薄煤層資源回收控頂支護方法研究

宋維康 張龍龍 楊 明

（通用技術集團工程設計有限公司，山東 濟南 250031）

1 工程概況

薄煤層在我國廣泛分布，在煤炭資源回收過程中仍有部分困難，其頂板的安全控制是最具代表性問題。邱集煤礦7 煤7809 工作面煤層走向由北東轉向南東，煤層傾角3°～13°，平均煤厚1.30 m，煤層賦存比較穩定。工作面直接頂為泥巖，強度較低；基本頂為粉砂巖，較為堅硬；直接底為黏土質粉砂巖，遇水膨脹，強度低。頂底板巖性如圖1。

圖1 頂底板巖性柱狀圖

2 控頂支護參數設計

2.1 支護方法

7809 工作面采用短壁后退式采煤法，全部垮落法處理采空區。工作面循環推進度為1.2 m。工作面采煤采用炮采工藝[1]。基于工作面工程現狀及回采方法，采用正懸臂齊梁齊柱支護方式支護頂板。

2.2 支護參數

1）工作面合理支護強度Pt

采用經驗公式[2]計算工作面合理支護強度Pt：

式中：G為重力加速度，工程上通常取10 N/kg；h為工作面煤層平均采高，取1.30 m；r為頂板巖石容重，取2547 kg/m3；k為工作面支柱應支護的上覆巖層厚度與采高之比，本文工作面取8。

計算得到工作面合理支護強度Pt為264.88 kN/m3。選取工作面礦壓參數參考中最大平均支護強度300 kN/m2。

2）支柱支撐能力及支護密度

支柱支撐力為：

式中：kg為支柱工作系數，取0.99；kz為支柱增阻系數，取0.95；kb為不均勻系數，取0.9；kh為工作面采高系數，取1；ka為工作面傾角系數，取1；R為支柱額定工作阻力，300 kN/根。

計算可得Rt為253.94 kN。

根據工作面所需的合理支護強度Pt及單根支柱的支撐能力Rt，可以計算出支柱支護密度n：

代入先前計算結果，得到每平方米支柱數量n為1.18 根。現場設計采用HDJB-1200 型金屬鉸接頂梁，據此確定排距為1.2 m，若要滿足現場工作面支護強度，柱距應選為0.7 m，此時支護密度達到1.19 根/m2，大于理論支柱支護密度，滿足計算要求。

3）支柱高度及柱靴直徑

支柱最大及最小高度：

式中：Hmax為最大支柱高度，m；Hmin為最小支柱高度，m；Mmax為工作面最大采高，取1.4 m；Mmin為工作面最小采高，取1.3 m；a為卸載高度，取0.05 m；b為頂梁高度，取0.1 m；s為頂板下沉量，取0.1 m。

經計算，Hmax=1.3 m，Hmin=1.05 m。

式中：Φ 為柱靴直徑，mm；Q為底板比壓，取5 MPa。

考慮到黏土巖遇水膨脹變軟，底板比壓降低，鐵鞋直徑取系數1.1，故柱靴直徑為279.4 mm。根據現有支護材料，取320 mm。

3 控頂支護方案設計

根據同煤層礦壓觀測結果和實踐經驗，決定該面采用“見四回一”的控頂方式控制頂板[3]。工作面炮道寬度850 mm，使用外注式單體液壓支柱配合金屬鉸接頂梁支護，采用正懸臂齊梁齊柱的支護形式，支柱支設在頂梁后端第5～6 個牙口內。如圖2。

圖2 工作面支護設計圖（mm）

3.1 工作面控頂方法

3.1.1 正常工作時期頂板管理

工作面使用DW16-300/100 型單體液壓支柱和HDJB-1200 型金屬鉸接頂梁支護[4]。由于受構造影響工作面局部煤層厚度會有變化，因此工作面還備有DW14-300/100 型、DW12-300/100 型單體液壓支柱。柱爪卡在頂梁后端第5～6 個牙槽內。本面最大控頂距為5 m，最小控頂距為3.8 m，放頂步距為1.2 m。

