煤矿综采工作面顶板支护管理分析

王强

（大同煤矿集团同生精通兴旺煤业有限公司，山西大同037003）

在煤矿生产的过程中，顶板事故属于非常严重的事故。当前通常选用工作面机械化综采技术，当在掘进的过程中，工作面顶板往往会出现如下现象：第一，悬伸；第二，下沉；第三，断裂；第四，塌落等。由于掘进工作的进行，导致岩体结构、应力以及相应的平衡力也发生了变化。假如不能对顶板进行有效地支护，那么将可能导致岩层出现不稳定的现象，从而给井下掘进工作者带来危险。此外，为了能够极大地提高采矿的效率，必须对顶板支护进行严格的管理，从而才可以有效地保护回采巷道的安全性。笔者以某矿8105工作面为例子，对顶板支护管理情况进行研究，为顶板支护提供科学的管理经验。

1 工作面及顶板概况

该工作面选用U型布置，其运输槽长度、回风顺槽长度都设定为1137m，相应的工作面切眼长度设定为135m，煤层厚度可以达到4.8m，容重能够达到1.54t/m3，回收率为90%。通过分析表1可以发现，工作面直接顶组成成分主要是砂岩，其厚度可以达到6.09m，薄层状，页理发育。按照顶板坚硬程度、工作面矿压的影响程度可以将该顶板划归为Ⅱ类中等稳定顶板。由于基本顶是砂质泥岩与细砂岩，其厚度可以达到6.03m，中厚层状，均匀层理，将其划归为属Ⅱ级顶板。

表1 工作面围岩岩性分析

2 工作面支护相关计算

经过调研发现，综采工作面顶板支护大都采用液压支架实施临时支护。为了能够有效地保证煤层不发生顶板下陷，必须对支护参数进行校验。

2.1 矿压参数计算

（1）当将煤采出之后，煤层顶端将出现悬臂的窗台，当煤顶悬露过长，将可能出现垮落的现象。通过分析已经开采工作面的情况来看，直接顶首次出现垮落的步距可以达到30~40m之间，而垮落岩石填充采空岩区高度通常低于煤层采高。假如直接顶垮落之后，当顶悬露一定的时间之后，将会出现周期性断裂的现象，所产生的作用力将会作用在煤壁以及采空区域岩石上。相应的基本顶初次垮落步距在60~80m之间，相应的周期来压步距通常在20~30m范围内，周边工作回采过程中，采场所承受的最大压强达到547kN/m2。

（2）液压支架能够有效地支撑直接顶，当处于周期性来压过程时，基本顶作用力能够直接作用在支架上，通常合力是采高顶板岩石重量的6~8倍，如下公式可以计算采场支架的最大压强：

式中:n——相应的顶板重量系数，取值为8；

r——相应的顶板岩石容重，取r=2500kg/m3；

g——相应的重力加速度，取值为9.8N/kg；

H——相应的工作面采高，取值为3.2m。

采场对支架最大压强:

2.2 液压支架支撑强度校验

通过分析工作面顶板板岩、采高等条件，在工作面设置ZZ12000/23/35型端头支架1架，ZF7600/22/35型中间架86架，ZFG7500/20/35型过渡支架6架，数量共计93架。ZF7600/22/35型液压支架参数介绍如下：选用林州重机集团股份有限公司生产的液压支架。架型选用四柱放顶煤支架，型号选用ZF7600/22/35；支架长度：2200~3500mm；支架宽度：1430~1600mm；支架中心距：1500mm；初撑力：6185kN；支架工作阻力：7600kN；支 架 强 度：1.07~1.14MPa；移 架 步 距：630mm；操纵方式：手动本架控制；立柱：型式、缸径、杆径、行程参数分别为：双伸缩，4根、Ø250/180mm、Ø235/160mm、160mm；推移千斤顶：型式、缸径、杆径、行程参数分别为：倒装，一根、Ø180mm、Ø120mm、700mm；伸缩梁千斤顶：型式、缸径、杆径、行程参数分别为：普通双作用，2根、Ø80mm、Ø60mm、700mm；护帮千斤顶：型式、缸径、杆径、行程参数分别为：普通双作用，1根、Ø80mm、Ø70mm、470mm、247kN；插板千斤顶：型式、缸径、杆径、行程参数分别为：普通双作用，2根、Ø80mm、Ø60mm、600mm、158kN；拉后溜千斤顶：型式、缸径、杆径、行程参数分别为：普通双作用，1根、Ø140mm、Ø85mm、700mm、485kN；顶梁、掩护梁千斤顶：型式、缸径、杆径、行程参数分别为：内进液式，3根、Ø80mm、Ø60mm、170mm、158kN。

