綜采工作面末采期間頂板支護系統(tǒng)優(yōu)化與應用

張 磊

(西山煤電集團公司 官地礦， 山西 太原 030022)

目前，西山煤電集團所屬礦井綜采工作面末采擴循環(huán)段跨度已普遍超過3.2 m，現(xiàn)有支護手段主要對擴循環(huán)通道頂板采取錨桿索網(wǎng)聯(lián)合支護，忽視了支架頂梁上部煤巖體的支護效果，從后期拆架撤面效果來看，支架上部煤巖體較為破碎，難以自承，撤出一個架后，流渣現(xiàn)象明顯，需要加木垛進行臨時支護。同時，擴循環(huán)段頂板下沉量急劇增大，往往需要拉底作業(yè)才能滿足出架需要，不僅耗時耗力，也給施工作業(yè)帶來極大的安全隱患[1-3]. 針對此，必須對現(xiàn)有工作面末采技術中的支護進行優(yōu)化。根據(jù)支架上方直接頂是否發(fā)生斷裂，建立了“懸臂梁”與“簡支梁”兩類不同頂板力學模型，基于力學分析結果，提出預緊鋼絲繩與預應力錨索網(wǎng)支護技術，對支架上部直接頂支護優(yōu)化設計，將上部頂板力學狀態(tài)由“懸臂梁”變?yōu)椤昂喼Я骸保_到減少拆架通道頂板變形量的目的，并在官地礦33421綜采工作面末采工程中進行應用，進行礦壓觀測，驗證其使用效果。

1 末采期間頂板力學模型

當工作面擴循環(huán)完成后，根據(jù)“砌體梁”理論[4-5]，采場上覆巖層破斷后重新組合，形成穩(wěn)定結構[3-4]. 為方便計算，本文只討論基本頂斷裂在停采線后方這種情況，采場上部基本頂斷裂后，隨工作面的繼續(xù)推進，頂板結構見圖1. 巖梁B發(fā)生折斷，進而扭轉，由于工作面不再推進，巖梁A不再發(fā)生破壞，只是與巖梁B鉸接，此時巖梁B通過回轉給支架上方直接頂一個力矩M，當支架上部直接頂未斷裂時，可將頂板力學模型簡化為一頭固定，一頭鉸接的懸臂梁結構，直接頂上部受巖體自身重力，呈均載荷q分布，梁端頭受基本的巖梁B的回轉作用，見圖2. 當支架上部直接頂發(fā)生斷裂時，可將頂板力學模型簡化為懸臂梁，見圖3，下面針對兩種力學模型分別進行理論計算。

圖1 工作面末采擴循環(huán)階段頂板結構圖

圖2 支架上部直接頂未斷裂力學模型圖

圖3 支架上部直接頂斷裂力學模型圖

1) 支架上部直接頂斷裂時。

根據(jù)材料力學計算可知，撓度與轉角最大均發(fā)生在梁端，使用疊加原理將力學模型分解為均載作用與扭矩作用兩個模型，對梁端的擾度與轉角分別計算疊加。

對于均載作用q下，最大撓度與轉角分別為：

(1)

式中：

q—頂板上部載荷，kN；

E—頂板圍巖彈性模量，MPa；

l—頂板長度，m；

I—截面的慣性矩，m4.

對于扭矩M作用下，最大撓度與轉角分別為：

(2)

式中：

M—支架上方頂板所受力矩，N·M.

因此，梁端的撓度與轉角分別為：

(3)

2) 支架上部直接頂未斷裂時。

使用疊加原理將力學模型分解為均載作用與扭矩作用兩個模型，根據(jù)材料力學計算，對梁端的擾度與轉角分別計算疊加。

對于均載作用q下，當x=0.422l時，最大撓度為：

(4)

對于扭矩M作用下，撓度為：

(5)

將x=0.422l帶入式(5)，可得：

(6)

因此，梁的最大撓度為：

(7)

通過比較分析可知，“懸臂梁”模型最大撓度要比“簡支梁”模型最大撓度大4.0～4.4倍。也就是說，支架頂梁上部直接頂斷裂時，直接頂變形劇烈，且變形最大點為支架前梁處。相反，當支架上部直接頂不發(fā)生斷裂時，直接頂變形較小，且變形最大點為擴循環(huán)段中部靠前，即與支架上部破碎煤巖體相距較遠，對頂板管理有利。綜上，在綜采工作面末采過程中，必須加強支架上部直接頂支護強度，確保圍巖體穩(wěn)定。

2 末采期間頂板支護系統(tǒng)優(yōu)化

現(xiàn)有末采技術，只是在末采過程中鋪設金屬網(wǎng)，只起到擋矸作用，不能提供主動支護力，且在鋪網(wǎng)過程中，頻繁升降架，推進度慢，支撐壓力對支架上部直接頂反復作用，造成該段直接頂破碎直至斷裂，最終上部頂板形成“懸臂梁”模型，失去“支架—圍巖”支護體系作用。根據(jù)理論分析可知，拆架通道頂板形成“簡支梁”模型對頂板管理有利，為此需要采取一定的支護手段，確保支架上部直接頂不發(fā)生斷裂，形成“簡支梁”模型。

