复合顶板综放开采支架选型及顶板管理经验

杜斌斌，陈上元

(1.山西兰花科技创业股份有限公司大阳煤矿，山西 晋城 048003；

2.中国矿业大学力学与建筑学院深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083)

复合顶板综放开采支架选型及顶板管理经验

杜斌斌1，陈上元2

(1.山西兰花科技创业股份有限公司大阳煤矿，山西 晋城 048003；

2.中国矿业大学力学与建筑学院深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083)

以山西兰花集团大阳煤矿三采区首个综放工作面为依据，通过类比法、经验法、理论计算法对3303工作面进行支架选型，分析综放工作面顶板管理的相应措施，顺利通过初次来压及X102、X101、X83、陷落柱群，为大阳煤矿其他采区及邻近矿井提供了借鉴经验。

支架选型；顶板管理；陷落柱群

1 工作面的概况

复合顶板[1-2]一般是指煤层上部软、硬岩强度差距较大，两岩层之间存有结构弱面（如存在煤线及夹层等造成两岩层之间粘结性较差），下位岩层在冒落后一般不能充满采空区，并在下沉速度上两岩层之间不同步。3303工作面是山西兰花集团大阳煤矿西翼三采区的首个回采工作面，采用后退式综合机械化放顶煤、全部垮落的采煤方法，所采煤层为3号无烟煤，煤层节理、裂隙较发育，结构复杂，含有夹矸2-3层，硬度f=3，标高+670～+690 m，采深300～410 m。3303工作图煤层顶底板柱状图，见图1。本文以大阳煤矿3303工作面为依托，阐述了3303工作面在复合顶板下综放开采的支架选型及顶板控制的相关经验。

2 3303工作面的支架选型

科学的顶板管理，要求在工作面在投产之前应合理的顶板控制设计[3]，最大限度地消除各种隐患，防止事故发生。

1）类比法：表1为大阳煤矿邻近矿井及四采区3403工作面所选支架型号、参数对比数据。由表可知：在本煤层条件下ZF7200/17/33型支架能够满足支护顶板要求。

2）经验法：煤层开采后会在上覆岩层形成垮落带、裂隙带、完全下沉带三个区域[4]。为能保证采场安全回采，采场支架的支撑力至少应能支撑住上覆岩层垮落带的厚度。根据经验一般把8倍的煤层厚度作为采场支架所能支撑的重量。3303工作面煤层厚度5.8 m，采用综放开采，所采煤层厚2.6 m，因此在回采时支架所承受的顶板压力：Q=8×采高×岩石重力密度×9.8×工作面长×支架最大控顶距。故有Q=（8×2.6×2.5×9.8×200×5.38）kN=548 330 kN。

3303工作面共安装134架，6架ZFG8000/ 18.5/33，128架ZF7200/17/33。工作阻力F=（128× 7 200+6×8 000）kN=969 600 kN。可见F＞Q，因此所选支架的工作阻力符合要求。

3）理论分析法：采场顶板的事故，按力学原因可分为压垮型、漏冒型、推垮型三大类[3]。压垮型主要由于垂直于顶板方向的顶板压力压坏采场支架而导致的。漏冒型是因顶板破碎而没有得到有效防护而导致的。推垮型则是由于平行于层面的力推到支架而导致的。为防止压垮型事故要求支架的初撑力能够保证上覆岩层不离层，能支撑住垮落带岩层的重量，能够适应垮落带岩层的下沉。

b.支架初撑力防止上覆岩层不离层：支架的初撑力应保证上覆灰黑色泥岩与灰色中砂岩不离层，以避免较大冲击载荷，故支架初撑力：

式中：La为每架支架所控制的工作面长度，1.5 m；γ为顶煤及垮落带岩层的平均体积力，顶煤取14.4 kN/m3，岩层取25 kN/m3；∑h为顶煤及垮落带岩层厚度，m；LZ为顶煤及垮落带悬顶长度，m；cos α为煤层倾角，近水平cos α取1；K为安全系数，取1.15；η为考虑支架的支撑系数，取0.88。

c.支架工作阻力应能支撑住上覆垮落带岩层的重量。支架所需的工作阻力：

式中：La为每架支架所控制的工作面长度，1.5 m；γ、γ1、γli为顶煤及垮落带岩层的平均体积力，顶煤取14.4 kN/m3，岩层取25 kN/m3h；h1、h2、hli、为顶煤及垮落带岩层厚度，m；LZ1、LZ2、Llki、为顶煤及垮落带悬顶长度，m；cos α为煤层倾角，近水平cos α取1；K为安全系数，取1.15。η为考虑支架的支撑系数，取0.88。由于ZF7200/17/33支架的工作阻力7 200 kN，大于P02=6 680 kN，因此，ZF7200/17/33支架能够满足要求。由于本工作面是近水平综放开采，不再考虑支架的可缩量与支架的防推到。

