馬脊梁礦8107工作面安全采煤頂板控制技術研究

李恒旺

（晉能控股煤業集團馬脊梁礦，山西大同 037000）

1 8107工作面概況

8107 工作面沿煤層底板布置，工作面運輸巷道長2519m，回風巷道長2603m，開切眼長243m。可采走向2439m，煤層平均厚6.20m，可采儲量518.1×104t。8107工作面地表位于馬脊梁礦與同忻礦礦界萬家咀村以北，窯洞村以西。該工作面地表有2條萬家咀大溝支溝穿過該工作面中部，溝寬50~120m；工作面西部地表道路發育，無光伏區。地表高差約113m，上覆7#、11#、14-2#及14-3#層為本礦采空區。

8107 工作面煤層賦存情況：8107 工作面煤層結構復雜，煤層厚度4.65~8.33m/6.20m，含3~7層炭泥巖，高嶺巖夾矸，每層夾矸厚0.15~0.65m，5107巷局部煌斑巖侵入，預計影響較小。煤層屬于近水平煤層傾角大約在1°~2.5°之間。煤種主要為氣煤，靠近切巷和靠近盤區大巷區域有長焰煤。可采性指數1，變異系數15.1%。

8107工作面煤層頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板情況表

2 巷道布置及采煤方法

2.1 巷道布置

8107 工作面為一進一回兩巷布置，兩條巷道相互平行且與三條盤區大巷呈90°布置，兩巷均沿煤層底板布置。8107 工作面切眼巷位于工作面西南方向，切眼工作面幫距盤區皮帶巷2519m，切眼長243m。工作面由西南向東北方向推進。工作面安裝一套KTC101 型通訊控制一體化系統，每隔15m 安裝一個分機。8107工作面切眼與順槽巷道相垂直，切眼掘寬9m，掘高3.6m，切眼巷長度243m。錨桿+錨索+金屬網+鉸接頂梁+兩排單體液壓支柱聯合支護，支架鏟運車可從單體液壓支柱與工作面中間通過[1]。

2.2 8107工作面采煤方法

工作面初采期間，初采12m 不放煤，初采12m 后，人工操作回收頂煤。采用“一釆一放”的方式循環作業，割煤截深為0.8m，放煤步距為0.8m，循環進度為0.8m。停采線前20m 到停采線區段內，只割煤不放煤。采用自然垮落法管理采空區頂板。

生產工藝：采煤機頭（尾）端頭斜切進刀→割煤→移架→推前刮板輸送機→放頂煤→拉后刮板輸送機→采煤機尾（頭）端頭斜切進刀→割煤→移架→推前刮板輸送機→放頂煤→拉后刮板輸送機，此為一個正規循環，照此往復不斷割煤。

3 8107工作面頂板管理方法

3.1 工作面頂板控制

工作面支護方式。在工作面支護作業中，8107 工作面所用的支架為ZF13000/25/38M 型正四連桿支架與ZFG13000/27.5/42HM型過渡支架，這兩種支架分別用了132架和9架，選用了自然垮落法來管理頂板。支架的中心距與端面距分別為1750mm 與340mm，可達到的最大控頂距與最小控頂距分別為6535mm 與5735mm。工作面支架布置見圖1。

圖1 工作面支架布置剖面圖

3.2 端頭及超前支護頂板管理

3.2.1 支護材料的選擇

選用DW45-250/100X 型單體柱與DFB1200 型π型梁相互配合來進行工作面的端頭及超前支護。

單體柱的強度、支護密度計算：

（1）合理支護強度的計算：

式中：Pt——合理的支護強度，kN/m2；

h——直接頂及頂煤厚度，m（頂煤煤厚2.9m，直接頂厚2.94m）；

γ——容重，kN/m3，直接頂一般可取25kN/m3，煤體取14.1kN/m3；

k——載荷不均勻系數，一般取1.1~1.2，取1.2。

（2）支護密度采用下列公式進行計算：

式中：n——支護密度，根/m2；

Rt——支柱實際支撐能力，kN/根。

①2107 巷：巷道支護設計為三排錨桿、一排錨索，錨索錨固力大于470kN，頂錨桿?20mm 錨固力大于125kN，考慮錨桿、錨索的支護力，計算得每平方米的支護強度為255kN。

n=94.1/(211+255)=0.2(根/m2)

