綜采工作面端頭受力分析與支護技術(shù)

武 權(quán)

(陽泉煤業(yè)集團 安全監(jiān)察局，山西 陽泉045000)

0 引言

綜采工作面的端頭位置一直是工作面支護的重點，也是容易發(fā)生頂板事故的區(qū)域。端頭位置對于工作面的安全生產(chǎn)十分關(guān)鍵，因此，做好綜采工作面端頭的頂板支護是十分必要。

端頭是平巷與切眼的連接區(qū)域，力學作用機理復雜，頂板暴露面積大，并且隨著工作面的推進，頂板要反復支撐，頂板的完整性容易遭到破壞，易發(fā)生冒落，導致頂板事故。這些都是導致端頭位置頂板支護困難的原因。

本文通過建立了工作面端頭弧形三角塊的力學模型，計算得到了邊y=a和x=a的撓曲線方程，并且分析了工作面端頭的受力特點，介紹了常用的端頭支護形式，實例分析了某礦7257 工作面上下端頭的支護形式。

1 綜采工作面端頭受力模型及特點

1.1 端頭力學計算模型

工作面端頭的頂板后方是懸頂，沒有任何的支撐力，為自由邊。與采空區(qū)相鄰，沿工作面傾向的頂板在工作面直接頂垮落之后處于懸露狀態(tài)，即模型下面為自由端，采空區(qū)上方的頂板也為懸露狀態(tài)，這兩邊為自由邊。在工作面煤壁上方的邊為固定端。另外，由于受到區(qū)段煤柱的作用，模型上側(cè)為固定端。因此，建立的力學計算模型為上側(cè)、左側(cè)為固定端，右側(cè)和下側(cè)為自由端的矩形板，如圖1 所示。

圖1 兩邊固支、兩邊自由邊懸板力學計算模型

利用彈性力學的廣義簡支邊板利用疊加原理對圖1 的力學計算模型進行計算分析。邊y=a或x=a的撓曲線方程為:

通過分析上面撓曲線方程可以知道上下端頭頂板的最大彎矩在自由邊和固支邊的交界處，當該處的最大應(yīng)力大于頂板的極限時，頂板發(fā)生破壞，在破壞以后，主應(yīng)力線上就會有新的極限彎矩出現(xiàn)，將所有極限彎矩連接起來就是一條曲線，這條曲線稱為極限彎矩跡線。如圖2 所示。隨著回采工作面的繼續(xù)推進，上下端頭頂板的彎矩會慢慢繼續(xù)增大，在自由邊和固支邊由于是彎矩的最大值，這里首先會發(fā)生破壞，工作面的推進會使得破壞持續(xù)，最終沿著極限彎矩跡線方向發(fā)展成“弧三角塊結(jié)構(gòu)”?！盎∪菈K結(jié)構(gòu)”也會隨著回采工作面的不斷推進發(fā)生周期性垮落，同時也會形成新的“弧三角塊結(jié)構(gòu)”。

圖2 端頭頂板的破斷和弧三角塊結(jié)構(gòu)

在端頭形成弧三角塊結(jié)構(gòu)之后，隨著回采工作面的向前推進，弧三角塊結(jié)構(gòu)的尺寸就會不斷增大，到達一定的跨度極限時就會發(fā)生周期性破斷。通過相似模擬試驗得到以下關(guān)于弧三角塊結(jié)構(gòu)的特點和端頭礦壓顯現(xiàn)規(guī)律:當在特定地質(zhì)條件下，這種弧三角塊結(jié)構(gòu)是始終存在的，說明了這種結(jié)構(gòu)的普遍存在，與是否發(fā)生頂板的初次來壓或者周期來壓無關(guān);由于在端頭位置形成了弧三角塊結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以保護下面的空間，穩(wěn)定性明顯好于巷道中部，通過現(xiàn)場實測也發(fā)現(xiàn)了此處的老頂下沉量較小，但是如果對于端頭的支護強度較低，直接頂就會在采動影響下和煤體的失穩(wěn)破壞而發(fā)生破裂，和老頂之間發(fā)生離層，特別是在進行端頭的支護交替作業(yè)時，稍不注意就可能發(fā)生端頭冒頂事故。

1.2 端頭受力特點

工作面端頭是切眼也平巷的連接處，是通風、行人、運料的咽喉之處，對于頂板的支護至關(guān)重要。端頭支護在現(xiàn)場是十分困難的，下面分析造成工作面端頭的礦壓顯現(xiàn)明顯的主要原因。

1)需支護頂板的面積大。端頭是回采工作面和平巷的交點，工作面所有的行人、通風以及運料都必須經(jīng)過端頭，為了使工作面運料方便，端頭處的空間比一般巷道要大，另外，由于綜采工作面的機頭機尾等其他設(shè)備都在端頭處放置，這就需要大量的空間，最終導致端頭處的面積達到了30～40 m2。

