整體頂梁組合懸移支架在“三軟”煤層工作面的應用

王向楠，郭新建，趙源波，任朝飛，任好杰

（國投煤炭鄭州能源開發有限公司，河南 登封 452470）

國投煤炭鄭州能源開發有限公司教學三礦位于登封市徐莊鄉境內，于2000年12月正式投產，礦井原設計生產能力0.45 Mt／a，后經工業局再次復核核定為0.84 Mt／a。該礦主采的二1 煤層受嵩山地質構造影響，產生滑動、推移、擠壓、斷裂等地質作用，形成大量的構造煤，煤質軟，頂底板穩定性極差，屬于典型的“三軟”煤層〔1〕，工作面頂底板管理難度大，片幫問題嚴重。

1 工作面概況

1.1 工作面地質條件

15031工作面設計開采煤層為二1 煤層，通過鉆孔和掘進勘探資料分析可列出該工作面煤層賦存結構（見表1）。綜合來看15031 工作面內煤層賦存較穩定，結構簡單，硬度較軟；直接頂為細粒砂巖，屬于1b亞類不穩定頂板；直接底板主要為泥巖，屬于II類松軟底板，由此可知15031工作面開采煤層屬于“三軟”煤層。

表1 煤層及頂底板賦存結構

1.2 生產技術條件

根據工作面的地質條件決定采用走向長壁后退式布置工作面，使用整體頂梁組合懸移液壓支架配合采煤機進行回采作業，屬于簡易綜采技術的應用。由于部分區域煤層較厚，因此在煤層厚度大于采高時需要進行放頂煤操作，根據懸移支架和采煤機的參數，設定采高為2.3m。根據煤層厚度賦存狀況，以采高2.3m 為界限，分別采用不同的工藝流程：

（1）煤層厚度小于2.3m 區域，打眼、注水→放炮→挖窩→割煤→伸出伸縮梁護頂→同時移前后兩部運輸機→移架→放頂煤→移托梁。

（2）煤層厚度大于2.3m 區域，注水→挖窩→割煤→伸出伸縮梁護頂→同時移前后兩部運輸機→移架→放頂煤→移托梁。

2 懸移支架的適應性分析

根據15031放頂煤工作面的直接頂、直接底分類情況，并結合煤層賦存條件、采高及工作面實際情況等因素，綜合考慮確定15031采煤工作面選用ZH2000／16／24Z型整體頂梁組合懸移液壓支架，通過對支架支護強度、可靠性進行進行計算，對懸移支架的適應性進行分析。

2.1 支護強度分析

支護強度設計從下面三個時間段計算取最大值〔2-3〕。

（1）直接頂初次跨落期間。

合理的支護強度為：

式中：P1為支架支護強度，t／m2；MA為直接頂厚度，取9.86m；YA為直接頂平均容重，取2.56t／m3；LA為直接頂初次垮落步距，取8m；L為控頂距，取4.1m。

（2）老頂初次來壓期間

合理的支護強度：

式中：A 為直接頂作用力，t／m2；L大為最大控頂距，取4.1 m；L小為最小控頂距，取3.3 m；MB為老頂厚度，取12.6 m；YB為老頂容重，取2.56t／m3；Kt為巖重分配系數，受直接頂厚度與采高之比N／h=9.86／2.3=4.29，Kt取4.29；CB為老頂初次來壓步距，取12m。

（3）頂板周期來壓期間

合理的支護強度為：

式中：Cc為老頂周期來壓步距，取9m。

取以上最大值，合理的支護強度應為：

2.2 懸移支架可靠性計算

（1）工作面支護密度G（根／m2）核算：

式中：F為支柱工作阻力，取額定工作阻力（500kN／9.8 N／kg=51t）的85%為43.35t／根；n為支柱工作阻力利用系數，0.90；P為最大支護強度，取38.20t／m2。

