整体顶梁组合悬移液压支架放顶煤工艺的应用

闫大利

（西山煤电集团有限责任公司镇城底矿， 山西 古交 030200）

镇城底井田位于山西省太原市西北部西山煤田西北隅，属古交市镇城底镇辖区，距离古交市西北11 km处，井田东西宽5.9 km，南北长约5.6 km，矿区面积约33 km。现主要开采煤层为8号、9号、10号煤层，8号煤层1.70～5.65 m，平均厚度4.02 m，顶板为庙沟灰岩，局部为中砂岩或粗砂岩，底板为泥岩。该煤层结构复杂，常含2-3层夹矸，该煤层在全区是最厚的可采煤层，可采指数为1，变异系数为9.2%，属较稳定型煤层。

鉴于煤层变化的特殊性，采用一次采全高与分层开采工艺较为困难，结合工作面地质情况选用放顶煤开采工艺可大幅提升矿井的回采效率，整体顶梁组合悬移液压支架放顶煤开采工艺是在配型钢梁放顶煤开采技术基础上创新发展而来。

1 工作面概况

22603工作面平均煤厚4.02 m，煤层平均倾角7°，煤层结构为 0.65（0.40）1.04（0.09）1.00（0.15）1.95 m，节理裂隙发育，硬度系数f=1.5～2.0属中硬度煤层。煤层整体呈单斜构造、赋存稳定，水文地质条件简单。

工作面伪顶为厚0～0.3 m炭质泥岩，极易垮落；直接顶为砂质泥岩，平行层理，可以随采随冒；老顶为粉砂岩，半坚硬；直接底为砂质泥岩。顶煤冒放性属三类，适合于放顶煤开采。受风氧化带影响，以正巷与切眼交汇处为圆心，半径50 m以内工作面扇形区域顶板破碎。

1.1 工作面布置

22603工作面采用“U”型方式布置，工作面走向长287 m，倾斜长79 m，平均倾角7°，皮带巷进风、轨道巷回风均为单巷。切眼及顺槽沿煤层底板布置，断面均为矩形，采用锚网索钢带支护，切眼宽4.3 m、高2.5 m、面积 9.83 m2，切眼缺口宽 4.5 m、高 2.3 m、面积 12.5 m2，顺槽宽 3.5 m、高 2.3 m、面积 6.8 m2。

全工作面85架支架，ZH2000/16/24Z中部支架82架、ZH2600/16/24Z端头支架3架（机头），配备MG170/410-WD 采煤机 1台、SGZ-630/160（80）刮板输送机2部。

1.2 支护设计

根据倍数岩重法，计算工作面上覆岩石所需支撑阻力：

式中：P为工作面上覆岩石所需支撑阻力，N；n为不同条件下上覆岩层厚度和采高之比，一般中等稳定以下顶板可取6～8倍，取8倍；M为工作面采高，2.2 m；γ为上覆岩层平均密度，取24.5 kN/m3；b为梁端距，取0.3 m；L为顶梁长度（加前伸梁长），取4.0 m；B为支架中心距，1.0 m；η为支撑效率，一般支撑掩护式支架可取0.7～1.0，取1.0。

根据计算比较，所选用的ZH 1600/16/24ZL型整体顶梁组合悬移液压支架，额定工作阻力2 000 kN＞1 835 kN，满足支护强度要求。

2 整体顶梁组合悬移支架放顶煤工艺应用

2.1 工艺应用

2.1.1 应用情况

1）工艺流程。割煤→伸前伸梁→推前溜→拉后溜→移架（收前伸梁）→放顶煤。

2）工艺应用情况。该工艺在22603工作面试用，2018年6月安装，7月12日正式回采，2018年11月10日收尾完成、工作面封闭；现设备全部搬到22605工作面安装使用。应用以来支架运行状况良好，能适用工作面地质变化。

3）矿压监测分析，通过对22603工作面矿压进行监测分析，支架平均工作阻力1 350 kN，平均支护强度0.53 MPa；初次来压时支架最大工作阻力1 765 kN，达到支架额定工作阻力的78%，最大支护强度0.6 MPa[1]。分析得出，支架可满足较大来压强度，额定工作阻力和支护强度均达到支护技术标准与要求。现场观测顶板初次来压步距为10～12 m，周期来压步距平均为5 m。

2.1.2 效果分析

1）满足工作面安全保障。与单体π梁支护相比：整体顶梁组合悬移支架整体性强，稳定性好；易操作，能快速移架，可实现及时支护，使采煤工艺更加衔接紧凑，极大地提高了工效；护顶面积达95%以上，实现了对顶板的封闭性支护，不容易出现漏顶现象，事故率大大降低，使用以来未发生一次轻伤以上事故；顶煤回收率可达93%以上；空间宽敞，便于作业、行人和运输；机头段3架为专用端头支架，能满足设备安装和有效支护顶板。较分体顶梁悬移支架放顶煤工艺相比，支架横向稳定性好，顶板来压时，有效降低安全事故的发生概率[2,3]。

