综采工作面超前应力集中区支护优化

宣 鑫

（大同煤矿集团同安煤业有限责任公司，山西 吕梁 035200）

综采工作面在回采期间，受构造应力、回采应力以及上覆岩层重力影响，在工作面前方20m范围内产生集中超前应力区。工作面顺槽超前应力集中区传统采用单体液压支柱进行加强支护，但是对于特殊地质条件或软岩煤层综采工作面的超前集中应力区，采取单体柱支护时，支护数量多，劳动强度大，支护强度低，单体柱顶梁支护断面小，对应力集中区顶板产生剪切破坏，加剧了顶板破坏程度。以8102工作面为例，对工作面超前应力集中区加强支护方式进行了优化，提出了双梁钢棚支护方案。

1 概况

大同煤矿集团晋华宫矿8102工作面位于井田301采区，工作面可采长度为185m，运输顺槽（2102巷）、回风顺槽（5102巷）长度为1700m，工作面采用综放工艺，回采煤层为12-2#煤层，煤层厚度为6.52m。

8102工作面运输、回风顺槽为矩形断面，巷道设计断面规格为宽×高=4.5m×3.3m，巷道原顶板采用锚杆、钢带、锚索等联合支护。工作面回采期间，分别在顺槽超前应力集中区内支设单体液压支柱，采用一柱一梁的支护方式，每排支设三根单体液压支柱配“π”型顶梁支护顶板，顶梁长度为0.5m，支柱间距为1.2m，排距为1.0m。应力区共计支设20排单体柱，随工作面推进前移。

8102工作面回采期间位于回风顺槽侧共计揭露21条断层，平均落差为0.9m，平均倾角为42°。断层破坏了煤岩体连续稳定性，导致工作面回采过程中回风顺槽侧工作面应力集中破坏严重，回风顺槽超前应力区顶板破坏更加严重，局部区域出现漏顶现象，应力集中区顶板最大下沉量0.45m，采用单体支柱支护时由于支护顶梁支护断面小，对顶板无法实现有效保护。单体支柱属于线性支护，在支护过程中支护顶梁对顶板出现条带式切顶破坏，进一步加剧了顶板破碎程度。受顶板超前集中应力作用，单体柱受力不均匀，导致部分支柱出现自卸现象，部分单体柱柱体变形严重。据统计，在前300m工作面回采过程中，回风顺槽超前应力区共计损坏单体柱107根，经济损失达124余万元。

2 超前应力区临时支护优化

为了提高回风顺槽超前应力集中区顶板的稳定性，防止顶板破碎、冒落事故发生，决定对应力集中区原支护方式进行优化，采用双梁钢棚支护代替单体支柱支护。

2.1 双梁钢棚支护组成

双梁钢棚支护主要由棚腿底座、棚腿、横梁、纵梁、U型卡、连接杆等部分组成。

底座规格为长×宽=0.3m×0.3m，主要由厚度为4mm钢板制成，底座与棚腿之间采用螺栓连接。棚腿长度为3.3m，棚腿主要由11#工字钢梁制成，在棚腿顶端焊接一块长度为0.3m、宽度为0.2m的对接钢板，钢板四个角分别焊制一个直径为30mm圆孔，每架钢棚三根棚腿。在棚腿两侧各焊制两个圆环，环间距为1.5m。如图1所示。

横梁长度为0.5m，在横梁一侧中部同样焊接一块对接板，对接板规格与棚腿顶端对接板相同。在横梁两端各焊制两个直径为30mm圆孔，孔间距为0.15m。

纵梁为18#槽钢，纵梁长度为4.5m，每架钢棚采用两根纵梁。U型卡主要由直径为20mm圆钢制成。

2.2 双梁钢棚支护施工

（1）双梁钢棚超前工作面5.0m架设。首先在回风顺槽两帮底板及巷道中部底板处安装棚腿底座，底座安装时必须保证平整，底座与底板接触面积不得低于80%，同一架棚腿三个底座安装后底座水平中心线必须与巷帮垂直，允许偏角≤3°。

（2）底座安装后，依次安装三根棚腿，棚腿安装必须牢固可靠。两帮处棚腿安装后，在巷帮施工两个锚杆将其固定。棚腿安装后，将横梁连接板与棚腿顶端连接板对接，并采用四根12#螺栓将其固定。

（3）棚腿及横梁安装后，在同一架钢棚两根横梁之间安装两根纵梁，纵梁与横梁之间采用U型卡进行固定。

（4）双梁钢棚架设间距为1.5m，待所有钢棚架设完成后，在相邻两架钢棚棚腿之间分别安装两组拉杆进行联锁保护。当工作面回采推进距第一架钢棚间距不足2.0m时，及时拆除钢棚。

（5）当过断层破碎带超前集中应力区顶板出现严重破碎时，钢棚架设完成后，在相邻三架钢棚顶梁之间安装四根“JW”型钢带。钢带长度为3.2m，宽度为0.28m，钢带与巷道走向平行布置。

图1 8102工作面超前应力区双梁钢棚支护示意图

3 应用效果

8102工作面回风顺槽超前应力集中区采用双梁钢棚支护后，通过3个月实际应用效果观察发现，取得了明显成效。

（1）降低了支护成本费用。工作面回采520m，回风顺槽共计架设340架双梁钢棚，回收327架，与传统单体液压支柱相比，双梁钢棚损坏率小，全面可降低支护成本费用87余万元。

（2）降低了劳动作业强度。采用单体液压支护支护顶板时，每班需安排5人进行支设，按每班回采进度为4.0m计算，每班需支设4排单体液压支柱，共计12根，并需回收12个支柱，劳动强度大，支护难度大。而采用双梁钢棚支护后，每班支护安装两架即可，3人即可满足施工要求，大大降低了劳动作业强度及劳动成本费用，缩短支护时间。

（3）提高了顶板稳定性。原单体液压支柱支护时，属于不连续线性支护，当工作面出现周期来压时，超前应力集中区压力显现严重，单体柱无法实现让压作用，导致单体柱液缸负荷加大，支柱失效现象严重。而双梁钢棚顶梁在受压作用下可与顶板同步变形，起到让压作用，防止钢棚支护失效，进一步提高了顶板稳定性。工作面回采期间应力集中区顶板下沉量控制0.15m以下。

（4）避免顶板切顶破坏。原单体柱顶端“π”型顶梁钢性强，受力作用下对顶板煤岩体产生剪切破坏，而双梁钢棚顶梁支护断面大，而且在严重破碎区可通过安装走向钢带加大顶板支护断面，解决了线性支护时切顶破坏等技术难题。