工作面金屬頂梁之上用3 根串桿接頂，頂板破碎處用木板梁配串桿將頂背實背嚴。串桿尺寸0.8 m×0.05 m×0.03 m，木板梁規格為1.2 m×0.2 m×0.1 m。7 煤底板為黏土巖及粉砂巖，硬度較小，支柱易鉆底，達不到支護強度，所以施工中要在柱下穿鐵鞋。工作面有水或遇底板過于松軟處，要在鐵鞋下加墊木垛料，保證支柱鉆底量不大于100 mm/m。

工作面支架必須架設牢固，支柱要打成直線，柱距均勻，頂梁垂直煤壁，相互平行。梁頭要齊，鉸接率大于90%，頂板按要求背實，背頂物料要搭接使用，背頂料兩端放置在頂梁上，嚴禁出現耷拉串桿。梁頭要接頂，不得在無柱懸臂梁上再掛懸臂梁。穿鞋不偏腳，鐵鞋墊于實底，支柱初撐力不得小于11.5 MPa。

3.1.2 正常工作時期特殊支護形式

1）從柱支設

工作面初采期間在工作面每隔8 m 支設一組叢柱，連續4 根對柱，柱下穿鞋，初撐力不小于11.5 MPa，隨面前移。

2）密集柱支設

在放頂線兩路頂梁間支設一根戴帽點柱，并掛好擋矸簾，作為切頂、擋矸密集柱。密集柱迎山有力，并拴好防倒繩，嚴禁支在浮煤上，密集柱初撐力不低于1.5 MPa。密集柱支設應迎山有力，支設牢固，并和切頂排支齊。回柱時，應先超前一個棚檔支好密集柱后方可回柱。

3）臨時柱支設

工作面放炮后，待班長、爆破工、瓦檢員檢查無危險后，人員進入施工地點，先用鎬等長把工具敲幫問頂，找掉懸矸傘檐，然后掛梁，掛頂梁時用水平楔背緊。然后扒窩打支臨時柱，臨時柱要支在頂梁中間牙槽內，迎山有力，并拴好防倒繩，嚴禁支在浮煤上，臨時柱初撐力不低于1.5 MPa。

端頭處正規支柱必須穿鞋，確保支柱初撐力不小于11.5 MPa。關門支柱、密集支柱、對柱初撐力可以不穿鞋，但支柱初撐力不小于1.5 MPa。關門支柱間距不大于300 mm。

3.2 巷道及端頭控頂

3.2.1 兩巷超前支護

7809 探煤巷從工作面煤壁向外不小于22 m 范圍內引兩路金屬鉸接頂梁配合DW22-300/100 型單體液壓支柱加強支護，頂梁平行巷道方向鉸接使用，采用兩塊短木料接頂，柱頂正上方一塊，頂梁端頭一塊，短木料規格：220 mm×200 mm×40 mm。兩排支柱支設在刮板輸送機兩側，下側支柱距下幫距離為600 mm，支柱間、排距1000 mm×1200 mm。人行道位于巷道上幫，寬度不小于800 mm。

3.2.2 端頭支護

頂梁間距不大于0.6 m 且布置均勻，覆蓋工作面溜頭。支柱應支到實底，并做到迎山有力，初撐力不小于11.5 MPa。鉸接頂梁之間要用圓銷聯接好，雙楔銷安設牢固，成對使用齊全，反向插入打緊。通過改柱，人行道寬不得小于0.8 m，始終保持出口暢通，無雜物。跨溜頭無柱懸臂梁間距不大于2.4 m。安全出口專人維護，保證無失效、變形支柱及損壞頂梁。

4 效果

7809 工作面頂板強度較低，回采期間控頂困難，給工作面回采造成極大安全隱患。通過現場調研和理論計算，設計“見四回一”的控頂方式控制頂板，使用外注式單體液壓支柱配合金屬鉸接頂梁支護。現場觀測發現，支護效果良好，回采期間巷道圍巖收斂變形在可控范圍之內，巷道超前壓力影響段圍巖擾動變形小。通過合理設計和規范施工，杜絕了因控頂強度不足導致的工作面頂板漏冒，解決了頂底板軟弱導致的頂板管控難題。