則每根單體柱有效支護的面積為：

S=1/0.2=5(m2/根)

即在柱距為1.0m情況下，寬5.4m巷道需支護1.1根。

②5107 巷：巷道支護設計為一排錨桿、一排錨索，錨索錨固力大于470kN，頂錨桿?20mm 錨固力大于125kN，考慮錨桿、錨索的支護力，計算得每平方米的支護強度為310kN。

n=94.1/(211+310)=0.2(根/m2)

則每根單體柱有效支護的面積為：

S=1/0.2=5(m2/根)

即在柱距為1.0m情況下，寬5.4m巷道需支護1.1根。

（3）單體柱支護強度的驗算。尾超前為密集支護，故不做驗算，本驗算為頭超前支護強度驗算。

①直接頂單位面積的壓力為：

式中：Qz——直接頂單位面積上的最大壓力，kN/m2；

k——載荷不均勻系數，通常為1.1~1.2；

γ——頂板巖石容重，通常為25kN/m3；

h——直接頂厚度，為2.94m。

②單體柱額定支護強度：

式中：Pmax——單體柱額定支護強度，kN/m2；

F——單體柱額定工作阻力，kN；

S——單體柱有效支護面積，通常為1.8m2。

通過以上計算得選用的單體柱支護強度Pmax+255≥Qz，符合支護需求。

3.2.2 運輸巷、回風巷超前支護

（1）頭超前支護形式。根據我隊8113 小煤柱工作面回采經驗，頭巷為非臨空巷道壓力顯現不明顯，巷道原支護基本有效。根據我隊其它工作面回采經驗及集團公司規定，2107巷超前支護距離為30m，在進行支護作業時，可選用三根單體柱與π型梁相互配合來支護。2107巷超前支護：采用三根單體柱與π型梁相互配合進行支護，梁與巷道垂直，可布設三排單體柱，兩排單體柱間的柱距為1m，排距可控制在1.2m 與2.53m。使用彈簧扣可調式硬連接防倒，防倒安設高度為單體柱2/3處，使用彈簧扣式防墜，防倒防墜齊全有效。2107巷超前支護的距離為30m。

（2）尾超前支護形式。8107 工作面緊鄰已回采結束的8105 工作面，面間煤柱為4.5m，結合8113 小煤柱工作面回采經驗，預計8107工作面回采期間5107巷超前段會出現頂板下沉、底板鼓起、兩幫收縮等強礦壓顯現現象，根據8113小煤柱工作面的開采經驗，超前支護距離暫定為100m。

5107 巷超前支護：工作面回采前100m 采用“三梁三柱”支護，也就是用三根單體柱與三根π型梁相互配合進行支護，讓梁與巷道相互垂直。共三排單體柱，每排單體柱柱距為1m，自煤柱側到工作面幫側的排距依次為0.8m、1.9m、1.9m、0.8m，支護距離為100m。使用彈簧扣可調式硬連接防倒，防倒安設高度為單體柱2/3處，使用彈簧扣式防墜，防倒防墜齊全有效。

100m后采用單體柱配合木垛的方式加強支護，單體柱采用“五梁五柱”即五根單體柱配合五根1.2m長π型梁的方式進行支護，單體柱采用DW45-250/100X型，支護長度100m，使用彈簧扣可調式硬連接防倒，防倒安設高度為單體柱2/3 處，使用彈簧扣式防墜，防倒防墜齊全有效。靠煤柱側幫和工作面幫各支一排木垛，木垛規格為：2.0m×1.5m，方木規格為：2000mm×150mm×150mm 和1500mm×150mm×150mm，其中2m長方木順巷道方向支設，1.5m 方木與巷道垂直方向支設，支護距離都大于100m，可把兩排木垛布設為三花交錯式，相鄰兩木垛間距設為5.0m，排距設置為3.1m，兩木垛間隙為3.0m，間隙內按要求支設4排單體柱，隨著工作面的不斷推進，逐步向前倒支木垛[2]。

3.2.3 工作面端頭、安全出口的頂板管理

（1）頭端頭采用一組端頭支架（兩架）和2#過渡支架配合一梁一柱柱塞懸浮式單體液壓支柱帶1.2m長的“π”型梁維護頂板。并布設高度比1m 高，寬度比0.8m寬的行人過橋在前后溜之間。當工作面端頭支架至煤柱幫二者間的距離大于0.8m時，架設1排單體支柱，且每增加一個0.6m布設1排單體柱，單體柱柱距1.0m，單體柱支設長度從關門柱至頭超前支護。

