亞辰煤業綜采放頂煤工作面頂板控制技術探討

張 雄

（山西呂梁離石西山亞辰煤業有限公司，山西 離石 033000）

1 工程概況

亞辰煤業有限公司位于山西呂梁離石市，礦井井田面積1.5 km2，可采煤層為8#、9#，根據設計能力0.6 Mt/a。礦井屬于低瓦斯礦井，現生產水平為+710 m水平，29103工作面開采井田東翼9號煤層，北接9號右翼皮帶巷，南與山西煤炭運銷集團錦瑞煤業相鄰，東臨29102工作面采空區（保安煤柱25 m），西與山西樓俊集團泰業煤業相鄰。29103工作面對應上方間隔6.72～10.62 m為8號煤層28103、28104工作面采空區。9號煤層屬穩定可采近水平厚煤層，煤層傾角5°～7°，平均6°，煤厚3.9～4.5 m，平均4.2 m。

29103工作面走向長625 m，傾向長148 m。根據煤層賦存情況，確定采煤機采高跟底為2.2 m，放頂煤高度為2 m，采放比為1∶0.68。工作面采用綜采放頂煤開采工藝，全部垮落法管理頂板。工作面絕對瓦斯涌出量1.45 m3/min，相對瓦斯涌出量為1.25 m3/t。工作面頂底板巖性見表1。

表1 工作面頂底板巖性

2 綜采放頂煤工作面頂板控制技術

2.1 工作面支護

工作面采用ZF5300/17/32支撐掩護式液壓支架支護，共106架，本架操作（機頭1#端頭支架除外），追機移架及時支護頂板，移架滯后采煤機后滾筒3～5個架為準，支架接頂嚴實，初撐力不小于24 MPa。支架技術參數見表2。

表2 ZF5300/17/32型液壓支架技術特征

液壓支架的支護強度校驗［1-2］：

（1）支架支撐高度的確定：

Hmax≥Mmax+0.2

Hmin≤Mmin-(0.2～0.3)

式中：Hmax、Hmin為支架最大、最小高度，m；Mmax、Mmin為工作面最大、最小采高，m。

則：支架最大高度Hmax≥2.5+0.2=2.7 m；支架最小高度Hmin≤2.5-0.3=2.2 m。

確定支架高度Hmax=2.7 m，Hmin=2.2 m，所選液壓支架型號符合需求。

（2）支架支護強度的計算：

P=Kd(g冒+g頂)

式中:P為支架支護強度，MPa；Kd為動載系數，取1.5；g冒為冒落帶自重應力，MPa；g頂為頂煤自重應力，MPa。

g冒=r1h1，

g頂=r2h2

式中：r1為上覆巖層容重，取18 kN/m3；m為工作面采高，m=2.5m；δ為巖石初期碎脹系數，取δ=1.25；r2為頂煤容重，取r2=1.5×9.8=14.7 kN/m3；h2為放頂煤高度，h2=1.9 m。

則：g冒=r1h1=18×10＝180 kN/m2；g頂=r2h2=14.7×1.9＝27.9 kN/m2；P=312 kN/m3=0.32 MPa

取上述計算的最大值，支架支護強度不應小于0.32 MPa。

（3）支架工作阻力計算

液壓支架工作阻力下限應為：

F=PSCBC/K

式中：F為支架工作阻力，kN/架；P為額定支護強度，取440 kN/m2；SC為支架中心距，1.5 m；BC為支架最大控頂距，6.7 m；K為支撐效率，0.75。

代入數據F=4180 kN。則支架工作阻力應不小于4180 kN。選取支架工作阻力為5300 kN。

（4）底板比壓計算

P=R0/S

式中：p為對底板的壓強，MPa；R0為液壓支架在額定壓力時，對底板的壓強，5300 kN；S為液壓支架底座面積，3.9 m2。

代入數據P=1.36 MPa。由于該工作面底板為泥巖，普氏系數為1.66 MPa，即底板所能承受的壓強為P2=1.66 MPa，因P2＞P,故工作面支架不會出現鉆底現象。

2.2 端頭支護

（1）端頭支護：工作面端頭采用ZFG6000/17/32H支撐掩護式放頂煤端頭支架支護，共6架，輔助半圓木、單體進行支護。

（2）機頭、機尾切頂支護：正常支護時，機頭、機尾沿切頂線支設兩排密集支柱配合半圓木作為端頭的切頂支護。切頂線位置為：機頭與轉載機機尾齊，機尾與運輸機機尾齊；半圓木規格：長度3.2 m，直徑180 mm。隅角側切頂支護第一排單體柱距400 mm，往外按排距800 mm打設第二排單體，柱距800 mm。采煤機在機尾機頭返刀拉兩端頭支架前，沿推進方向前800 mm處，以800 mm的柱距打一排單體，拉出支架、移出后溜子后，及時回撤落山側第一排密集支柱，將原第二排柱距800 mm的切頂支柱按柱距400 mm支護成密集支護，隨工作面的推進進行循環支護。

2.3 特殊條件下頂板支護管理

（1）當工作面頂板破碎嚴重時，及時超前帶壓拉架，正確使用伸縮梁；若移架前頂板已冒落，應立即停止生產，用圓木、板梁將頂部勾嚴勾實，配合帶壓拉架。

（2）工作面來壓時確保液壓支架初撐力合格，防止工作面老頂周期來壓和沖擊性壓力損壞支架部件。

（3）工作面停采前兩巷進行補強支護，確定停采前一般30 m范圍不放頂煤，保證停采線內部15 m范圍內兩巷及工作面頂板完整。

3 礦壓觀測

回采過程中，工作面每隔10道液壓支架下安設一組BZY-60型雙針壓力表，對工作面支架的來壓阻力、煤壁片幫情況進行觀測，由綜采隊技術員每天填寫監測參數，并進行分析處理。

圖1 工作面液壓支架工作阻力

通過處理數據，選取具有代表性的工作面第50、100號液壓支架在工作面推進0～200 m的范圍內受力情況進行繪圖。根據礦壓觀測資料及液壓支架工作阻力分析，回采時直接頂初次垮落步距為10～15 m，老頂初次來壓步距為10 m，周期來壓步距為8 m，在工作面回采過程中頂板能夠自行垮落。

在工作面來壓期間，第50、100號液壓支架最大工作阻力分別達到4736 kN、4802 kN，分別占額定工作阻力的89.4%、90.6%，可以得到液壓支架的設計支護能力完全可以滿足29103工作面的安全生產需求，且支架支撐能力得到了較大程度的發揮。

但在工作面推進過程中遇到斷層及頂煤破碎區，由于頂板軟弱，支架穩定性較差。因此在頂煤破碎地段，需要加強支架位態控制，防止支架過大的低頭與抬頭造成端面冒頂，以保證工作面的正常推進。

4 結語

1）針對亞辰煤業29103放頂煤工作面具體地質條件，選用了ZF5300/17/32支撐掩護式液壓支架支護，共106架，并針對支架支護強度及支架工作阻力進行了驗算，均滿足工作面要求。

2）工作面端頭采用ZFG6000/17/32H支撐掩護式放頂煤端頭支架支護，共6架，輔助半圓木、單體進行支護，并制定了機頭機尾切頂支護的詳細工藝。

3）分析了工作面來壓、停采、通過破碎區時的頂板控制技術措施。最后通過現場50、100號支架監測數據，得到直接頂初次垮落步距為10～15 m，老頂初次來壓步距為10 m，周期來壓步距為8 m，回采期間液壓支架工作阻力未超過額定阻力，可以保證工作面的安全回采。