復(fù)合頂板綜放開采支架選型及頂板管理經(jīng)驗(yàn)

杜斌斌，陳上元

(1.山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司大陽煤礦，山西 晉城 048003；

2.中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑學(xué)院深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

復(fù)合頂板綜放開采支架選型及頂板管理經(jīng)驗(yàn)

杜斌斌1，陳上元2

(1.山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司大陽煤礦，山西 晉城 048003；

2.中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑學(xué)院深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

以山西蘭花集團(tuán)大陽煤礦三采區(qū)首個綜放工作面為依據(jù)，通過類比法、經(jīng)驗(yàn)法、理論計算法對3303工作面進(jìn)行支架選型，分析綜放工作面頂板管理的相應(yīng)措施，順利通過初次來壓及X102、X101、X83、陷落柱群，為大陽煤礦其他采區(qū)及鄰近礦井提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。

支架選型；頂板管理；陷落柱群

1 工作面的概況

復(fù)合頂板[1-2]一般是指煤層上部軟、硬巖強(qiáng)度差距較大，兩巖層之間存有結(jié)構(gòu)弱面（如存在煤線及夾層等造成兩巖層之間粘結(jié)性較差），下位巖層在冒落后一般不能充滿采空區(qū)，并在下沉速度上兩巖層之間不同步。3303工作面是山西蘭花集團(tuán)大陽煤礦西翼三采區(qū)的首個回采工作面，采用后退式綜合機(jī)械化放頂煤、全部垮落的采煤方法，所采煤層為3號無煙煤，煤層節(jié)理、裂隙較發(fā)育，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含有夾矸2-3層，硬度f=3，標(biāo)高+670～+690 m，采深300～410 m。3303工作圖煤層頂?shù)装逯鶢顖D，見圖1。本文以大陽煤礦3303工作面為依托，闡述了3303工作面在復(fù)合頂板下綜放開采的支架選型及頂板控制的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

2 3303工作面的支架選型

科學(xué)的頂板管理，要求在工作面在投產(chǎn)之前應(yīng)合理的頂板控制設(shè)計[3]，最大限度地消除各種隱患，防止事故發(fā)生。

1）類比法：表1為大陽煤礦鄰近礦井及四采區(qū)3403工作面所選支架型號、參數(shù)對比數(shù)據(jù)。由表可知：在本煤層條件下ZF7200/17/33型支架能夠滿足支護(hù)頂板要求。

2）經(jīng)驗(yàn)法：煤層開采后會在上覆巖層形成垮落帶、裂隙帶、完全下沉帶三個區(qū)域[4]。為能保證采場安全回采，采場支架的支撐力至少應(yīng)能支撐住上覆巖層垮落帶的厚度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般把8倍的煤層厚度作為采場支架所能支撐的重量。3303工作面煤層厚度5.8 m，采用綜放開采，所采煤層厚2.6 m，因此在回采時支架所承受的頂板壓力：Q=8×采高×巖石重力密度×9.8×工作面長×支架最大控頂距。故有Q=（8×2.6×2.5×9.8×200×5.38）kN=548 330 kN。

3303工作面共安裝134架，6架ZFG8000/ 18.5/33，128架ZF7200/17/33。工作阻力F=（128× 7 200+6×8 000）kN=969 600 kN。可見F＞Q，因此所選支架的工作阻力符合要求。