（2）尾端頭采用過渡支架配合一梁一柱柱塞懸浮式單體液壓支柱帶1.2m 長的“π”型梁維護頂板。尾安全出口高度不得低于1.8m，寬度不得小于0.8m。當工作面142#液壓支架至煤柱幫的距離大于0.8m時，布設1排單體支柱，增加一個0.6m布設1排單體柱，單體柱柱距1.0m，單體柱支設長度從關門柱至尾超前支護。

3.2.4 架、回梁工藝

（1）架超前支護的“π”型梁時，執行“先支中間后支兩邊，先將梁放在凳子上再將梁放在單體柱上”，至少六人配合架梁，一人扶單體柱，兩人扶凳子，兩人放“π”型梁，一人操作液槍。先將“π”型梁放在凳子上，放好后，用鉛絲雙股把“π”型梁與頂板支護固定在一起，再操作液槍緩慢升中間的單體柱，待單體柱接實頂板后，用卡子將單體與“π”型梁固定，再操作液槍支兩側的單體柱，待兩側單體柱也接頂后，人員撤到5m以外安全地點，操作液槍人員進行遠方操作將柱升緊升牢，達到初撐力。支柱時，嚴禁將單體柱快速升起，以防支柱滑倒傷人。

（2）回超前支護的“π”型梁時，先回撤兩端的單體柱：先拆除單體柱頭的卡子，人員站在有單體支護的位置用長柄回柱鉤一端插入支柱的三用閥，操作回柱鉤緩慢泄液，待柱降下后，一人扶柱，一人拆除聯接裝置，人工將單體柱抬到5m 以外的安全地點。再回中間的單體柱：先拆除單體柱頭的卡子，人員站在5m 以外的安全地點，遠方操作回柱鉤緩慢降柱，令單體柱自行倒地，如單體柱和“π”型梁不能自行倒地，需人工進行回倒單體柱時，人員要選擇5m 以外安全的地點，遠方操作用長柄工具將單體柱推倒，人工將單體柱回出，如“π”型梁不能隨單體下落，人員要站在凳子上，兩人扶凳子，兩人將“π”型梁放在凳子上，放好后，兩人喊好口號，同時將“π”型梁扔到地上，人工將“π”型梁運出超前支護以外。如頂板破碎，先支臨時支護再進行回撤。

（3）回撤順序：由里向外逐架回撤。

3.2.5 支、回木垛工藝

（1）支設木垛時，方木與方木成井字型碼放，支設時保證層層穩固、對齊，底板不平處及木垛接頂處用半圓木及木楔剎緊、背實，保證木垛接頂牢固、有效。支設木垛時至少有三人配合作業，一人負責觀察頂幫情況，一人遞料，一人支設。且當支設木垛高于2m時，搭架子，架子要做到牢固可靠，并有專人扶。

（2）當前溜尾推進至距工作面側木垛0.8m 尾斜切進刀時由作業人員對木垛進行回撤；當前溜尾推進至與煤柱側木垛靠巷口方向邊平齊時由作業人員對木垛進行回撤。

3.3 采空區處理

8107 工作面頂板的垮落性較好，采用自然垮落法處理采空區頂板。

根據礦井前幾個放頂煤工作面回采經驗，工作面回采過程中除兩端頭懸板外工作面頂板能夠隨采隨垮。在采煤作業中，若遇到兩端頭古塘及工作面局部懸板大于10m2的情況，或遇到垮落高度不是很大的情況時，可通過在支架前提前斷網，退錨，不斷升支架，借助支架升力來讓頂煤破碎，使工作面及兩端頭古塘懸板垮落。如古塘懸板仍不能自行垮落，則優先采用水壓致裂技術或施工密集切頂孔進行放頂，使工作面及兩端頭古塘懸板及時隨采隨垮，嚴禁采取打眼放炮強制放頂[3]。

4 結束語

經綜合應用這些頂板管理措施后，8107 工作面頂板得到了很好的控制，不再出現冒頂、垮落現象，頂板下沉量控制在了安全范圍內，取得了較好應用效果，有效保障了8107工作面的安全生產。