厚煤层综放工作面顶板支护技术研究

张世伟

(同煤集团永煤公司， 山西 大同 037000)

1 前言

随着煤炭开采技术以及开采设备的不断提升，矿井机械化水平显著得以提升。矿井支护对保证矿井生产安全具有重要意义[1]。特别是对于厚煤层开采工作面，合理的选择液压支架对保证顶板稳定，提高煤炭回收率以及矿井经济效益都有显著影响[2]。采用的液压支架工作阻力低时会引起周期来压来压强度大、来压系数高，造成煤壁片帮严重；液压支架工作阻高时，会增加矿井生产投入，采空区后方顶板垮落困难，降低综放开采回收率[3]。

本文以山西某矿开采的5号煤层为研究对象，在对顶板岩性以及组成进行类型划分及评价，并根据工作面开采时的矿压实测结果，对工作面支架支护强度对工作面稳定性影响进行分析，综合确定采用的支护强度，保证工作面生产安全以及经济效益。

2 顶板分析

2.1 顶板结构分析

矿井现正回采5号煤层101203工作面，5号煤层赋存较为稳定，属于全区可采煤层，煤层厚度在6.9～9.2m，平均厚度在7.68m，直接顶多为泥岩、砂质泥岩，部分区域中间夹杂有粗砂岩或者砂砾，厚度1.2～6.9m；基本顶多为中砂岩、粗砂岩，厚度5.3～9.6m。工作面采用综放开采工艺，采放比控制在1∶0.85。根据已经回采完毕的101201、101202以及未采的101205、101207掘进巷道顶板情况，得到不同工作面的顶板岩层结构，具体结构见表1。

表1 不同工作面顶板岩层结构

从表1中可以看出，5号煤层在北部盘区开采期间矿压显现较为明显，在余下的工作面顶板控制过程中，应适当的提升液压支架的支撑阻力，提高围岩的支护强度。

2.2 煤层顶板类型划分

根据矿井地质资料可以得知，5号煤层平均厚度在7.68m，煤炭按照90%回收率进行计算，开采及放煤高度在6.91m。8号煤层直接顶平均厚度在3.2m，则101203采面开采期间的煤层直接顶h与采高M之间的比值Km为

(1)

依据沈阳煤科院提供的5号煤层开采期间的初次来压步距L为53.62m，参考基本顶分级标准[4]，综合判断，5号开采期间的顶板分级为Ⅲ级，属于强烈来压顶板。分级判定标准见表2。

表2 基本顶分级判定标准

3 矿压显现实测分析

3.1 压力监测仪布置

为了有效对工作面推进过程中的矿压显现进行观测，在机头位置处的30号液压支架、中部的53、61～63、67～68支架以及机尾处的120～121号支架，安装压力监测仪，对工作面的上、中、下等部位的矿压显现情况进行监测，具体矿压监测仪布置如图1所示。

图1 工作面液压支架压力监测仪布置

根据101203工作面矿压显现观测结果，对北部盘区开采5号煤层期间的周期来压步距、来压强度(最大强度、最小强度)以及周期性来压显现情况、周期来压分布规律等进行分析，为后续的工作面液压支架选型以及顶板支护强度确定提供参考依据。

3.2 压力监测结果分析

根据在液压支架上布置的压力监测仪载荷变化情况，具体的采面液压支架压力监测情况见表3。得出工作面开采期间的基本顶周期来压步距在10.3～19.2m，平均来压步距在14.6m。在对支架支护强度进行确定时，可以选用19.21m周期来压步距。

根据工作面矿压显现监测结果，液压支架初撑力值分布在20.2～42MPa，平均21.9MPa，占设定的支架初撑力(31.5MPa)69.52%，液压支架的实际初撑力达不到设计要求；支架循环末阻力均值在29.8～39.1MPa,平均值为35.6MPa，比支架额定初撑力高13%；工作面基本顶周期来压时，液压支架的最大工作阻力在45.3～51.5MPa，平均为49.4MPa，占支架额定工作阻力(49.5MPa)99.8%。

从工作面矿压显现监测分析得知，在整个矿压监测期间，循环末阻力均值/初撑力比值分布在1.39～1.83，平均1.62。从工作面生产期间矿压宏观观测结果得出，应适当提高液压支架的初撑力，降低循环末阻力均值，循环末阻力均值/初撑力比值接近1.25，以便更好的对工作面顶板进行管理控制。工作面推进前周期来压系数分布在1.31～1.63，平均1.46，表明工作面周期来压显现较为明显。因此，在对液压支架选型时应适当的提升支架额定工作阻力。

表3 压力监测仪监测结果

3.3 采煤工作面顶板控制效果及支架支撑效果分析

由于5号煤层上方存在厚度较大的砂岩，工作面来压期间，支架无法有效对综放工作面采场顶板岩层进行控制。在31～62号支架间，存在支架仰头情况，约占总支架数量的20%～40%；工作面正常生产期间，支架顶梁接顶效果有所好转，但是仍有11～45号支架存在顶梁接顶效果不佳问题，约占支架总数的10%～35%。

