大倾角高瓦斯“三软”煤层综采工作面端头支护技术研究

2011-10-30张晓飞

中国科技信息 2011年12期

关键词：老顶顶梁端头

张晓飞

安徽省淮北市淮北矿业集团公司杨庄煤矿，淮北安徽 235025

大倾角高瓦斯“三软”煤层综采工作面端头支护技术研究

张晓飞

安徽省淮北市淮北矿业集团公司杨庄煤矿，淮北安徽 235025

本文介绍了采煤工作面端头范围，分析了端头顶板破断规律、矿压显现特征和选择端头支护的原则，通过对8种常见端头支护形式的归纳和比较，结合大倾角高瓦斯“三软”煤层综采工作面端头支护形式的要求和特点，探讨出适应该种生产地质条件的端头混合支护方式，并在实践中取得的良好效果，为类似条件下选择端头支护形式提供参考和依据。

端头支护；破断规律；大倾角；高瓦斯；“三软”煤层

引言

工作面端头是指长壁工作面两端与回采巷道衔接的地段，是顶板控制的薄弱环节[1]，相对于近年来采煤工作面开采速度及产能的大幅度提高，端头支护发展严重滞后[2]，统计表明，工作面端头管理工作占整个工作面劳动量的30%，占工序时间的50%[3]，严重制约着劳动生产效率的进一步提升。端头支护质量不仅影响工作面的单产和工效，而且还存在较为严重的顶板及瓦斯等方面的安全隐患，本文结合淮北矿务局N矿12125工作面生产地质条件，分析研究各种端头支护的优缺点，最终得出适合大倾角高瓦斯“三软”煤层工作面端头的支护方式。

1 工作面概况

12125 工作面标高为-395～-493m，煤层厚度为2.1～3.4m，平均2.7m，直接顶泥岩，厚度1.0m左右，老顶为细砂岩，厚度4.1～7.8m，直接底为泥岩及5-1煤，老底为细砂岩，煤硬度f=0.3～0.5，实属三软煤层，倾角在24°～37°之间，平均31°，经鉴定该工作面煤层为高瓦斯有自燃倾向的煤层，可采储量28.9万吨，服务年限5.2个月，工作面上、下顺槽全部为U型棚支护。

2 端头范围的界定及其顶板破断规律

2.1 端头范围

回采工作面端头区域与上下平巷相连处，并且许多情况下会有一定范围的超前缺口，同时还要考虑端头区域悬顶宽度以及由于两巷预先掘出巷道外侧帮已经松动的范围[4]。那么端头范围S表达式为：

式中：LK——采面控顶宽度，m；

LZ——端头缺口沿走向宽度，m；

LQ——端头缺口沿倾斜长度，m；

LX——悬顶宽度，m；

B——工作面运输巷或回风巷宽度，m：

BK——巷道松动范围，BK=（0.28～0.78）B。

图1 端头范围

2.2 顶板破断规律

工作面端头作业需要比较完整的直接顶条件，而老顶的变形、破断规律直接决定着直接顶的破碎程度。下面通过建立端头处老顶的变形破断的力学模型，并通过该模型分析端头处老顶的破断规律，探究端头支护的难点所在。

端头处老顶变形破断的力学结构可用两邻边固支—弧形斜边的“弧三角形悬板”的矩形薄板模型表示。当悬板悬露长度接近极限跨落步距，自由边与固支边交接的部位弯矩的峰值将持续增大，直至发生破断。随着工作面的持续推进，悬板将发生规律性的破断，悬板的破断最先发生在两端最大弯矩处，并沿着弧形主应力线方向延伸。

