西銘礦48708工作面頂板控制技術研究

周 赟

（山西西山煤電股份公司西銘礦安監處安監隊， 山西 太原 030052）

引言

隨著新能源不斷被發掘，煤炭資源使用占比有所下降，但其仍然是主要動力能源。煤炭資源安全高效的開采方式，是廣大科研學者研究的重要課題之一[1]。尤其是工作面開采頂板巖層控制方面，頂板巖層的活動規律嚴重制約著工作面的開采安全[2]，因此，需對工作面開采時的頂板控制技術進行研究。

陳蘇社[3]采用深孔爆破放頂技術有效控制了頂板來壓異常并制定了一系列頂板控制措施；高登云[4]針對7 m高的大采高工作面頂板管理難度大等問題，采用預注馬麗散加固煤體，提高支架支護性能等措施有效控制了頂板來壓問題，實現了工作面的安全開采。現針對西銘礦48708工作面進行頂板控制技術研究。

1 工程概況

1.1 工作面概況

西銘礦隸屬于西山煤電集團，位于山西省太原市萬柏林區，現開采48708工作面，位于北七采區右翼，西為48706工作面（正在掘進巷道），東為48710工作面（正回采），北為實煤區，南為北七右翼集中巷，工作面走向長1 068 m，傾向長224 m。該面上覆2號煤為西銘礦西七、西九盤區工作面所采，2號煤與8號煤層間距90 m。3號煤與8號煤層間距71 m。

工作面所采煤層為8號煤層，煤層上部夾石為平均厚度為2.18 m的頁巖，上分層厚度為0.62 m，下分層厚度為3.03 m，上部直接頂為2.81 m的石灰巖，灰色，致密堅硬，老頂為8.8 m厚的石灰巖；直接底為3.42 m厚的細砂巖，老底為5.02 m的細砂巖。

1.2 采煤方法及工藝

48708工作面采用走向后退式垮落法綜采工作面，采高平均為3.03 m。由于工作面兩巷及切眼均沿8號煤層頂板掘進，回采推進過程中，老頂初次跨落后，逐步鉆入8號煤夾石層，工作面內距兩端頭各15個支架為挑頂過渡段，過渡段必須保持平緩，中間部分則托8號煤夾石層回采。循環進度0.8 m。

2 工作面液壓支架的支護

2.1 液壓支架選取

根據相似工作面開采經驗及現有設備情況，選取工作面液壓支架為ZY8000/25/50型液壓支架，其具體技術參數見表1。

表1 ZY8000/25/50型支撐掩護式液壓支架的參數

2.2 液壓支架參數驗算

2.2.1 支架支護強度

支護強度計算公式為：

式中：P為支護強度，kN/m2；n為增載系數，一般取2；R為直接頂巖石容重，查表取25 kN/m3；∑h為直接頂厚度，m；∑h＝M/（K-1）其中，M為采高，取平均采高3.4 m，K為碎脹系數，取1.25。

將數據代入上式可得P＝680 kN/m2。

2.2.2 工作阻力

支架工作阻力的計算方式為：

式中：b為端面距，取0.34 m；P為支護強度，取680 kN/m2；L為頂梁長度，取4.05 m；B為支架中心距，取1.75 m；n為支架效率，取0.98；Q為液壓支架額定工作阻力，kN。將以上數據代入公式得Q=5 330.71 kN。

ZY8000/25/50型支撐掩護式液壓支架工作阻力8 000 kN＞5 330.71 kN，滿足支護要求。

2.2.3 支架初撐力

根據48708工作面頂板巖層巖性，取工作阻力的80%為支架初撐力：

式中：F為支架所需的工作阻力，取5330.71kN；F'為支架所需初撐力，kN。代入數值計算得F'＝4264.57kN。

由支架額定參數可知，支架初撐力可以滿足要求。

2.2.4 泵站供液壓力驗算

1）理論泵站供液壓力計算。

式中：F'為支架所需初撐力，取4264.57 kN；S'為支架立柱活塞斷面積，取0.090 746 m2；n為支架立柱數量，取2。代入數值計算得P'＝23.5 MPa。

2）實際泵站供液壓力計算。

式中：Pb1為支架所需泵站供液壓力；80%為泵站供液有效壓力（除去管路損失率）。代入數值計算得Pb1=29.37 MPa。泵站供液壓力為31.5 MPa，大于Pb1。通過上式計算，泵站設定供液壓力能夠滿足支架需要。

2.2.5 底板比壓驗算

由于該工作面兩巷沿灰巖頂板掘進，煤底普氏系數為1.5，即底板的抗壓強度為15 MPa，支架對地板比壓最大為3.05 MPa，故工作面支架不會出現鉆底現象，支架選型合理。因此工作面選用ZY8000/25/50型支架共133架，符合要求。

3 工作面皮帶巷、單軌吊巷、切頂端頭的頂板控制

3.1 兩巷超前支護

兩巷超前維護距離必須超過工作面煤壁20 m。兩巷均采用ZTC40000/25/45型超前支護液壓支架4組支護，其主要參數見表2。

3.2 端頭維護

3）底板比壓計算：

1）端頭支護采用液壓支架+戴帽單體點柱聯合支護，柱距為1 m，排距為0.8 m，鐵柱帽采用“π”型鋼梁，長度為0.55 m。

2）端頭落山側采用雙排點柱進行加強支護，柱距為0.5 m，排距為0.8 m；在懸頂面積達到10 m2時，應沿切頂線增打戧棚，單體柱作為棚腿，棚梁采用紅松圓木，直徑需大于0.2 m。

式中：P為單體支柱在額定壓力時對底板的壓強；R0為單體支柱在額定壓力，取250 kN；r為單體支柱底座半徑，取0.06 m。將數值帶入公式可得P為22.1 MPa，由于工作面為留底煤掘進，煤的普氏系數為1.5，因此煤底能承受的壓強為15 MPa，小于單體支柱對底板的壓強，會出現單體支柱鉆底現象。針對此現象，單體柱需設置鐵鞋，規格為400 mm×400 mm。

4 礦壓觀測

本工作面切眼內采用ZY8000/25/50型支撐掩護式液壓支架，每道支架中心距按1.75 m安裝。第一道支架外緣跨皮帶巷中線1 700 mm，第122道支架外緣跨皮帶巷中線1 800 mm，本工作面共安裝122道支架。為進一步驗證本文所選支架及頂板控制措施的合理性，西銘礦48708工作面針對液壓支架設置壓力計監測，記錄液壓支架受力數據并分析可得到圖1所示結果。

圖1 工作面液壓支架工作阻力

工作面采用如上支護方式針對工作面開采后頂板巖層進行支護，針對工作面液壓支架受力進行監測，通過記錄工作面液壓支架受力情況可知，見圖1，45號液壓支架受到的最大工作阻力為5 720 kN，90號液壓支架受到的最大工作阻力為5 800 kN，均小于所選液壓支架的額定阻力8 000 kN。可以保證液壓支架在工作面的安全回采。

5 結論

針對西銘礦48708工作面頂板控制問題，通過工程經驗選定了工作面液壓支架型號為ZY8000/25/50型支撐掩護式液壓支架，每道支架中心距按1.75 m布置，共122道，并對工作面液壓支架實際支護強度、工作阻力和底板比壓進行了驗算；兩巷超前維護距離超過工作面煤壁20 m。兩巷采用ZTC40000/25/45型超前支護液壓支架4組支護；端頭在液壓支架基礎上，加打戴帽單體點柱進行加強支護；最后通過現場支架監測數據，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。