綜采工作面前探梁支護設計及穩定性分析

劉亞斌

（山西新元煤炭有限責任公司，山西 壽陽 045400）

引言

某礦3102 工作面頂板較為破碎，在實際生產過程中經常發生頂板垮落現象，經常因為對垮落頂板的處理而延誤工作面的正常開采生產，為此對該礦綜采液壓支架加裝了前探梁支護設計。頂梁一般為整體頂梁及分段組合式頂梁兩種，對于分段組合式頂梁即支撐掩護式液壓支架的設計，可分為剛性主梁、鉸接前梁、伸縮前梁三個部分[1]，本文通過在伸縮前梁前方架設前探梁、護幫板進行支護設計，起到對頂板更好的保護效果。

1 山西某礦3102 工作面概況

山西某礦3102 工作面煤層厚度1.6～2.8 m，平均厚度2.3 m，煤體普氏系數2～3，頂板巖性較軟，為灰黑色泥巖、砂巖等，在開采過程中冒頂漏頂的潛在威脅較大，對頂板的支護要求較高。3102 綜采工作面采用綜合機械化走向長壁采煤法進行煤炭資源的開采工作，液壓支架選用ZY3000/13/28 型號進行頂板支護，該型號液壓支架在前端有伸縮梁并帶有護幫板，其中伸縮梁對頂板的控制范圍及煤壁的截割進度都為0.6 m，護幫板可進行直角旋轉。

在3102 工作面的實際開采過程中，由于頂板巖性較為破碎，開采過程中頂板的管理難度極大，時常發生煤壁截割后頂板的大量冒落，而且超出了液壓支架伸縮梁的控制范圍，造成頂板空頂現象頻繁發生，同時冒落下的矸石及浮煤也嚴重影響了工作面的正常開采生產過程。

2 支護設計

2.1 工作方式分析

綜采工作面采煤機截割煤壁之后立即前移液壓支架，同步操作打開伸縮梁上的前探梁及護幫板對新暴露出的頂板及煤壁幫進行支護，伸出的前探梁可盡可能減小端面距防止頂板垮落影響工作面正常開采生產過程。當頂板破碎程度較大時，進行普通移架支護很容易發生漏頂現象，需進行帶壓移架的操作。操作流程為先拉動千斤頂開始移架，使得液壓支架帶壓前移再進行逐漸卸載操作，保持液壓支架的頂梁與頂板之間始終存在支撐阻力。這種操作下的移架可減緩頂板破碎情況下的松動垮落，起到有效控制管理頂板的效果。

2.2 前探梁設計

利用液壓千斤頂在伸縮梁上設置前探梁對綜采液壓支架進行前探梁支護設計，可增大其頂板控制范圍，起到對頂板的控制效果，如圖1 所示。在伸縮梁前方加裝前探梁對煤壁進行支撐，前探梁通過液壓千斤頂進行伸縮控制，護幫板鉸接在前探梁上，護幫板在液壓支架一側靠近煤壁，另一側在前探梁下方固定，可起到頂板支護及保護煤壁防治片幫的效果。當綜采工作面采煤機截割煤壁過后，護幫板的一側便向煤壁靠近，前探梁頂在煤壁上，煤壁與液壓支架共同起到對前探梁的支撐作用，使前探梁受力均勻，也確保了頂板的支撐效果，有效防止空頂現象的發生。護幫板對煤壁進行支撐，完成對頂板煤壁的支護工作，避免發生煤壁片幫現象。

圖1 前探梁支護效果示意圖

由圖1 可以看出，在端面距較小時，及時移架進行支護可減小頂板漏頂面積，起到有效支撐效果。對綜采面液壓支架進行前探梁支護設計，可保證2 m 范圍之內的頂板得到有效控制，不會再發生空頂現象造成頂板的大面積垮落現象發生，避免了矸石及浮煤落入工作面影響刮板輸送機的推移，從而對綜采工作面正常的煤炭開采生產帶來影響，同時也有效減少了頂板事故的發生。前探梁延伸至煤壁的設計，可將一部分頂板壓力傳遞至煤壁，液壓支架和煤壁兩端同時受力，避免了因空頂面積增大而造成的受力不均勻情況的發生。前探梁的設計，使得頂板發生矸石掉落的情況基本不再發生，防止因刮板輸送機前方浮煤及矸石堆積阻礙前移的現象，以及刮板輸送機被矸石浮煤卡死不能正常工作等現象的發生[2]。