“悬板”下的工作空间可以得到该结构的保护，维护条件比中部好。但在不易形成“悬板”结构的端头将得不到保护，维护较困难[1,5]。

2.3 矿压显现特征

回采工作面端头范围内矿压显现不同于采面，这是选择端头支护要注意的问题。

（1）工作面后退式采煤，平巷要经历掘进变形阶段；（2）端头范围受多重支承压力影响；（3）端头范围空顶面积大、顶板完整性差；

（4）煤壁对顶板的三角支承形成较大的悬臂，使端头范围压力增加。

3 端头支护的选择

3.1 原则和依据

（1）围岩稳定性，顶板压力大小及其稳定性；

（2）煤层倾角；

（3）端头顶板的悬露面积；

（4）端头的支护方式、采煤工艺及二者的相互影响；

（5）布置端头设备的方式。

3.2 支护形式及其比较

端头范围内的支护形式一般有以下几种：

（1）四对八根工字钢梁支护。该支护形式灵活、适应性强，架设、移除迅速，当工作面长度因地质等因素（如遭遇到陷落柱）而变化时，可以通过增减支架的数目以适应顶板来压的规律性变化及工作面长度改变；长钢梁的跨度大，为布置机头、机尾提供了较大的无立柱的作业空间，同时有效支护了大范围悬露的顶板；移动支架时，不会出现大范围的支承力同时卸载，使顶板始终处于稳定。顶板来压平稳的情况下，可提供最有效的端头支护。

（2）金属十字顶梁端头支护。与其他形式的端头支护相比，十字顶梁最显著的优点是：支护体系的稳定性好，可以防止老顶来压时推倒支架，使用灵活，通用性强，长短梁都可以接；十字顶梁简单，架设方便、安全；它适用于回采巷道采用锚杆支护或巷道压较大、变形严重的工作面端头。

（3）普通铰接顶梁端头支护。

（4）网状顶梁端头支护。网状顶梁傲为端头支护的效果与十字顶梁支护基本相同，但更具灵活性，其更优良的支护性能将在破碎顶板情况下得以充分展示。

（5）HDJS型金属双楔铰接顶梁端头支护。其具有正反承载的特性，在端头部位可铰接成大跨度的刚性长梁，支护跨度大，为安全生产拓展了作业空间。

（6）卡块(专用)项梁端头支护。该卡块项梁在两梁间形成刚性铰接结构，有效避免了普通铰接梁在铰接处塌陷下弯，确保了支护效果。

（7）端头滑移支架。目前端头滑移支架支护方式仍处于推广的初期阶段。端头若采用滑移支架，既增大有效控顶面积，又体现了端头支护向高度机械化、快速移架方向发展的趋势，具有一定的优越性。

（8）端头液压支架。从现场生产实际情况看，是目前最先进的支护方式之一，符合“技术先进、经济合理”的要求，安装用时少且便于管理，极大节约了支护成本和坑耗。鉴于适用条件限制、初期设备投入高和管理人员的培训耗时等诸多原因，端头液压支架的应用仍较少。

3.3 端头支护方式的确定

（1）条件和要求：①回采巷道采用U型棚支护，故不能采用端头滑移支架及端头液压支架；②所采煤层为高瓦斯煤层，工作面风量大，要求端头有较大的自由空间；③“三软”煤层，端头老顶不易形成“弧三角形悬板”结构，顶板压力较大，要求端头支护具有高强度和高刚度；④所采用的支护形式，满足在使用过程中减少对端头顶板的反复作用，以保持顶板的结构。

（2）确定支护方式。经过对各种端头支护方式的分析比较，结合本工作面具体的条件要求，最终采取的支护方式为：用长度大于3.2m，直径大于0.18m的圆木进行套棚，并用HDJA-1200型铰接顶梁在其下挑三排走向棚支护，棚腿为DZ25～DZ35型单体液压支柱，且一梁一柱，采用笆片、半圆木或板皮将帮、顶背严过实，一个U型棚棚档中间套一棵圆木。机尾用一对7.0m长矿用11#工字钢大棚以“一梁六柱”形式挑跨机尾大棚，且大棚相互交错、迈步式前移，迈步错距为0.8m，根据现场机尾跨度，适当增加大棚数量，确保棚间距不超过0.8m。单体液压支柱，初撑力不小于50kN，工作阻力不小于70kN。

（3）效果：虽然顶底板及帮部变形均在500mm左右，但经卧底后，端部满足使用和通风断面要求，取得较好的效果。