提出了一種末采階段支護系統(tǒng)優(yōu)化方法，即通過鋪設預緊鋼絲繩和打設錨索，增加支架上部煤巖體支護強度，同時優(yōu)化擴循環(huán)段錨桿索網(wǎng)布置方式，對末采階段頂板進行控制，其主要工藝如下：

1) 在綜采工作面末采鋪網(wǎng)過程中，當金屬網(wǎng)進至合適地點后，將直徑不小于26 mm的鋼絲繩一端固定于綜采工作面一側巷道一個支撐梁或錨索上，將鋼絲繩沿支架頂梁前鋪設在金屬網(wǎng)下并在每架處將兩者固定，使鋼絲繩位于金屬網(wǎng)的下側對金屬網(wǎng)形成托設。

2) 將鋼絲繩另一端沿工作面走向鋪設并拉緊，每間隔10 m使用2.4 m錨桿進行固定，具體方法為將鋼絲繩壓在錨片下，錨桿預緊力不得低于60 kN，依次進行，直至將第一根鋼絲繩鋪設完成，在工作面另一端頭將鋼絲繩使用繩卡預緊固定在梁或錨索上。

3) 鋪設完成第一道鋼絲繩后，工作面推進2個循環(huán)，沿支架頂梁在各支架側護板間打設合適長度的錨索進行主動支護，錨索長度根據(jù)上部煤巖體進行選擇，但必須固定在上部穩(wěn)定圍巖中，錨索間距1.5 m，預緊力不小于120 kN.

4) 打設完預應力錨索支護后，工作面再推進1～2個循環(huán)，此時繼續(xù)鋪設鋼絲繩，鋪設方法同第一道。

5) 擴循環(huán)段頂板采用4排錨桿索網(wǎng)聯(lián)合支護，考慮到錨桿索協(xié)同承載作用機理，錨桿間距取1.0 m，錨索間距取1.0～1.5 m，排距均為900 mm，且錨桿索交替支護。

針對工作面頂板圍巖穩(wěn)定性及采高，可制定不同的支護強度，鋼絲繩可配合錨桿索網(wǎng)聯(lián)合支護，但鋼絲繩不得少于2道，所打設鋼絲繩必須位于支架頂梁上部，且具有一定的預緊力。

3 末采期間頂板支護系統(tǒng)應用

1) 支架上部直接頂支護系統(tǒng)。

官地礦33421綜采工作面末采首次使用鋼絲繩配合錨索控制支架頂梁頂板，支護示意圖見圖4，具體施工要求為：在鋪網(wǎng)過程中，要求在距支架頂梁端頭1.0 m處往后依次鋪設2道鋼絲繩，間距為3.0 m，直徑不小于26 mm，每架前用雙股14#鐵絲將金屬網(wǎng)與鋼絲繩相聯(lián)，在兩端頭各打一根起吊錨索，使用至少3道卡子將鋼絲繩固定在起吊錨索上，工作面每隔7個支架打設一根錨桿將鋼絲繩壓緊。同時，在支架立柱前500 mm處施工4.2 m長錨索一排，間距1.5 m.

2) 擴循環(huán)段錨桿索網(wǎng)聯(lián)合支護設計。

隨工作面推進，待第一道4 m板梁全部落入采空區(qū)并被矸石壓實后，將支架對齊，開始擴循環(huán)，頂板采用錨桿索聯(lián)合支護配合穿插梁的方式進行支護。

錨桿索布置形式為：第一排在支架頂梁端前300 mm的位置打設錨桿索支護，錨桿索交替布置，間距為1 m，第二排、第三排、第四排支護同第一排，錨桿索位置交叉布置，排距均為0.9 m，錨索規(guī)格為d21.6 mm×4 200 mm，錨桿規(guī)格為d22 mm×2 400 mm. 頂板破碎段配合穿梁支護，梁選用4.2 m工字鋼梁，每架兩根，梁的一端頂死煤幫，另一端插入支架不小于0.4 m，間距0.75 m，均勻布置。

圖4 33421綜采工作面末采支護設計圖

通過實施該支護技術，在該面拆架期間，通過礦壓觀測可知，頂板變形量低于300 mm，符合使用要求，同時不需要在拆架三角煤處加打支護，為安全生產(chǎn)創(chuàng)造良好條件。

4 結 語

1) 基于“砌體梁”理論，以支架上部直接頂是否斷裂為判別標準，提出綜采工作面末采擴循環(huán)期間“懸臂梁”與“簡支梁”兩類不同頂板力學模型，并進行了力學分析，得出最大撓度及位置，通過分析對比，為綜采工作面末采擴循環(huán)期間頂板支護提供理論基礎。

2) 以“簡支梁”模型為基礎，提出預緊鋼絲繩與預應力錨索網(wǎng)對支架上部直接頂支護優(yōu)化設計，通過提高對支架上部直接頂?shù)闹鲃又ёo，提高了擴循環(huán)段頂板力學性能及支護強度，為末采期間及拆架撤面期間創(chuàng)造安全生產(chǎn)作業(yè)條件，該控制技術在官地礦33421工作面末采期間進行應用，通過礦壓觀測可知，頂板變形量低于300 mm使用效果良好。