急倾斜薄煤层前探梁支护设计及效果验证

刘 杰

（西山煤电集团公司西铭矿，山西 太原 030052）

引言

据统计表明，我国急倾斜薄煤层的储量相对丰富，主要分布于西南和东北等地区。鉴于急倾斜薄煤层工作面的特点，该煤层的开采以爆破开采方式为主或者放弃开采，从而极大地造成了煤炭资源的浪费，而且在开采中也极易发生安全事故。针对急倾斜薄煤层的难开采、安全性低以及劳动强大等问题，对其开采中前探梁的支护设计，并对工作面设备的稳定性进行评估，对保证生产效率和提高安全性具有重要意义[1]。本文重点针对急倾斜薄煤层综采工作面完成前探梁的巷道支护设计，并对回采工艺和设备稳定性进行评估。具体阐述如下：

1 S16 综采工作面概况

某矿S16 工作面所属煤矿的生产能力为500 万t/年，该矿井采用立井开拓方式进行开采。经探测可知，S16 工作面的煤层倾角较大，属于急倾斜工作面；工作面煤层的厚度范围为1.9～3.1 m，煤层的平均厚度为2.2 m，属于薄煤层。S16 综采工作面顶底板地质条件，如表1 所示。

表1 S16 综采工作面顶底板地质条件

此外，S16 工作面的最大涌水量能够达到50 m3/h。

2 前探梁支护设计

S16 工作面巷道的断面形状为梯形，鉴于该工作面煤层倾角较大且煤层较爆，在掘进过程中采用炮掘进工艺。工作面断面上部宽度为2.5 m，下部宽度为3.2 m，整体高度为2.1 m。为保证掘进过程中安全性，采用前探梁对巷道进行临时支护的同时，为其布置11 号工字钢的金属棚支架对其进行永久支护。其中，金属棚支架指尖的距离为0.6 m；同时，在金属棚顶板采用双层笆片对其进行保护，在金属棚左右两侧采用单层笆片进行保护[2]。本文重点对临时支护的前探梁结构进行设计。

一般的前探梁结构包括有探梁、固定杆和固定套。具体应用方案为：采用两个移动套环将前探梁穿过，对固定杆上的螺帽进行控制，保证前探梁前端与头部和帮部的金属网贴紧。前探梁作为临时支护设备其主要功能是避免片帮事故的发生。

2.1 探梁结构设计

根据S16 工作面巷道的施工条件，确定适用于该工作面探梁的长度为4 m。一般情况下，探梁采用方钢进行加工，对应的尺寸为上部宽度为50 mm、下部宽度为70 mm。为方便加工，在探梁分别焊接一条长度为6 mm 的防坠链，防坠链采用钢筋进行加工。探梁结构的主视图和侧视图如图1 所示。

图1 探梁结构示意图（单位：mm）

2.2 前探梁固定环套结构设计

固定环套的主要功能是对已经固定的前探梁的前后位置进行调整。固定环套的基本结构如图2 所示。

图2 固定环套结构示意图（单位：mm）

如图2 所示，固定环套的形状为正方形，具体采用厚度为8 mm 的钢板制造而成，固定套的宽度为80 mm。为保证固定环套能够稳定固定，在固定环套距离下部边缘10 mm 的位置设计直径为24 mm 的螺纹孔。

2.3 前探梁固定杆的结构设计

固定杆的主要功能为对探梁结构进行固定，在实际支护过程中可以根据工作面顶板和两帮的具体情况合理确定固定杆的长度[3]。一般选用固定杆的长度包括有300 mm、400 mm 和500 mm 三种规格。根据对S16 工作面顶板和两帮情况的勘测，最终确定采用长度为400 m、直径为20 mm 的全螺纹锚杆通过焊接工艺完成对固定杆的加工。为避免固定杆的前后移动，在固定杆一侧焊接一个螺帽，为保证焊接强度，要求焊缝高度不小于10 mm。固定杆的结构如图3 所示。

图3 前探梁固定杆结构示意图

3 前探梁支护安装工艺及应用效果

3.1 前探梁支护安装工艺

在掘进巷道锚网支护工艺实施之前，在工作面两帮悬挂菱形网，而后将前探梁根据施工工艺安装，在安装完成后根据工作面的实际情况通过对环套进行调节，使得前探梁的前端与菱形网接触达到支撑紧的目的，最终达到对防止工作面片帮的目的。前探梁安装后的效果如图4 所示，具体支护施工工艺如下：

图4 前探梁在掘进巷道的安装效果

1）在掘进巷道顶板完成临时支护后，在两帮悬挂金属菱形网，并通过铁丝将两帮和顶板的金属菱形网进行联接；

2）在掘进巷道工作面的迎头后方安装固定杆；

3）将固定环套分别套到固定杆的上方；

4）将前探梁通过固定环套与固定杆实现联接，对通过对固定杆上螺帽进行调节，保证前探梁与煤壁紧靠；将前探梁前端与菱形网进行固定联接，从而达到防止工作面片帮的目的。为保证最终的防片帮效果，要求顶板和两帮菱形网的联接铁丝的间距不小于200 mm。

3.2 前探梁支护效果验证

根据“3.1”中的施工工序将前探梁临时支护结构应用于掘进巷道。实践表明，工作面采用前探梁的临时支护后从根本上解决了工作面两帮片帮事故的问题；尤其对在工作面某些区域帮部能量异常的情况，极大的提升了现场工作人员的安全性。而且，在实际施工过程中发现，前探梁临时支护工艺具有操作简单、施工效率高的优势。

4 结语

综掘工作面生产的安全性在很大程度上受制于工作面的支护效果。在实际生产中，除了采用常规的锚杆+锚索联合支护的永久支护方式外，针对工作面两帮片帮情况严重的问题还需采用类似前探梁的临时支护方式。实践表明，根据工作面的实际情况完成前探梁结构尺寸及参数的设计，并结合规范的施工工艺完成前探梁的安装，可从根本上解决工作面两帮片帮情况，为保证生产率和人员的安全性具有重要意义。同时，前探梁具有施工效率高的特点，可在实际生产中推广应用。