張曉飛
安徽省淮北市淮北礦業(yè)集團公司楊莊煤礦,淮北安徽 235025
大傾角高瓦斯“三軟”煤層綜采工作面端頭支護技術(shù)研究
張曉飛
安徽省淮北市淮北礦業(yè)集團公司楊莊煤礦,淮北安徽 235025
本文介紹了采煤工作面端頭范圍,分析了端頭頂板破斷規(guī)律、礦壓顯現(xiàn)特征和選擇端頭支護的原則,通過對8種常見端頭支護形式的歸納和比較,結(jié)合大傾角高瓦斯“三軟”煤層綜采工作面端頭支護形式的要求和特點,探討出適應該種生產(chǎn)地質(zhì)條件的端頭混合支護方式,并在實踐中取得的良好效果,為類似條件下選擇端頭支護形式提供參考和依據(jù)。
端頭支護;破斷規(guī)律;大傾角;高瓦斯;“三軟”煤層
工作面端頭是指長壁工作面兩端與回采巷道銜接的地段,是頂板控制的薄弱環(huán)節(jié)[1],相對于近年來采煤工作面開采速度及產(chǎn)能的大幅度提高,端頭支護發(fā)展嚴重滯后[2],統(tǒng)計表明,工作面端頭管理工作占整個工作面勞動量的30%,占工序時間的50%[3],嚴重制約著勞動生產(chǎn)效率的進一步提升。端頭支護質(zhì)量不僅影響工作面的單產(chǎn)和工效,而且還存在較為嚴重的頂板及瓦斯等方面的安全隱患,本文結(jié)合淮北礦務局N礦12125工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件,分析研究各種端頭支護的優(yōu)缺點,最終得出適合大傾角高瓦斯“三軟”煤層工作面端頭的支護方式。
12125 工作面標高為-395~-493m,煤層厚度為2.1~3.4m,平均2.7m,直接頂泥巖,厚度1.0m左右,老頂為細砂巖,厚度4.1~7.8m,直接底為泥巖及5-1煤,老底為細砂巖,煤硬度f=0.3~0.5,實屬三軟煤層,傾角在24°~37°之間,平均31°,經(jīng)鑒定該工作面煤層為高瓦斯有自燃傾向的煤層,可采儲量28.9萬噸,服務年限5.2個月,工作面上、下順槽全部為U型棚支護。
2.1 端頭范圍
回采工作面端頭區(qū)域與上下平巷相連處,并且許多情況下會有一定范圍的超前缺口,同時還要考慮端頭區(qū)域懸頂寬度以及由于兩巷預先掘出巷道外側(cè)幫已經(jīng)松動的范圍[4]。那么端頭范圍S表達式為:
式中:LK——采面控頂寬度,m;
LZ——端頭缺口沿走向?qū)挾?,m;
LQ——端頭缺口沿傾斜長度,m;
LX——懸頂寬度,m;
B——工作面運輸巷或回風巷寬度,m:
BK——巷道松動范圍,BK=(0.28~0.78)B。
圖1 端頭范圍
2.2 頂板破斷規(guī)律
工作面端頭作業(yè)需要比較完整的直接頂條件,而老頂?shù)淖冃?、破斷?guī)律直接決定著直接頂?shù)钠扑槌潭取O旅嫱ㄟ^建立端頭處老頂?shù)淖冃纹茢嗟牧W模型,并通過該模型分析端頭處老頂?shù)钠茢嘁?guī)律,探究端頭支護的難點所在。
端頭處老頂變形破斷的力學結(jié)構(gòu)可用兩鄰邊固支—弧形斜邊的“弧三角形懸板”的矩形薄板模型表示。當懸板懸露長度接近極限跨落步距,自由邊與固支邊交接的部位彎矩的峰值將持續(xù)增大,直至發(fā)生破斷。隨著工作面的持續(xù)推進,懸板將發(fā)生規(guī)律性的破斷,懸板的破斷最先發(fā)生在兩端最大彎矩處,并沿著弧形主應力線方向延伸。
“懸板”下的工作空間可以得到該結(jié)構(gòu)的保護,維護條件比中部好。但在不易形成“懸板”結(jié)構(gòu)的端頭將得不到保護,維護較困難[1,5]。
2.3 礦壓顯現(xiàn)特征
回采工作面端頭范圍內(nèi)礦壓顯現(xiàn)不同于采面,這是選擇端頭支護要注意的問題。
(1)工作面后退式采煤,平巷要經(jīng)歷掘進變形階段;(2)端頭范圍受多重支承壓力影響;(3)端頭范圍空頂面積大、頂板完整性差;
(4)煤壁對頂板的三角支承形成較大的懸臂,使端頭范圍壓力增加。
3.1 原則和依據(jù)
(1)圍巖穩(wěn)定性,頂板壓力大小及其穩(wěn)定性;
(2)煤層傾角;
(3)端頭頂板的懸露面積;
(4)端頭的支護方式、采煤工藝及二者的相互影響;
(5)布置端頭設備的方式。
3.2 支護形式及其比較
端頭范圍內(nèi)的支護形式一般有以下幾種:
