西銘礦42008薄煤層工作面頂板控制技術研究

劉天亮

（西山煤電股份公司西銘礦， 山西 太原 030052）

引言

煤炭資源目前在我國仍占據著較大的比例，是不可或缺的能源之一，如何針對煤炭資源進行安全高效的開采，是廣大科研學者研究的重要課題之一[1]。尤其在工作面開采頂板巖層控制方面尤為重要，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運移規律及控制技術進行研究。

孟秀峰[3]采用水力壓裂方法弱化了工作面堅硬頂板巖層，頂板劇烈活動得到了有效地控制；楊淑華[4]用力學分析了兩種頂板結構，分析了不同情況下的頂板控制技術。現針對亞辰煤業29103放頂煤工作面頂板結構特點進行研究，并采取合理的頂板控制措施，實現工作面的安全開采。

1 工程概況

西銘礦42008工作面位于井下位于西十采區右翼，東鄰西十采區補回風巷，南鄰42010工作面采空區，西部為西十二采區轉運巷，北為實煤區。所采煤層為2號煤，黑色，塊狀，性脆，以亮煤為主，具金屬光澤，基本無夾矸層，煤層厚0.6～1.4 m，平均厚1.0 m，傾角為2°～13°，平均為3°，工作面采用走向長壁后退式全部垮落法開采。工作面采高為1.3～1.6 m，平均采高1.4 m，切眼布置在工作面西側，巷道斷面為矩形，毛寬×毛高=6.1 m×2.3 m。工作面頂底板巖性如表1所示。

2 工作面液壓支架支護

2.1 液壓支架的選取

根據相似工作面開采經驗，選用以下型號液壓支架，對42008工作面開采過程中進行頂板控制。采用液壓支架90架，其中，排頭ZZ4000/1.3/2.5型液壓支架4架；中間ZZ4000/1.0/2.1型液壓支架86架。其具體技術參數見表2。

表1 工作面頂底板巖性表

表2 液壓支架技術參數

2.2 液壓支架參數的驗算

2.2.1 工作面礦壓參數

參考42010已回采工作面礦壓觀測資料，對42008工作面礦壓進行預測。具體參數見下頁表3。

2.2.2 合理支護強度驗算

式中：P排頭架為經驗計算的排頭架的支護強度，MPa；h1為切眼處采高，取2.3 m；γ巖為頂板巖石重力密度，取2.5×103kg/m3；k為工作面支架應該支護的上覆巖層厚度與采高之比，取8。將數值代入公式得出：P排頭架≈0.45 MPa。

式中：P中間架為經驗計算的中間架的支護強度，MPa；h2為工作面平均采高，取1.4 m。將數值代入公式得出P中間架≈0.27 MPa。

表3 42008工作面礦壓參數預計

ZZ4000-1.0/2.1型支架的支護強度為0.49 MPa，ZZ4000-1.3/2.5型支架的支護強度為0.54 MPa，均大于工作面上覆巖層所需要的支護強度P，可見支架支護強度能滿足支護要求。

2.2.3 工作阻力驗算

綜采工作面選取的液壓支架額定工作阻力應符合以下條件：

式中：F排頭架、F中間架分別為排頭架、中間架的額定工作阻力，kN；S排頭架、S中間架分別為排頭架、中間架的支護面積，均為最大控頂距×支架寬度=5.73×1.5=8.595 m2；P排頭架、P中間架分別為工作面排頭架、中間架的合理支護強度，分別為0.45 MPa和0.27MPa。

將數值代入公式計算得出：F排頭架=3 867.75 kN，F中間架=2 320.65 kN。

ZZ4000-1.0/2.1型支架和ZZ4000-1.3/2.5型支架的工作阻力均為4 000 kN，可見支架支護強度能滿足支護要求。

2.2.4 工作阻力驗算

綜采工作面底板比壓應符合以下條件：

式中：P排頭架底、P中間架底分別為排頭架底、中間架底對底板巖石的抗壓強度，MPa；G排頭架、G中間架分別為ZZ4000/1.3/2.5型液壓支架、ZZ4000/1.0/2.1型液壓支架的質量，均為 12 t；S排頭架底、S中間架底分別為排頭支架、中間支架的底座面積，均為底座長×底座度=2.228×1.35=3.28 m2。

將數值代入公式計算得出：P排頭架底≈1.22 MPa，P中間架底≈0.75 MPa。

42008工作面底板的可承受的底板容許比壓16MPa，大于42008工作面在合理支護強度下支架對底板的比壓1.22 MPa和0.75 MPa，可見底板比壓滿足要求。

綜上所述可以確定選擇的支架各項參數完全滿足支護強度要求如表4所示。

表4 支架參數對照表

3 工作面單體柱支護

3.1 單體柱型號選取

根據礦壓資料和圍巖支護狀況，對機頭、機尾端頭頂板補強支護。本工作面端頭頂板支護使用DW25-300/100型、DW28-250/100型單體柱。

3.2 單體柱參數驗算

3.2.1 單體液壓支柱實際支撐能力

式中：Rt為支柱實際支撐能力，kN/根；R為單體柱額定工作阻力，kN（DW25-300/100型單體柱工作阻力為300 kN，DW28-250/100型單體柱工作阻力為250 kN，按照250 kN計算）；k為液壓支柱阻力影響系數，k=kgkzkbkhka，采高系數kh=0.9，傾角系數ka=1，增阻系數kz=0.95，工作系數kg=0.99，不均勻系數kb=0.9。將數值代入公式得Rt=190 kN。

3.2.2 工作面機頭、機尾端頭頂板補強支護區域支柱密度

采用下列公式進行計算：

將數值代入公式得：n≈3根/m2。

3.2.3 排距、柱距

工作面機頭、機尾都采用戴帽單體柱支護端頭頂板，密集柱排距600～800 mm，柱距500 mm±50 mm，靠工作面一側的密集支柱之間必須留有寬0.5 m以上的出口，靠采空區側密集柱與切頂線打齊。按照此計算實際支護密度：

式中：n實為實際支護密度，根/m2；n總為實際支柱總數，取4根；S為支護面積，取0.4 m2。將數值代入公式得n實=10根/m2。

綜上所述，n實＞n，所以工作面機頭、機尾端頭頂板支護符合要求。

4 礦壓觀測

西銘礦42008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，為了進一步驗證其合理性，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，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。