1201综采工作面软岩顶板支护研究及应用

郑 帅 丁天豹

摘要：本文从综采工作面的安全、高效回采出发，以甘肃花草滩煤矿2^#煤1201综采工作面为背景，通过分析该工作面的地质赋存条件，结合矿山压力理论计算压力状况，进行了软岩顶板支护设计，阐述了综采工作面顶板管理的基础技术依据。

关键词：综采；软岩顶板；支护；研究

引言

煤矿生产过程中，工作面顶板事故属于发生率较高的一类事故，根据相关数据，在煤矿所有的事故之中，顶板事故所占的频率40%~50%围之内，且该类事故造成的死亡在总体中的比例处于36%~42%范围之内。所以，切实强化顶板管理，制定科学合理的支护措施，避免顶板事故发生，已经成为摆在理论领域与实务界人士的一个重要问题。所以，笔者根据自己多年来的工作经验，分析了综采1201工作面顶板控制的对策，为确保安全生产提供参考依据。

1 工程概况

1.1 工作面位置和范围

1201工作面位于一采区东翼，主采煤层为煤2层。区域内岩层属于典型的三软煤层结构，顶板压力大、构造变化频繁。该面标高范围为+1590—+1486m，整体为一单斜构造，工作面沿走向煤层走向布置，两巷道坡度为-2—2°，整体为俯采趋势，切眼为17°下山；工作面上部为1101采空区，巷道顶板距上部采空区揭发距为7—8m，局部薄弱区域为5—6m。

1.2煤层顶底板情况

工作面顶板岩性主要以粉砂岩为主，其次为砂质泥岩、中粒砂岩；岩石较完整，普氏硬度系数1~3，属于不坚固岩石，岩体质量属于中等。

表1 煤层顶底板特征表

煤层 顶板 底板 情况	名 称	岩石名称	厚度（m）	岩 性 特 征
	伪顶	炭质泥岩	0.4	该层属于煤2上的伪顶顶板，泥岩较为破碎，层理清晰可见
	直接顶	灰白色中粒砂岩	3.3	该层富含云母，泥质层理清晰可见，含有薄层细砂岩及植物化石。
	伪底	泥岩	1.72	该层泥岩为灰黑色，含植物化石。
	直接底	灰黑色砂岩夹泥岩	11.92	灰黑色砂岩夹泥岩砂岩，参差状端口，含植物化石。

工作面底板岩性以砂质泥岩、粉砂岩为主；岩石中等完整－完整。局部为铝质泥岩底板。普氏硬度系数1.32~3.51，属不坚固岩石，岩体质量属于差-中等。

2 工作面支护设计

2.1 顶板压力计算

根据矿山压力相关理论研究顶板压力相当于采高4-8倍的顶板岩层的重量，本设计在计算中取8倍采高的顶板岩层重量 [1]。

p1=8rh=8×25×2.5=64MPa

式中：

p- 按8倍采高计算的顶板压强，MPa；

r- 上覆岩层平均容重，25kN/m³；

h- 最大采高，h=3.2m。

根据上述计算以及2#煤层其他已采综采工作面的实际生产应用情况，同时考虑花草滩矿现有装备情况，选择 ZF7800/18/35 型液压支架。

2.2 支护强度验算

2.2.1 根据所选设备力学性能验算

P=F/S=7800/8.85 ≈881kN/m²

式中：

P- 支架所能承受的最大压强；

F- 支架额定工作阻力7800kN；

S- 支架支护面积，5.9×1.5 ＝ 8.85m²。

2.2.2 根据邻近工作面实测数据验算

2# 煤层邻近工作面的实测数据显示，液压支架平均工作阻力为 35MPa。

P2=F/S=1406/8.85 ≈158.87kN/m²

式中：

F- 液压支架承受的顶板压力，1406kN；

S- 支架撑顶面积 5.9×1.5 ＝ 8.85m²

因为 P ＞ P1、P2，所以上述计算及验算表明选择ZF7800/18/35 型支撑掩护式液压支架对 2# 煤层的回采支护是合理的。

表2 ZF7800/18/35 型液压支架技术特征表

序号	设备型号：	ZF7800/18/35
1	高度	1800～3500mm
2	中心距	1500mm
3	支护宽度	1430～1600mm
4	液压支架规格	7690*1800*1500mm
5	初撑力	6184kN
6	工作阻力	7800kN
7	支护强度	0.98～1.05MPa
8	底板比压	2.0-2.48MPa
9	采高	1.8～3.5m
10	泵站压力	31.5MPa
11	推移步距	800mm
12	操纵方式	本架
13	重量	25050kg