在工作面生产过程中，采煤工作面煤壁出现片帮的距离为53.3～106.5m，片帮高度多集中在2～3m，片帮深度多集中在1.1～1.6m，煤壁片帮距离约占采面总长度的19.8%～40.6%，占比与工作面支架存在仰头占比20%～40%接近。工作面片帮最为严重的区域主要发生在工作面中上部的105.8m范围内，即工作面2/5位置长度处，工作面煤壁出现较为明显的片帮，表明工作面支架的顶板支护效果不明显，控顶效果差，液压支架工作阻力不能得到有效发挥，在一定程度上制约工作面生产效率，影响生产安全。

在工作面矿压监测期间，运输巷存在一定的漏顶情况，根据监测数据，出现漏顶的液压支架约占采面液压支架总数的7%～41%，冒落宽度约1m，冒落高度在2～3m，现采用的液压支架无法较好的胜任5号煤层开采期间的顶板支护工作，顶板管控效果差。

4 工作面合理支护强度确定

4.1 回归计算分析

参考《缓倾斜煤层顶板分类方案》(MT/T 554—1996)中有关支架支护强度计算公式[5]，对工作面液压支架顶支护强度进行计算。

PH=72.3hm+4.5L0+78.9BC-10.2N-62.1

(2)

式中，PH为支架额定支护强度，kPa;hm为采高，m;L0为工作面初次来压步距，m；Bc为工作面支架控顶距，m；N为采空区充填系数。

根据工作面实际情况，取hm为6.91m，L0为53.62m，Bc为5.37m，N为0.58m，将上述参数带入到式(2)中计算得出，PH为1 088.2kPa。

工作面额定工作阻力QS计算公式为

Qs=Ks·PH·BC·L

(3)

式中，Ks为安全系数，取值1.25；L为基本顶周期断裂步距，取值1.75m。

代入相关参数，可以计算求得液压支架额定工作阻力QS为13 062 kN/架，因此可以推断出液压支架对顶板的合理支护强度qe应大于1.39MPa，支架支护顶板时采用13 000kN液压支架是可行的。

4.2 关键层理论分析

根据矿压显现监测结果，工作面开采时的周期来压步距为10.3～19.2m，5号煤层顶板砂岩厚度为20～36m，实测出工作面的周期来压步距平均为14.6m，煤层基本顶厚度为20m，此时的液压支架工作阻力P为[6]：

(4)

式中，L为5号煤层顶岩断裂步距，取值为1.75m；γ为5号煤层直接顶重力密度(25kN/m3)；∑h为5号煤层直接顶厚度，取值为3.8m;hi为5号煤层基本顶厚度，取值为8.9m；γi为5号煤层基本顶重力密度27kN/m3。将上述参数带入到式(4)中，可以得到在关键层理论下的采面液压支架工作阻力P为12 608kN/架。

根据关键层理论计算出的5号煤层综放工作面开采时的液压支架工作阻力为12 608kN/架，由于推测，采用的液压支架合理的支护强度qe应在1.35MPa以上，因此可以选择支护阻力为13 000kN液压支架，确保工作面开采安全，覆岩移动如图2所示。

图2 综放开采时覆岩移动示意图

4.3 矿压观测分析

根据液压支架最大支承阻力监测情况，对确定5号煤层在北部盘区开采时的液压支架额定工作阻力以及支护强度更具针对性。在采面开采推进到中部位置时，在周期来压期间最大支承阻力平均值Pmmax=49.4MPa，合理的液压支架额定工作阻力Pe为

(5)

式中，D为液压支架支柱直径，取值为0.38m。

若根据监测到的支架最大工作阻力51.5MPa计算，则5号煤层开采期间的液压支架支护强度应在1.23MPa。

根据矿压观测结果，5号煤层开采的液压支架的合理支护强度应控制在1.18～1.23MPa。

综上，根据回归计算、关键层理论分析以及矿压实测分析，5号煤层开采时的液压支架支护强度应分别大于1.39MPa、1.35MPa以及1.23MPa。统筹分析以上采面支护强度计算结果，最终确定在5号煤层在北部盘区地质赋存条件下，工作面液压支架的支护强度应控制在1.35MPa以上。

5 结论

(1)回采工作面开采时顶板覆岩岩性、厚度以及断裂步距直接影响到工作面液压支架承载的压力，根据煤层顶板分类标准，综合确定5号煤层顶板为Ⅲ级，属于来压强烈顶板。

(2)根据101203工作面矿压显现监测资料，从液压支架支护阻力、支架顶梁与顶板接触情况、工作面煤壁片帮以及运输巷漏顶等方面对矿压显现进行分析，根据矿压分析结果，建议提升支架的额定工作阻力以及支护强度，强化对采面顶板岩层控制，充分发挥支架性能。

(3)通过理论计算分析、工作面矿压监测分析，综合确定5号煤层在北部盘区地质条件下的液压支架支护强度应在1.35MPa以上。