急傾斜薄煤層前探梁支護設計及效果驗證

劉 杰

（西山煤電集團公司西銘礦，山西 太原 030052）

引言

據統計表明，我國急傾斜薄煤層的儲量相對豐富，主要分布于西南和東北等地區。鑒于急傾斜薄煤層工作面的特點，該煤層的開采以爆破開采方式為主或者放棄開采，從而極大地造成了煤炭資源的浪費，而且在開采中也極易發生安全事故。針對急傾斜薄煤層的難開采、安全性低以及勞動強大等問題，對其開采中前探梁的支護設計，并對工作面設備的穩定性進行評估，對保證生產效率和提高安全性具有重要意義[1]。本文重點針對急傾斜薄煤層綜采工作面完成前探梁的巷道支護設計，并對回采工藝和設備穩定性進行評估。具體闡述如下：

1 S16 綜采工作面概況

某礦S16 工作面所屬煤礦的生產能力為500 萬t/年，該礦井采用立井開拓方式進行開采。經探測可知，S16 工作面的煤層傾角較大，屬于急傾斜工作面；工作面煤層的厚度范圍為1.9～3.1 m，煤層的平均厚度為2.2 m，屬于薄煤層。S16 綜采工作面頂底板地質條件，如表1 所示。

表1 S16 綜采工作面頂底板地質條件

此外，S16 工作面的最大涌水量能夠達到50 m3/h。

2 前探梁支護設計

S16 工作面巷道的斷面形狀為梯形，鑒于該工作面煤層傾角較大且煤層較爆，在掘進過程中采用炮掘進工藝。工作面斷面上部寬度為2.5 m，下部寬度為3.2 m，整體高度為2.1 m。為保證掘進過程中安全性，采用前探梁對巷道進行臨時支護的同時，為其布置11 號工字鋼的金屬棚支架對其進行永久支護。其中，金屬棚支架指尖的距離為0.6 m；同時，在金屬棚頂板采用雙層笆片對其進行保護，在金屬棚左右兩側采用單層笆片進行保護[2]。本文重點對臨時支護的前探梁結構進行設計。

一般的前探梁結構包括有探梁、固定桿和固定套。具體應用方案為：采用兩個移動套環將前探梁穿過，對固定桿上的螺帽進行控制，保證前探梁前端與頭部和幫部的金屬網貼緊。前探梁作為臨時支護設備其主要功能是避免片幫事故的發生。

2.1 探梁結構設計

根據S16 工作面巷道的施工條件，確定適用于該工作面探梁的長度為4 m。一般情況下，探梁采用方鋼進行加工，對應的尺寸為上部寬度為50 mm、下部寬度為70 mm。為方便加工，在探梁分別焊接一條長度為6 mm 的防墜鏈，防墜鏈采用鋼筋進行加工。探梁結構的主視圖和側視圖如圖1 所示。

圖1 探梁結構示意圖（單位：mm）

2.2 前探梁固定環套結構設計

固定環套的主要功能是對已經固定的前探梁的前后位置進行調整。固定環套的基本結構如圖2 所示。

圖2 固定環套結構示意圖（單位：mm）

如圖2 所示，固定環套的形狀為正方形，具體采用厚度為8 mm 的鋼板制造而成，固定套的寬度為80 mm。為保證固定環套能夠穩定固定，在固定環套距離下部邊緣10 mm 的位置設計直徑為24 mm 的螺紋孔。

2.3 前探梁固定桿的結構設計

固定桿的主要功能為對探梁結構進行固定，在實際支護過程中可以根據工作面頂板和兩幫的具體情況合理確定固定桿的長度[3]。一般選用固定桿的長度包括有300 mm、400 mm 和500 mm 三種規格。根據對S16 工作面頂板和兩幫情況的勘測，最終確定采用長度為400 m、直徑為20 mm 的全螺紋錨桿通過焊接工藝完成對固定桿的加工。為避免固定桿的前后移動，在固定桿一側焊接一個螺帽，為保證焊接強度，要求焊縫高度不小于10 mm。固定桿的結構如圖3 所示。

圖3 前探梁固定桿結構示意圖

3 前探梁支護安裝工藝及應用效果

3.1 前探梁支護安裝工藝

在掘進巷道錨網支護工藝實施之前，在工作面兩幫懸掛菱形網，而后將前探梁根據施工工藝安裝，在安裝完成后根據工作面的實際情況通過對環套進行調節，使得前探梁的前端與菱形網接觸達到支撐緊的目的，最終達到對防止工作面片幫的目的。前探梁安裝后的效果如圖4 所示，具體支護施工工藝如下：

圖4 前探梁在掘進巷道的安裝效果

1）在掘進巷道頂板完成臨時支護后，在兩幫懸掛金屬菱形網，并通過鐵絲將兩幫和頂板的金屬菱形網進行聯接；

2）在掘進巷道工作面的迎頭后方安裝固定桿；

3）將固定環套分別套到固定桿的上方；

4）將前探梁通過固定環套與固定桿實現聯接，對通過對固定桿上螺帽進行調節，保證前探梁與煤壁緊靠；將前探梁前端與菱形網進行固定聯接，從而達到防止工作面片幫的目的。為保證最終的防片幫效果，要求頂板和兩幫菱形網的聯接鐵絲的間距不小于200 mm。

3.2 前探梁支護效果驗證

根據“3.1”中的施工工序將前探梁臨時支護結構應用于掘進巷道。實踐表明，工作面采用前探梁的臨時支護后從根本上解決了工作面兩幫片幫事故的問題；尤其對在工作面某些區域幫部能量異常的情況，極大的提升了現場工作人員的安全性。而且，在實際施工過程中發現，前探梁臨時支護工藝具有操作簡單、施工效率高的優勢。

4 結語

綜掘工作面生產的安全性在很大程度上受制于工作面的支護效果。在實際生產中，除了采用常規的錨桿+錨索聯合支護的永久支護方式外，針對工作面兩幫片幫情況嚴重的問題還需采用類似前探梁的臨時支護方式。實踐表明，根據工作面的實際情況完成前探梁結構尺寸及參數的設計，并結合規范的施工工藝完成前探梁的安裝，可從根本上解決工作面兩幫片幫情況，為保證生產率和人員的安全性具有重要意義。同時，前探梁具有施工效率高的特點，可在實際生產中推廣應用。