3 软岩顶板管理

工作面使用ZF7800/18/35型中间液压支架和ZFG7800/20/34型过渡液压支架，在下出口位置安装一套端头液压支架进行支护顶板，采用全部垮落法管理顶板，液压支架（中-中）间距为1.5m，工作面回顺超前支护范围为从煤壁向外50m，运输顺槽由于受到转载机影响超前支护长度为32m，采用单体液压支柱配合HDJB-1200铰接顶梁进行支护，柱距为1.2m；并保证人行道宽度不小于0.8m，高度不小于1.8m，原有的巷道支护均采用锚、网、梁、索联合支护。

3.1回风顺槽超前支护

自煤壁向外扶两排50m超前走向架棚支护(根据现场顶板破碎和顶板压力情况可适当增加)，一梁一柱，采用JHDB-1200铰接顶梁配合DW3.15/250-100X型单体液压支柱扶走向“T”字架棚，走向棚距巷道中心线距离为1.1m。排距为2.2m、柱距为1.2m，在巷中打设一排，长度为15m，下帮一排架棚支护距136架侧护板不大于0.3m间距。

3.2运输顺槽超前支护

自煤壁向外扶两排32m超前走向架棚支护(由于运输顺槽转载机电机、减速箱影响)，一梁一柱，采用JHDB-1200铰接顶梁配合DW3.15/250-100X型单体液压支柱扶走向“T”字架棚。排距为1.4m、柱距为1.2m，下帮一排架棚支护距煤壁0.7m。装载机里端向外至破碎机打设一排走向架棚，架棚长20m，架棚至巷道上帮间距为0.4m。

3.3上、下出口端头支护

下端头采用JHDB-1200铰接顶梁配合DW3.15/250-100X型单体液压支柱扶两排走向“T”字架棚，打2排走向棚加强支护，下帮一排支护距下帮0.7m，从切顶线处向外打设，另一排走向棚距端头液压支架距离不大于0.5m，并保证两走向棚棚距不小于0.8m。上端头使用采用JHDB-1200铰接顶梁配合DW3.15/250-100X型单体液压支柱扶三排走向“T”字架棚，下帮一排架棚距离端头液压支架不大于0.5m，中间一排架棚沿巷道中心线打设，上帮一排架棚距巷道中心线1.2m打设，根据端头顶板情况增加支护密度。

3.4切顶线特殊支护

两顺槽切顶线采用一梁两柱，先支后回。所有架棚支护的钢梁与顶板要接实、接平，可以用背板、半圆木、旧道板等进行衬垫。采用DW3.15/250-100X型单体液压支柱进行支护，其支柱初撑力不低于90kN，当单体液压支柱钻底量大于100mm时，单体液压支柱要穿钢化塑料鞋。

如果两顺槽矿压显现增大，则要在切顶线位置增设特殊支护，在巷道受压较大处加强支护，并另行补充专项安全技术措施。巷道超高地段钢梁不能接实顶板时要用半圆木或道木接实顶板，保证支柱支护高度不超过单体液压支柱活柱行程，单体液压支柱初撑力不低于90kN。

3.5两顺槽隅角管理

工作面上、下隅角采用人工回料，必要时可采用机械配合回料；每班安排专人对上下端头的顶、帮进行超前退锚，超前退锚超前切顶线两排（1.6m），锚索退锚超过煤壁两排。

上、下隅角悬顶面积不得超过10㎡，两顺槽采空区顶板冒落不充分时，悬顶超过5m长时需打设挡风墙；出口退锚时必须将能正常拆卸的锚杆、锚索托盘拆除，不能拆除的要用风镐支失效并把周边的网剪落，以加快顶板的垮落。