3）理論分析法：采場頂板的事故，按力學(xué)原因可分為壓垮型、漏冒型、推垮型三大類[3]。壓垮型主要由于垂直于頂板方向的頂板壓力壓壞采場支架而導(dǎo)致的。漏冒型是因頂板破碎而沒有得到有效防護(hù)而導(dǎo)致的。推垮型則是由于平行于層面的力推到支架而導(dǎo)致的。為防止壓垮型事故要求支架的初撐力能夠保證上覆巖層不離層，能支撐住垮落帶巖層的重量，能夠適應(yīng)垮落帶巖層的下沉。

b.支架初撐力防止上覆巖層不離層：支架的初撐力應(yīng)保證上覆灰黑色泥巖與灰色中砂巖不離層，以避免較大沖擊載荷，故支架初撐力：

式中：La為每架支架所控制的工作面長度，1.5 m；γ為頂煤及垮落帶巖層的平均體積力，頂煤取14.4 kN/m3，巖層取25 kN/m3；∑h為頂煤及垮落帶巖層厚度，m；LZ為頂煤及垮落帶懸頂長度，m；cos α為煤層傾角，近水平cos α取1；K為安全系數(shù)，取1.15；η為考慮支架的支撐系數(shù)，取0.88。

c.支架工作阻力應(yīng)能支撐住上覆垮落帶巖層的重量。支架所需的工作阻力：

式中：La為每架支架所控制的工作面長度，1.5 m；γ、γ1、γli為頂煤及垮落帶巖層的平均體積力，頂煤取14.4 kN/m3，巖層取25 kN/m3h；h1、h2、hli、為頂煤及垮落帶巖層厚度，m；LZ1、LZ2、Llki、為頂煤及垮落帶懸頂長度，m；cos α為煤層傾角，近水平cos α取1；K為安全系數(shù)，取1.15。η為考慮支架的支撐系數(shù)，取0.88。由于ZF7200/17/33支架的工作阻力7 200 kN，大于P02=6 680 kN，因此，ZF7200/17/33支架能夠滿足要求。由于本工作面是近水平綜放開采，不再考慮支架的可縮量與支架的防推到。

3 3303工作面的頂板管理

3.1 綜放工作面頂板管理面臨的問題

綜采放頂煤采煤法是在開采厚煤層時，沿煤層的底板或煤層某一厚度范圍內(nèi)的底部布置一個采高為2～3 m的采煤工作面，用綜合機(jī)械化方式進(jìn)行回采，利用礦山壓力的作用或輔以松動爆破等方法，使頂煤破碎成散體后，由支架后方或上方的“放煤窗口”放出，并由刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)出工作面。雖然綜放開采已經(jīng)形成一套完整的理論體系，但仍面臨一系列問題，例如大陽煤礦3303工作面，主要面臨以下問題：

1）冒頂事故：頂煤的冒放性是決定頂煤能否順利放出的主要因素；當(dāng)頂煤強(qiáng)度較低、裂隙較發(fā)育時，在支架與上覆巖層的反復(fù)作用下，頂煤破碎，此時頂煤冒放性較好，但容易在架間、空頂區(qū)域及過地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域發(fā)生冒落事故。3303工作面在掘進(jìn)時共揭露3個斷層，根據(jù)三維地震勘探報告及掘進(jìn)時揭露地質(zhì)資料分析，該工作面共發(fā)育5個陷落柱，對工作面回采時有影響的主要有X102、X101、X83、X98，伴隨X98陷落柱落差4 m的逆斷層，3303工作面影響回采示意圖，見圖2。

2）壓架事故：頂煤較破碎的情況下，上覆巖層容易與頂煤離層或在復(fù)合頂板條件下造成下位巖層與上位巖層離層，支架感受不到上覆巖層的壓力，在上覆巖層突然垮落時，容易對支架造成沖擊，可能發(fā)生壓架事故；并在過陷落柱及斷層時，也可能發(fā)生壓架事故。

3）瓦斯報警事故：綜采放頂煤時容易在工作面上隅角造成瓦斯積聚。當(dāng)工作面兩端頭退錨不充分時，容易造成工作面兩端頭懸頂距離過長；在兩端頭突然垮落時，容易造成瓦斯報警事故。

4）工作面支架初撐力不足：支架初撐力不足是綜采放頂煤的一個特點(diǎn)。液壓管路老化、泵站壓力不足，會造成支架初撐力不足。操作人員的熟練程度等也是一個重要因素。由于支架初撐力不足容易造成工作面煤壁片幫嚴(yán)重、頂煤破碎區(qū)域向煤壁方向前移，容易發(fā)生冒頂事故。

