综采工作面末采期间顶板支护系统优化与应用

张 磊

(西山煤电集团公司 官地矿， 山西 太原 030022)

目前，西山煤电集团所属矿井综采工作面末采扩循环段跨度已普遍超过3.2 m，现有支护手段主要对扩循环通道顶板采取锚杆索网联合支护，忽视了支架顶梁上部煤岩体的支护效果，从后期拆架撤面效果来看，支架上部煤岩体较为破碎，难以自承，撤出一个架后，流渣现象明显，需要加木垛进行临时支护。同时，扩循环段顶板下沉量急剧增大，往往需要拉底作业才能满足出架需要，不仅耗时耗力，也给施工作业带来极大的安全隐患[1-3]. 针对此，必须对现有工作面末采技术中的支护进行优化。根据支架上方直接顶是否发生断裂，建立了“悬臂梁”与“简支梁”两类不同顶板力学模型，基于力学分析结果，提出预紧钢丝绳与预应力锚索网支护技术，对支架上部直接顶支护优化设计，将上部顶板力学状态由“悬臂梁”变为“简支梁”，达到减少拆架通道顶板变形量的目的，并在官地矿33421综采工作面末采工程中进行应用，进行矿压观测，验证其使用效果。

1 末采期间顶板力学模型

当工作面扩循环完成后，根据“砌体梁”理论[4-5]，采场上覆岩层破断后重新组合，形成稳定结构[3-4]. 为方便计算，本文只讨论基本顶断裂在停采线后方这种情况，采场上部基本顶断裂后，随工作面的继续推进，顶板结构见图1. 岩梁B发生折断，进而扭转，由于工作面不再推进，岩梁A不再发生破坏，只是与岩梁B铰接，此时岩梁B通过回转给支架上方直接顶一个力矩M，当支架上部直接顶未断裂时，可将顶板力学模型简化为一头固定，一头铰接的悬臂梁结构，直接顶上部受岩体自身重力，呈均载荷q分布，梁端头受基本的岩梁B的回转作用，见图2. 当支架上部直接顶发生断裂时，可将顶板力学模型简化为悬臂梁，见图3，下面针对两种力学模型分别进行理论计算。

图1 工作面末采扩循环阶段顶板结构图

图2 支架上部直接顶未断裂力学模型图

图3 支架上部直接顶断裂力学模型图

1) 支架上部直接顶断裂时。

根据材料力学计算可知，挠度与转角最大均发生在梁端，使用叠加原理将力学模型分解为均载作用与扭矩作用两个模型，对梁端的扰度与转角分别计算叠加。

对于均载作用q下，最大挠度与转角分别为：

(1)

式中：

q—顶板上部载荷，kN；

E—顶板围岩弹性模量，MPa；

l—顶板长度，m；

I—截面的惯性矩，m4.

对于扭矩M作用下，最大挠度与转角分别为：

(2)

式中：

M—支架上方顶板所受力矩，N·M.

因此，梁端的挠度与转角分别为：

(3)

2) 支架上部直接顶未断裂时。

使用叠加原理将力学模型分解为均载作用与扭矩作用两个模型，根据材料力学计算，对梁端的扰度与转角分别计算叠加。

对于均载作用q下，当x=0.422l时，最大挠度为：

(4)

对于扭矩M作用下，挠度为：

(5)

将x=0.422l带入式(5)，可得：

(6)

因此，梁的最大挠度为：

(7)

通过比较分析可知，“悬臂梁”模型最大挠度要比“简支梁”模型最大挠度大4.0～4.4倍。也就是说，支架顶梁上部直接顶断裂时，直接顶变形剧烈，且变形最大点为支架前梁处。相反，当支架上部直接顶不发生断裂时，直接顶变形较小，且变形最大点为扩循环段中部靠前，即与支架上部破碎煤岩体相距较远，对顶板管理有利。综上，在综采工作面末采过程中，必须加强支架上部直接顶支护强度，确保围岩体稳定。

2 末采期间顶板支护系统优化

现有末采技术，只是在末采过程中铺设金属网，只起到挡矸作用，不能提供主动支护力，且在铺网过程中，频繁升降架，推进度慢，支撑压力对支架上部直接顶反复作用，造成该段直接顶破碎直至断裂，最终上部顶板形成“悬臂梁”模型，失去“支架—围岩”支护体系作用。根据理论分析可知，拆架通道顶板形成“简支梁”模型对顶板管理有利，为此需要采取一定的支护手段，确保支架上部直接顶不发生断裂，形成“简支梁”模型。