3.6底板比压计算：

以DW3.15/250-100X型单体液压支柱为例计算如下：

P₄=R₀/r2π=200×103/0.0552×3.14=21MPa

式中：

R₀- 单体支柱额定压力，200kN

r- 单体支柱底座半径，0.055m

P₄- 额定压力 200kN 时作用于底板的压强。

该工作面底板岩性为节理较为发育的细粒砂岩，普氏系数 f=1.5 故得到底板可承受的压强 P₀=15MPa。由上述计算易知，当单体支柱达到额定压力200kN 时，其作用于底板的压强 P₄>P₀，据此推知单体支柱极有可能出现钻底现象，故在设置单体支柱时给单体支柱穿铁鞋，依据之前的经验，铁鞋规格设置为400×400mm。

3.7 支护监测

工作面安设中煤科工集团重庆研究院有限公司两种矿压监测装置：（1）每 10 个架安设一组KJ90-F16(D)数字自动采集仪；（2）在每架立柱的立控阀上安设一个GPD60型无线压力传感器采测压表。观测内容主要有支架阻力、顶板变化、支架几何参数.(3)两道每隔50m安装一组GUW300W型无线围岩移动传感器和GMY400型矿用锚杆（索）应力传感器，用于监测巷道矿压显现情况。其中支架阻力可直接从压力表上读出，对顶板变化的监测需要记录采高、端面距以及片帮深度。对支架几何参数主要依靠目测进行监查，对超标明显的地方采用工具进行测量并记录。对超前支护质量的监测重点关注单体支柱的初撑力及工作阻力。

图1巷道围岩在线监测

图2 工作面液压支架压力监测PT图

3.8特殊条件下的顶板管理

3.8.1当工作面回采中，过落差小于 1m 的断层或者岩石普氏系数 ƒ ＜ 4 时，可直接用采煤机切割 岩石通过，但采煤机的牵引速度必须放慢，特别是采煤机过断层时，工作面的顶、底板必须保持平缓， 操作中必须避免出现大于 0.2m 的台阶，移送液压支架时，需保

证支架与顶板紧密接实，未接顶的支架必须在顶梁上垫木板、柱帽等材料 。

3.8.2当工作面腰夹石≥ 500mm，采用托腰夹石的方法通过；当工作面腰夹石 <500mm，适当调整采煤高度，保证采煤机能正常割通机头机尾。

3.8.3当通过落差大于 1m 的断层时，或者通过煤层变薄带时，此时需要分析监测数据，判断工作面此时的顶底板强度，根据实际情况制定挑顶或卧底的技术措施通过。施工中需要特别注意的是，应当尽量使工作面顶底板坡度保持平缓。工作面推进至小褶曲带时，根据现场实际情况，用采煤机下切或者留底割顶。

3.8.4工作面初采初放、收尾、过落差大于 1m 的断层或岩石普氏系数 ƒ ＞ 4 需进行放炮时，另行制定安全专项措施。

4 结语

根据工作面软岩构造的实际情况，对顶板岩性分析计算，并结合邻近工作面矿压观测数据，对1201综采工作面所选用的液压支架参数进行验算，确保液压支架的选型合理，较好地解决了工作面推进过程中的漏顶、歪架及推进速度慢等现象。对于工作面特殊地段以及地质构造变化较大区域，采取以上综合性措施后，确保了工作面顶板安全、工作面顺利推进。

参考文献：

［1王海波.综采工作面支架选择与顶板管理 [J]. 山东煤炭科技 ,2014(2):48-49+54.

［2刘刚. 综采工作面的合理支护设计与顶板管理探讨 [J]. 山东煤炭科技 ,2015(6):42-43+46.

［3沙志强.综采面支护设计与顶板管理分析 [J]. 山东煤炭科技 ,2014(1):46-47.

第一作者简介：郑帅（1987.9--），男，身份证号：152724198709012114，内蒙古鄂尔多斯市人，中国矿业大学银川学院采矿工程专业毕业，助理工程师，从事煤炭生产技术管理工作。