2.3 前探梁工作流程及參數設計

綜采面采煤機截割煤壁過程中，遇到頂板穩定段時減緩截割速度，將前探梁撤出煤壁，采煤機進行截割作業；若前方頂板不穩定，則降低綜采采煤機滾筒的高度，從護幫板下方進行煤壁截割操作，此時護幫板周圍0.2～0.3 m 的煤體在移架過程中會自然垮落，后續液壓支架的移架操作正常進行即可。

分段組合式頂梁設計即液壓支架的支撐掩護式設計，包括剛性頂梁、鉸接前梁及伸縮前梁三個部分，綜采面液壓支架的長度一般在1.5 m 左右，因此在掩護梁下側前探梁的長度設計一般在0.75 m 以內，即可達到頂板及煤壁的支護效果[1]。梁端距是在綜采工作面頂板凹凸不平時，為了避免刮板輸送機及綜采面采煤機發生傾斜，以及綜采面采煤機在進行煤壁截割時由于頂板的傾斜造成滾筒向液壓支架發生偏移而發生截割頂梁的現象，為滾筒與頂梁之間留設安全距離而提出的一段距離。對梁端距的判斷取決于液壓支架的高度，液壓支架的高度越高，梁端距也就越大，一般設計的梁端距為0.3 m。當矸石較為細小或防止浮煤落入工作面時，可在前探梁上架設木料或者竹板等，如圖2 所示。通過對頂板較為破碎的地帶在前探梁上加裝輔助支護，在采煤機滾筒截割作業前即使去除，截割煤壁之后前探梁再次支護煤壁，同時加裝輔助支護，有效起到了對破碎頂板的支護效果，即使片幫范圍較大也能防止矸石從端面落入工作面當中。這樣保證了工作面工作人員的安全生產工作，也降低了對浮煤的清掃工作，降低了工作人員的勞動強度，同時起到了對頂板加強支護的效果，防止破碎頂板從前探梁縫隙中垮落現象的發生[3]。

圖2 輔助支撐設計

3 穩定性分析

對某礦3102 綜采工作面進行分析，在常規液壓支架下開采過程中，受頂板的影響較為嚴重，頂板破碎區段造成的矸石、浮煤堆積情況嚴重影響刮板輸送機的推移，進行人工清掃開機后會再次發生這種情況，形成惡性循環。帶有前探梁設計的液壓支架在工作面的實際應用，可有效降低頂板對綜采工作面的影響。

由表1 可以看出，未使用前探梁液壓支架進行頂板支護設計時，綜采工作面進行開采過程中受到的漏頂影響分別為62 h、58 h，使用前探梁之后則減少到16 h、14 h，時長縮短了2 倍；而對刮板輸送機推移的影響時長也由34 h、32 h 的影響時長變為3 h、1 h 的影響。由此可以看出，在使用前探梁支護后基本不會出現由矸石、浮煤冒落而影響刮板輸送機正常推移現象。同樣對大矸石的影響在未進行前探梁支護設計時，分別有2 次和1 次的大矸石處理事件影響綜采工作面的正常生產過程，而使用前探梁進行支護設計之后則沒有這種現象的發生，大的矸石基本不會垮落在工作面當中。

表1 前探梁支護設計前后影響時長對比

4 結語

在對綜采工作面進行前探梁支護設計之后，對頂板的控制效果得到了極大的改善，矸石及浮煤在工作面的垮落情況得到了有效治理，極大地降低了因處理冒落矸石、浮煤造成工作面生產上的延誤，為確保綜采工作面的連續開采工作帶來了極大保障。也減輕了井下工作人員因長期處理垮落矸石及清掃浮煤帶來的極高勞動強度、降低了工作面裸露頂板垮落事故的發生概率，確保了煤炭資源的安全生產和提高了生產效率。