(1)四對八根工字鋼梁支護。該支護形式靈活、適應性強,架設、移除迅速,當工作面長度因地質(zhì)等因素(如遭遇到陷落柱)而變化時,可以通過增減支架的數(shù)目以適應頂板來壓的規(guī)律性變化及工作面長度改變;長鋼梁的跨度大,為布置機頭、機尾提供了較大的無立柱的作業(yè)空間,同時有效支護了大范圍懸露的頂板;移動支架時,不會出現(xiàn)大范圍的支承力同時卸載,使頂板始終處于穩(wěn)定。頂板來壓平穩(wěn)的情況下,可提供最有效的端頭支護。
(2)金屬十字頂梁端頭支護。與其他形式的端頭支護相比,十字頂梁最顯著的優(yōu)點是:支護體系的穩(wěn)定性好,可以防止老頂來壓時推倒支架,使用靈活,通用性強,長短梁都可以接;十字頂梁簡單,架設方便、安全;它適用于回采巷道采用錨桿支護或巷道壓較大、變形嚴重的工作面端頭。
(3)普通鉸接頂梁端頭支護。
(4)網(wǎng)狀頂梁端頭支護。網(wǎng)狀頂梁傲為端頭支護的效果與十字頂梁支護基本相同,但更具靈活性,其更優(yōu)良的支護性能將在破碎頂板情況下得以充分展示。
(5)HDJS型金屬雙楔鉸接頂梁端頭支護。其具有正反承載的特性,在端頭部位可鉸接成大跨度的剛性長梁,支護跨度大,為安全生產(chǎn)拓展了作業(yè)空間。
(6)卡塊(專用)項梁端頭支護。該卡塊項梁在兩梁間形成剛性鉸接結(jié)構(gòu),有效避免了普通鉸接梁在鉸接處塌陷下彎,確保了支護效果。
(7)端頭滑移支架。目前端頭滑移支架支護方式仍處于推廣的初期階段。端頭若采用滑移支架,既增大有效控頂面積,又體現(xiàn)了端頭支護向高度機械化、快速移架方向發(fā)展的趨勢,具有一定的優(yōu)越性。
(8)端頭液壓支架。從現(xiàn)場生產(chǎn)實際情況看,是目前最先進的支護方式之一,符合“技術(shù)先進、經(jīng)濟合理”的要求,安裝用時少且便于管理,極大節(jié)約了支護成本和坑耗。鑒于適用條件限制、初期設備投入高和管理人員的培訓耗時等諸多原因,端頭液壓支架的應用仍較少。
3.3 端頭支護方式的確定
(1)條件和要求:①回采巷道采用U型棚支護,故不能采用端頭滑移支架及端頭液壓支架;②所采煤層為高瓦斯煤層,工作面風量大,要求端頭有較大的自由空間;③“三軟”煤層,端頭老頂不易形成“弧三角形懸板”結(jié)構(gòu),頂板壓力較大,要求端頭支護具有高強度和高剛度;④所采用的支護形式,滿足在使用過程中減少對端頭頂板的反復作用,以保持頂板的結(jié)構(gòu)。
(2)確定支護方式。經(jīng)過對各種端頭支護方式的分析比較,結(jié)合本工作面具體的條件要求,最終采取的支護方式為:用長度大于3.2m,直徑大于0.18m的圓木進行套棚,并用HDJA-1200型鉸接頂梁在其下挑三排走向棚支護,棚腿為DZ25~DZ35型單體液壓支柱,且一梁一柱,采用笆片、半圓木或板皮將幫、頂背嚴過實,一個U型棚棚檔中間套一棵圓木。機尾用一對7.0m長礦用11#工字鋼大棚以“一梁六柱”形式挑跨機尾大棚,且大棚相互交錯、邁步式前移,邁步錯距為0.8m,根據(jù)現(xiàn)場機尾跨度,適當增加大棚數(shù)量,確保棚間距不超過0.8m。單體液壓支柱,初撐力不小于50kN,工作阻力不小于70kN。
(3)效果:雖然頂?shù)装寮皫筒孔冃尉?00mm左右,但經(jīng)臥底后,端部滿足使用和通風斷面要求,取得較好的效果。
(1)實踐表明,一梁一柱走向棚支護與“一梁六柱”形式挑跨機尾大棚的混合支護,適應該大傾角高瓦斯“三軟”煤層綜采工作面端頭,滿足使用要求。
(2)分析了各種端頭支護形式的特點和適用條件,為在選擇具體的支護形式時,提供參考和依據(jù)。
(3)端頭老頂能否形成“弧三角形懸板”結(jié)構(gòu),對端頭支護效果的影響甚大,對“三軟”煤層,在選擇端頭支護形式時,應該充分考慮在使用過程中,注意保持端頭老頂?shù)摹盎∪切螒野濉苯Y(jié)構(gòu)。
[1]陳炎光,錢鳴高.中國煤礦采場圍巖控制.徐州:中國礦業(yè)大學出版社.1994
[2]張守祥.高產(chǎn)高效工作面端頭支護的研究.煤礦機電.2000(3):7~12
[3]劉昌平.大傾角厚煤層長壁綜放工作面端頭支護技術(shù)實踐.煤炭科學技術(shù).2005,33 (10):23~25
[4]黃慶國.回采工作面端頭支護探析.1998,26(8):45~48
[5]劉長友,曹勝根,方新秋.采場支架圍巖關(guān)系及其監(jiān)測控制.徐州:中國礦業(yè)大學出版社.2003
10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.036
張曉飛 性別:男 出生年月:1974年3月職稱:采礦工程師。