

表2 ZFG6500/20/35 液壓支架性能參數

（1）支架工作阻力校驗

采場頂板對單個支架的最大壓力F 計算如下：

式中：P 為采場對支架的最大壓強，由式（1）得P=627.2 kN/m2；A 為支架中心距，A=1.5 m；L1為支架頂梁長，L1=2.9 m；L2為支架前梁長，L2=1.6 m。

由上計算可得，采場頂板對單個支架的最大壓力F=4233.6 kN，小于液壓支架的支護工作阻力5600 kN，因此支架工作阻力滿足使用要求。

（2）支架初撐力校驗

按支架工作阻力的80%計算，支架需提供的初撐力應大于0.8F=3 386.9 kN。由表2 可知支架的支護初撐力為5236 kN，大于3 386.9 kN，因此支架初撐力滿足要求。

（3）支護強度校驗

由以上計算可知，采場對支架的最大壓強P=0.627 2 MPa，然而表2 中該支架支護強度為0.74 MPa，大于采場對支架的最大壓強，因此支架的支護強度滿足要求。

綜上可知，ZF5600/17/35D 型低位放頂煤液壓支架能滿足該工作面頂板支護要求。

2.3 控頂距計算

圖1 液壓支架控頂距

隨著采煤工作面逐漸推進，液壓支架不斷前移，懸伸的頂板自行垮落，充填采空區。如圖1 所示，ZF5600/17/35D 型液壓支架的最大和最小控頂距計算如下：

最大控頂距Lmax計算公式：

式中：L3為支架端面距，L3=0.26 m；LD為采煤機的截割深度，LD=0.8 m。

因此，最大控頂距Lmax=5.56 m。

最小控頂距Lmin計算公式：

因此，最小控頂距Lmin=4.76 m。

項目4：經濟活動財務管理內部控制制度的構建，通過對財務規章制度和管理細則的梳理，對國家、省相關的制度和要求進行全面的收集和整理，在財務信息系統中嵌入與內控相關的各項法律法規，建立財務法規制度庫。

3 工作面液壓支架支護質量要求

為保證在回采過程中形成有效支護，根據綜采工作面情況，對液壓支架提出以下支護質量要求：

（1）現場檢測支架初撐力時，支架立柱柱底機械壓力表顯示數值應不低于24 MPa，支架控制器數字顯示數值應不低于240 bar。

（2）支架頂梁與頂板平行支設，接頂嚴密，最大仰俯角不超過±7°。當支架移成一條直線時，50 m 拉線其偏差不得超過±50 mm。

（3）相鄰支架間不擠、不咬，架間間隙小于200 mm，不能有明顯錯差。

（4）中間支架放煤口插板與后刮板輸送機溜槽外邊沿橫向距離不小于300 mm，垂直高度不小于500 mm。

4 工作面頂板管理

在綜采工作面有效的支護基礎上，還應對頂板進行科學管理，以提高支護質量，降低巷道和圍巖變形風險，具體措施如下：

（2）及時進行設備和技術升級。一方面，對于老舊、損壞的支護設備應及時進行更換和改進，避免設備“帶病”作業，同時，應積極引進技術更加先進的機械設備，提高工作面的支護效率和質量，降低事故發生概率；另一方面，應注重工藝技術升級，通過分析以往的頂板事故，找出落后和不合理的工藝步驟，逐步改進，同時，應注重學習和應用先進的工藝措施，提高支護質量。

（3）完善措施體系，加強安全管理。通過建立風險分級管控體系等，全面辨識頂板管理中的有害因素，并定性或定量地對其危險程度進行評估，確定風險等級和管控措施，切斷風險轉變為隱患的鏈條，防范事故的發生。對于無法立即治理的危險隱患，應安排專人進行情況跟蹤，直至隱患排除。

（4）強化教育，深入培訓。一方面，對于相關井下人員，應形成制度化的培訓機制，尤其是頂板支護和管理技術，還應對培訓情況進行考核，考核合格者發放上崗證，否則仍需接受培訓；另一方面，對于當前工作面的作業流程，應在開工前做好技術交底，保證參與人員清楚作業內容和流程，并在此過程中強化頂板安全管理理念，由此全面提高工作面頂板的管理水平。

5 結論

本文以小常礦3402 工作面選用的ZF5600/17/35D 型液壓支架為例，針對綜采工作面頂板的支護和管理問題進行研究得知：

（1）工作阻力5600 kN 大于采場頂板對單個支架的最大壓力4 233.6 kN；

（2）支架的支護初撐力為5236 kN，大于需提供的初撐力0.8F=3 386.9 kN；

（3）支架的支護強度0.74 MPa 大于采場對支架的最大壓強0.627 2 MPa；

因此ZF5600/17/35D 型液壓支架滿足使用要求，所做工作為今后類似研究提供借鑒。