2）工人劳动强度大大降低。与单体π梁支护相比，减少了单体顶梁反复支设等很多工序和减去了人工回柱、梁等繁重的体力劳动；在同等条件下，可缩短劳动时间3～4 h，降低工人劳动强度45%，尤其是移架、支柱时大大减轻了工人劳动强度和减小了危险系数。

3）作业环境改善了。与单体π梁支护相比，液压系统实现闭路循环，减少了乳化油的消耗，工人不湿衣服，作业环境得到改善。

4）对松软底板工作面适应性强。该支架在坚硬底板工作面使用时，每根立柱下穿鞋；在软底板工作面使用时，支架可两前柱、两后柱各共用一个底盘，增加底盘面积，从而有效解决支架立柱严重钻底现象。若不放顶煤时，支架前后四柱可共用一个底盘，底盘面积更大。

5）经济效益分析。悬移支架放顶煤工艺与单体π梁普采工艺相比，平均单产6.2万t/（月·个），提高了4.37万t/（月·个）；直接工效29.5t/工，提高了22.7t/工；材料费1.5元，降低了11.5元/t；回采率93%，提高了63%，并延长了矿井服务年限。

2.2 注意事项

1）合理规划采区和布置采面。根据镇城底矿地质构造和悬移支架放顶煤工艺要求规划采区巷道，提升回采效率；根据采区规划和煤层倾角合理布置采面，尽量采用仰采方式。一方面可以防止移架和放顶煤过程中采空区矸石大量涌入工作面，同时也可防止采空区侧冒落的顶板矸石冲击支架后柱，另外不易造成顶梁前端空顶。

若只能采用俯采方式，则尾梁必须加装挡矸链，并严禁空顶作业。顶梁前端不可有空顶，必须紧贴煤壁，如不能紧贴时可在移架时前梁下支设单体调整。

2）控制好循环进度和采高。整体顶梁组合悬移支架整体性强，但灵活性较差，为了使支架正常推进和支护有效，就必须严格控制好循环进度和采高。

3）利用好支架的整体性能。加强日常维护，按要求备好相应数量的备品备件，及时更换支架受损部件；若出现倒架、挤架、托梁错开，必须及时处理；确保支架的整体性能和支护效果。

4）过地质构造严格执行专项措施。整体顶梁组合悬移液压支架在工作面内局部坡度较大、顶板出现较大高低错差或者遭遇地质构造时，容易造成局部地段空顶接顶不实现象，或发生支架上窜、挤架、损坏托梁等问题。工作面尽量保证“四直、两平、两间隙、两畅通”的工程质量；回采期间，如遇地质构造或顶板不平时，在割煤后应及时在支架顶梁与顶板间充填木料接顶处理，保证支架接顶严密；顶板破碎，片帮严重时，须在支架上方铺设金属网护顶，防止煤壁侧漏顶和控制顶煤回收。在倾斜回采工作面布置时，顺槽和切眼应根据开采煤层平均倾角选择科学的伪斜角，避免支架与刮板输送机的上窜下滑[4,5]。

5）合理控制顶煤回收。放顶煤时，根据采空区顶板垮落情况，严格控制放煤量。初次垮落完成前，收尾铺网开始，工作面煤壁片帮严重，顶板压力异常增大，以及煤壁区控顶范围内，严禁进行顶煤回收，以使支架上方及后方都有煤体掩盖，确保支架的稳定性。顶煤不易垮落时，需在支架施工预裂爆破眼的位置，进行预裂爆破，保证顶煤回收率。利用挡矸板和加装挡矸链，有效防止老空窜矸，顶煤的混矸率大大降低，相应也改善了煤质。

6）抓好初采初放、收尾等关键环节。初采初放期间、顶板破碎和煤体松软时，要控制煤壁发生侧漏顶现象；易破碎的顶底板要在支架上插梁和铺金属网进行护顶，控制顶煤回收。

3 结语

实践证明，整体顶梁组合悬移液压支架放顶煤开采工艺在镇城底矿22603综放工作面的应用取得良好效果，该工艺有效解决了单体液压支柱式采煤工艺在空顶条件下的安全生产难题，与传统的单体π梁普采工艺相比具有安全系数高、适应性强、开采效率高等优点，同时优化了矿井和工作面的通风、生产和运输系统，在矿井小块段及边角煤开采应用上适用范围广，提升矿井的开采工艺水平，为镇城底矿实现高产高效、提高工作面回采率提供了有力保障。