實際支護密度為：Gs=4／（4.1×0.96）=1.02根／m2

式中：4為支柱數量；0.96為支架寬度；4.1為支架最大控頂距。

Gs＞G 工作面支護強度可滿足安全生產需要。

（2）懸移支架對工作面煤壁穩定性的控制

懸移支架必須具有來自層面方向推力的抵抗力，提高支架的初撐力是防止頂板發生冒頂事故的有效措施。

式中：P初為支柱初撐力，kN／根；h為工作面平均煤厚度5.4m，頂煤厚度為5.4-2.3=3.1 m；r為煤層密度，取1.38t／m3；α為煤層傾角，取21°；G實為支護密度，取1.02根／m2；f為軟硬巖層之間摩擦系數，取0.5。

則：P初=〔3.1×1.38×（cos21°+sin21°／0.5）〕／1.02=7.14t／m2≈71.4kN

泵站壓力為31.5MPa時，懸移支架支柱初撐力為299 kN／根，可以防止推垮型冒頂事故的發生。

由上述核算可知，ZH2000／16／24Z型整體頂梁組合懸移液壓支架基本能夠滿足15031放頂煤工作面的支護要求，對放頂煤工作面煤壁片幫具有一定的防治作用。

3 懸移支架應用的優點

通過在15031工作面進行懸移支架的應用，該支架對于“三軟”煤層表現出良好的適用性，相較于傳統的單體液壓支柱配π型梁對棚支護具有諸多優點：

3.1 操作簡單，有效降低工人勞動強度

相較于單體液壓支柱配π型梁對棚支護，懸移支架支護方式減少了多道操作程序，操作方式上也采用集中控制方式，操作簡單方便，有效減輕了工人移架的勞動強度，提高了工作面生產效率。

3.2 有效改善工作面環境和安全性

工作面所有懸移支架可通過頂部托梁實現整體性，可有效降低支架傾斜、倒架事故發生的幾率，提高支架的穩定性。支架護頂面積增大，在割煤過后可及時伸出前探梁進行護頂，支架背部設有擋矸板，可有效阻擋采空區矸石竄入工作面，使得工作面的工作環境得到有效改善，安全性得到提高。

3.3 頂煤回收率得到提高

采用懸移支架進行放頂煤操作，通過針對不同頂煤厚度采取不同的放煤方式，設置不同的放煤口，可有效對放頂煤操作進行控制，提高了頂煤回收率，經濟效益顯著增加。

4 懸移支架應用中的不足與改進

懸移支架在15031工作面實際回采應用過程中也體現出一些不足，針對這些應用中顯現出的問題也進行了一些改進。

4.1 存在架間縫隙，影響工作面工作環境

在實際支護過程中，由于架間存在較大的縫隙，當頂板受采動及放煤影響破碎程度較高時會有破碎煤巖體竄入工作面的現象發生，會對工作面環境和工作人員的安全造成一定的影響，針對這種不良現象提出了一種有效的解決辦法，將廢舊皮帶裁剪為適合長寬，在懸移支架頂部單側邊沿進行安裝，這種方法有效解決了架間縫隙過大攛矸的問題。

4.2 煤層硬度較軟，煤壁易片幫

由于15031工作面屬于典型的“三軟”煤層，煤壁片幫問題嚴重，為有效降低煤壁片幫事故發生的幾率，在懸移支架伸縮梁前方設計安裝了帶有護幫板的翻轉梁，在割煤過后伸出前探梁進行護頂的同時，可操作翻轉梁和護幫板對煤壁進行支撐，降低了煤壁的片幫現象。

5 結語

整體頂梁懸移支架在該工作面的成功應用，促進了該礦“三軟”煤層開采的技術進步，并積累了豐富的應用經驗，有效提高了工作面的生產效率和安全性，降低了工人的勞動強度，節約了大量成本，提高了煤炭資源回收率，創造了可觀的社會和經濟效益，對在豫西礦區相同地質條件的礦井中有借鑒推廣使用的意義。