提出了一种末采阶段支护系统优化方法，即通过铺设预紧钢丝绳和打设锚索，增加支架上部煤岩体支护强度，同时优化扩循环段锚杆索网布置方式，对末采阶段顶板进行控制，其主要工艺如下：

1) 在综采工作面末采铺网过程中，当金属网进至合适地点后，将直径不小于26 mm的钢丝绳一端固定于综采工作面一侧巷道一个支撑梁或锚索上，将钢丝绳沿支架顶梁前铺设在金属网下并在每架处将两者固定，使钢丝绳位于金属网的下侧对金属网形成托设。

2) 将钢丝绳另一端沿工作面走向铺设并拉紧，每间隔10 m使用2.4 m锚杆进行固定，具体方法为将钢丝绳压在锚片下，锚杆预紧力不得低于60 kN，依次进行，直至将第一根钢丝绳铺设完成，在工作面另一端头将钢丝绳使用绳卡预紧固定在梁或锚索上。

3) 铺设完成第一道钢丝绳后，工作面推进2个循环，沿支架顶梁在各支架侧护板间打设合适长度的锚索进行主动支护，锚索长度根据上部煤岩体进行选择，但必须固定在上部稳定围岩中，锚索间距1.5 m，预紧力不小于120 kN.

4) 打设完预应力锚索支护后，工作面再推进1～2个循环，此时继续铺设钢丝绳，铺设方法同第一道。

5) 扩循环段顶板采用4排锚杆索网联合支护，考虑到锚杆索协同承载作用机理，锚杆间距取1.0 m，锚索间距取1.0～1.5 m，排距均为900 mm，且锚杆索交替支护。

针对工作面顶板围岩稳定性及采高，可制定不同的支护强度，钢丝绳可配合锚杆索网联合支护，但钢丝绳不得少于2道，所打设钢丝绳必须位于支架顶梁上部，且具有一定的预紧力。

3 末采期间顶板支护系统应用

1) 支架上部直接顶支护系统。

官地矿33421综采工作面末采首次使用钢丝绳配合锚索控制支架顶梁顶板，支护示意图见图4，具体施工要求为：在铺网过程中，要求在距支架顶梁端头1.0 m处往后依次铺设2道钢丝绳，间距为3.0 m，直径不小于26 mm，每架前用双股14#铁丝将金属网与钢丝绳相联，在两端头各打一根起吊锚索，使用至少3道卡子将钢丝绳固定在起吊锚索上，工作面每隔7个支架打设一根锚杆将钢丝绳压紧。同时，在支架立柱前500 mm处施工4.2 m长锚索一排，间距1.5 m.

2) 扩循环段锚杆索网联合支护设计。

随工作面推进，待第一道4 m板梁全部落入采空区并被矸石压实后，将支架对齐，开始扩循环，顶板采用锚杆索联合支护配合穿插梁的方式进行支护。

锚杆索布置形式为：第一排在支架顶梁端前300 mm的位置打设锚杆索支护，锚杆索交替布置，间距为1 m，第二排、第三排、第四排支护同第一排，锚杆索位置交叉布置，排距均为0.9 m，锚索规格为d21.6 mm×4 200 mm，锚杆规格为d22 mm×2 400 mm. 顶板破碎段配合穿梁支护，梁选用4.2 m工字钢梁，每架两根，梁的一端顶死煤帮，另一端插入支架不小于0.4 m，间距0.75 m，均匀布置。

图4 33421综采工作面末采支护设计图

通过实施该支护技术，在该面拆架期间，通过矿压观测可知，顶板变形量低于300 mm，符合使用要求，同时不需要在拆架三角煤处加打支护，为安全生产创造良好条件。

4 结 语

1) 基于“砌体梁”理论，以支架上部直接顶是否断裂为判别标准，提出综采工作面末采扩循环期间“悬臂梁”与“简支梁”两类不同顶板力学模型，并进行了力学分析，得出最大挠度及位置，通过分析对比，为综采工作面末采扩循环期间顶板支护提供理论基础。

2) 以“简支梁”模型为基础，提出预紧钢丝绳与预应力锚索网对支架上部直接顶支护优化设计，通过提高对支架上部直接顶的主动支护，提高了扩循环段顶板力学性能及支护强度，为末采期间及拆架撤面期间创造安全生产作业条件，该控制技术在官地矿33421工作面末采期间进行应用，通过矿压观测可知，顶板变形量低于300 mm使用效果良好。