（1）支架工作阻力校验。选用如下公式计算顶板对单个支架的最大压力：

式中:P——相应的采场对支架的最大压强，取值为627.2 kN/m2；

A——相应的支架中心距，取值为1.5m；

L1——相应的支架顶梁长，取值为2.9m；

L2——相应的支架前梁长，取值为1.6m。

通过上述计算可以达到，采场顶板作用在单个支架最大压力为4233.6kN，由此可以看出小于液压支架的支护工作阻力，因此满足支架工作的需要。

（2）支架初撑力校验。支架初撑力不能低于0.8F=3 386.9kN。通过分析可以看出，支架的支护初撑力为5236kN，由此该值大于3 386.9kN，因此该支架能够满足支撑需要。

（3）支护强度校验。通过上述计算可以看出，采场对支架所施加的最大压强为0.6272MPa，可是通过分析可以看出支架支护强度为0.74MPa，该数值大于采场对于支架的最大压强，其满足支架支护的需要。由此可以看出，ZF5600/17/35D型液压支架可以满足支护的需要。

2.3 控顶距计算

当采煤工作面不断推进之后，液压支架需要不断前移，悬伸的顶板自行垮落，可以有效地填充采空区。选用如下公式计算ZF5600/17/35D型液压支架的最大以及相应的最小控顶距:

最大控顶距Lmax计算公式:

式中：L3——相应的支架端面距，取值为0.26m；

LD——相应的采煤机的截割深度，取值为0.8m。

因此可以得到最大控顶距为5.56m。

相应的最小控顶距Lmin:

因此，可以得到最小控顶距为4.76m，图1为液压支架空顶距示意图。

图1 液压支架空顶距示意图（单位：mm）

3 工作面液压支架支护质量要求

为了在回采时保证支护的有效性，液压支架支护质量要求如下：

（1）在现场对支架初撑力进行检测时发现，支架立柱柱底设置的机械压力表数值必须大于24MPa，而设置在支架位置的控制器压力表不能低于240bar。

（2）将支架顶梁与顶板设置成为平行，同时接顶严密，这样能够有效地将最大仰角控制在±7°以内。

（3）相结合支架配合较好，间隙控制在200mm以内，不能出现较大的差错。

4 工作面顶板管理

当位于工作面有效地支护基础上，还必须对顶板进行有效地管理，从而可以有效地起到优化顶板支护的效果，进而降低巷道围岩的风险，具体措施如下：

（1）加强对施工的监管力度，在回采时，工作人员必须发挥应有的作用，对产生的各种数据进行监测，加强事故多发点的检测。对检测到支护压力数据进行分析，进而能够有效地预测以及预防安全事故，进而达到科学作业的目的。

（2）对设备以及相应的技术进行更新，主要表现为两个方面：第一，更新与改进老旧的支护设备，避免在工作的过程中存在隐患，此外，将新技术应用到机械设备中，从而能够有效地优化工作面支护质量，最大限度地降低风险；第二，不断进行工艺技术革新，对顶板事故进行分析，有针对性的优化工艺，逐渐改进支护工艺，从而将支护效果达到最佳。

（3）不断健全管理机制，增强安全方面的管理。通常情况下可以构建风险风机管控机制，对顶板管理中存在的问题进行辨识，同时能够定性或者定量地对风险程度进行评估，进而确定风险等级。对于不能直接处理的安全隐患，必须委派专人进行跟踪调查，直至将风险消除为止。

（4）强化教育，注重深入培训，主要从如下两个方面入手：第一，定期对井下工作人员进行制度培训，尤其对顶板支护人员进行培训，在培训的过程中必须设置相应的考核机制，只有达标者才可以上岗，反之将继续参加培训直至合格为止方可上岗。第二，对于设置的工作面作业流程而言，需要在开工之前做好技术交底工作，从而使得从事工作的人员充分了解各个环节的工作流程以及内容，与此同时需要强化顶板安全管理理念，进而可以有效地优化工作面顶板管理能力。

5 结论

笔者以某煤矿8105工作面选用的ZF7600/22/35型液压支架进行分析，对顶板支护问题以及相应的解决办法进行分析，对支护的各个支撑力进行分析发现，满足顶板支护的需要。同时从管理顶板支护入手对支护技术与设备进行更新以及要求各个井下支护工作人员进行技术培训，只有满足要求者方可上岗，这些都大大加强了支护的安全性，从而保证井下作业的安全。