3 3303工作面的顶板管理

3.1 综放工作面顶板管理面临的问题

综采放顶煤采煤法是在开采厚煤层时，沿煤层的底板或煤层某一厚度范围内的底部布置一个采高为2～3 m的采煤工作面，用综合机械化方式进行回采，利用矿山压力的作用或辅以松动爆破等方法，使顶煤破碎成散体后，由支架后方或上方的“放煤窗口”放出，并由刮板运输机运出工作面。虽然综放开采已经形成一套完整的理论体系，但仍面临一系列问题，例如大阳煤矿3303工作面，主要面临以下问题：

1）冒顶事故：顶煤的冒放性是决定顶煤能否顺利放出的主要因素；当顶煤强度较低、裂隙较发育时，在支架与上覆岩层的反复作用下，顶煤破碎，此时顶煤冒放性较好，但容易在架间、空顶区域及过地质构造区域发生冒落事故。3303工作面在掘进时共揭露3个断层，根据三维地震勘探报告及掘进时揭露地质资料分析，该工作面共发育5个陷落柱，对工作面回采时有影响的主要有X102、X101、X83、X98，伴随X98陷落柱落差4 m的逆断层，3303工作面影响回采示意图，见图2。

2）压架事故：顶煤较破碎的情况下，上覆岩层容易与顶煤离层或在复合顶板条件下造成下位岩层与上位岩层离层，支架感受不到上覆岩层的压力，在上覆岩层突然垮落时，容易对支架造成冲击，可能发生压架事故；并在过陷落柱及断层时，也可能发生压架事故。

3）瓦斯报警事故：综采放顶煤时容易在工作面上隅角造成瓦斯积聚。当工作面两端头退锚不充分时，容易造成工作面两端头悬顶距离过长；在两端头突然垮落时，容易造成瓦斯报警事故。

4）工作面支架初撑力不足：支架初撑力不足是综采放顶煤的一个特点。液压管路老化、泵站压力不足，会造成支架初撑力不足。操作人员的熟练程度等也是一个重要因素。由于支架初撑力不足容易造成工作面煤壁片帮严重、顶煤破碎区域向煤壁方向前移，容易发生冒顶事故。

3.23303工作面顶板管理采取的措施

3303工作面沿底板回采，工作面两端各装备3架ZFG8000/18.5/33型支撑掩护式支架，中部安装128架ZF7200/17/33型支撑掩护式支架，采用前后双输送机低位放顶煤。为保该工作面安全、高效回采，主要采取以下措施：

1）初次放顶时的安全措施：工作面初采时‘初采领导组’制定了相应的安全措施，并随着工作面自切眼向前推进加强矿压观测、了解顶板动态，采取小进度多循环作业方式，以保煤壁完整性、使其支撑良好。

2）周期来压期间的安全措施：工作面周期来压期间加强日常管理、检查支架接顶是否严实、前探梁是否及时伸出、护帮板是否及时打开，确保支架初撑力合格；并要加强两顺槽超前支护管理，确保单体液压支柱初撑力达到标准；严格执行退锚制度，确保两隅角及时垮落。

3）工作面过地质构造时的安全措施：工作面在过地质构造时要采用物探、钻探等提前摸清断层、陷落柱的特征参数，并制定安全措施、严格落实。在煤体破碎时要及时注射玛丽散加固、加强工作面管理，确保支架初撑力达标，防止发生冒顶事故。

4 结论

3303工作面是大阳煤矿首个200 m宽的工作面，通过合理地支架选型及顶板管理，为该工作面的安全、高效、稳定开采打下了良好基础，自2013年10月投产以来累计推进650 m，生产原煤99.6万t，最高月产21.5万t，取得良好效益。回采中顺利通过初次来压及X102、X101、X83、陷落柱群。3303工作面的成功实践，为大阳煤矿其它采区及邻近矿井，提供了很好的经验。

[1]方伯成.复合顶板下采煤的顶板控制与实践[J].煤炭科学技术，2007，35(7)：8-12.

[2]高树山,康岱昌,田家友.复合顶板冒顶原因及控制[J].煤炭技术，2007，26(6)：87-91.

[3]窦林名，陆菜平，牟宗龙，等.采场顶板控制及监测技术[M].徐州:中国矿业大学,2009.

[4]钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学,2010.

Support Selection and Roof Management in Fully-mechanized Mining Face with Compound Roof

DU Binbin1,CHENG Shangyuan2
(1.Dayang Mine,Shanxi Lanhua Technology Co.,Ltd.,Jincheng 048003,China;2.State Key Laboratory of Deep Rock Mechanics and Underground Engineering,College of Mechanics and Architectural Engineering,China University of Mining&Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

On the basis of the first fully-mechanized mining face of No.3 mining area in Dayang Mine,analogy method,empirical method and theoretical method are used in the selection of supports and the analysis of the roof management for No.3303 working face.When the first pressure smoothly passing collapse column groups,X102,X101,and X83,the study provides some references for other mining areas in Dayang Mine and adjacent mines.

support selection;roof control;collapse column group

TD385

A

1672-5050（2015）01-0061-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.01.020

（编辑：刘新光）

2014-09-04

杜斌斌（1987-），男，河南新蔡人，硕士，从事生产技术及管理工作。