3.23303工作面頂板管理采取的措施

3303工作面沿底板回采，工作面兩端各裝備3架ZFG8000/18.5/33型支撐掩護(hù)式支架，中部安裝128架ZF7200/17/33型支撐掩護(hù)式支架，采用前后雙輸送機(jī)低位放頂煤。為保該工作面安全、高效回采，主要采取以下措施：

1）初次放頂時的安全措施：工作面初采時‘初采領(lǐng)導(dǎo)組’制定了相應(yīng)的安全措施，并隨著工作面自切眼向前推進(jìn)加強(qiáng)礦壓觀測、了解頂板動態(tài)，采取小進(jìn)度多循環(huán)作業(yè)方式，以保煤壁完整性、使其支撐良好。

2）周期來壓期間的安全措施：工作面周期來壓期間加強(qiáng)日常管理、檢查支架接頂是否嚴(yán)實(shí)、前探梁是否及時伸出、護(hù)幫板是否及時打開，確保支架初撐力合格；并要加強(qiáng)兩順槽超前支護(hù)管理，確保單體液壓支柱初撐力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)；嚴(yán)格執(zhí)行退錨制度，確保兩隅角及時垮落。

3）工作面過地質(zhì)構(gòu)造時的安全措施：工作面在過地質(zhì)構(gòu)造時要采用物探、鉆探等提前摸清斷層、陷落柱的特征參數(shù)，并制定安全措施、嚴(yán)格落實(shí)。在煤體破碎時要及時注射瑪麗散加固、加強(qiáng)工作面管理，確保支架初撐力達(dá)標(biāo)，防止發(fā)生冒頂事故。

4 結(jié)論

3303工作面是大陽煤礦首個200 m寬的工作面，通過合理地支架選型及頂板管理，為該工作面的安全、高效、穩(wěn)定開采打下了良好基礎(chǔ)，自2013年10月投產(chǎn)以來累計推進(jìn)650 m，生產(chǎn)原煤99.6萬t，最高月產(chǎn)21.5萬t，取得良好效益。回采中順利通過初次來壓及X102、X101、X83、陷落柱群。3303工作面的成功實(shí)踐，為大陽煤礦其它采區(qū)及鄰近礦井，提供了很好的經(jīng)驗(yàn)。

[1]方伯成.復(fù)合頂板下采煤的頂板控制與實(shí)踐[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2007，35(7)：8-12.

[2]高樹山,康岱昌,田家友.復(fù)合頂板冒頂原因及控制[J].煤炭技術(shù)，2007，26(6)：87-91.

[3]竇林名，陸菜平，牟宗龍，等.采場頂板控制及監(jiān)測技術(shù)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué),2009.

[4]錢鳴高，石平五，許家林.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué),2010.

Support Selection and Roof Management in Fully-mechanized Mining Face with Compound Roof

DU Binbin1,CHENG Shangyuan2
(1.Dayang Mine,Shanxi Lanhua Technology Co.,Ltd.,Jincheng 048003,China;2.State Key Laboratory of Deep Rock Mechanics and Underground Engineering,College of Mechanics and Architectural Engineering,China University of Mining&Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

On the basis of the first fully-mechanized mining face of No.3 mining area in Dayang Mine,analogy method,empirical method and theoretical method are used in the selection of supports and the analysis of the roof management for No.3303 working face.When the first pressure smoothly passing collapse column groups,X102,X101,and X83,the study provides some references for other mining areas in Dayang Mine and adjacent mines.

support selection;roof control;collapse column group

TD385

A

1672-5050（2015）01-0061-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.01.020

（編輯：劉新光）

2014-09-04

杜斌斌（1987-），男，河南新蔡人，碩士，從事生產(chǎn)技術(shù)及管理工作。