2)一般端頭存在支護強度低的問題。在下端頭處，刮板機與運輸平巷的輸送機連接處需要空間，此處就不能設(shè)置單體支柱進行支護，使得下端頭總體的支護密度降低，尤其是在回采工作面前方的超前替換支架，初撐力比較低，并且不能對頂板進行及時支護，這樣就導致頂板下沉加劇，尤其是頂板的下沉速度比平巷的頂板下沉速度高5 倍以上。支護強度不夠直接導致下端頭處的礦壓顯現(xiàn)十分劇烈，頂板更易發(fā)生離層，最終導致冒頂事故的發(fā)生。

3)端頭處所受支承壓力大。根據(jù)礦壓規(guī)律，回采工作面的端頭處正好處在超前支承壓力的峰值區(qū)，并且支承壓力一般是原巖應(yīng)力的1～3 倍，受力情況惡化。當頂板巖石比較堅硬時，隨著回采的進行，端頭會在采空區(qū)上方存在大面積的頂板懸露，這樣增加了這里的應(yīng)力。同時，上端頭正好處在上一回采工作面的固定支承壓力區(qū)，與回采工作面的超前支承壓力形成疊加，頂板受力情況更加惡化，支護困難明顯增加。

2 支護技術(shù)

上下端頭均受到采動影響，并且處在圍巖松動破壞區(qū)之內(nèi)，這就導致了隨著回采推進，端頭的結(jié)構(gòu)處在不斷的變化過程之中，甚至支護形式也會隨著回采的推進，端頭支護形式都會發(fā)生變化。在這么復雜的圍巖條件下加上端頭的重要地位，對于端頭的支護就顯得困難和重要，因此，正確的支護形式對于整個回采工作面的安全生產(chǎn)至關(guān)重要。

對于上下端頭的支護形式比較單一，較為常用的支護形式是采用單體支柱進行支護，在端頭的機頭、機尾處使用4 對8根長梁進行支護。由于超前支承壓力的作用，需要對前方巷道進行加強支護，普遍采用液壓單體支柱和抬棚。雖然這些支護方式在實際生產(chǎn)中取得了較好的效果，但是液壓單體支柱仍然存在一些比較突出的問題:支架的數(shù)量太多，支設(shè)和放頂?shù)墓ぷ髁看螅罅孔鳂I(yè)空間被支護所占據(jù)。另外，單體支柱的側(cè)向穩(wěn)定性差，抗傾倒能力不足，缺乏對圍巖的水平作用力。同時，單體支柱的初撐力較低，對于阻止頂板的離層和運動能力有限，頂板穩(wěn)定性較差。

對于已有的端頭支護技術(shù)存在的問題和現(xiàn)在裝備水平不斷提高的情況下，支護技術(shù)向著綜合治理的方向發(fā)展。例如:改進大斷面巷道的支護方法;對于皮帶機和轉(zhuǎn)載機進行改進;端頭支護使用滑移頂梁、十字頂梁、雙楔鉸接頂梁等形式。近年來出現(xiàn)的支架和錨桿聯(lián)合支護對于控制端頭頂板具有很好的效果，并且具有管理簡單、成本較低、循環(huán)使用、推進速度快等優(yōu)點，也是未來的發(fā)展方向之一。

下面是某礦7257 工作面端頭支護實例(如圖3 所示)。上、下端頭采用過渡支架支護，工作面下端頭使用一對HDJA -3600 型長鉸接頂梁(一梁三柱)交錯邁步前移，其中一根必須與HDJA-1200 型鉸接頂梁鉸接支護，單體液壓支柱支護不得滯后于綜采支架，端頭不得出現(xiàn)空載或卸載的支柱。

圖3 7257 工作面端頭支護示意圖

3 結(jié)語

本文通過建立力學計算模型和分析端頭受力的特點，得到了以下有用結(jié)論:

1)上下端頭頂板的最大彎矩在自由邊和固支邊的交界處，當該處的最大應(yīng)力大于頂板的極限時，頂板發(fā)生破壞，在破壞以后，在主應(yīng)力線上就會有新的極限彎矩出現(xiàn)，形成極限彎矩跡線。

2)弧三角塊結(jié)構(gòu)是始終存在的，與是否發(fā)生頂板的初次來壓或者周期來壓無關(guān);由于在端頭位置形成了弧三角塊結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以保護下面的空間，穩(wěn)定性明顯好于巷道中部，通過現(xiàn)場實測也發(fā)現(xiàn)了此處的老頂下沉量較小，但是如果對于端頭的支護強度較低，直接頂就會在采動影響下和煤體的失穩(wěn)破壞而發(fā)生破裂，和老頂之間發(fā)生離層，特別是在進行端頭的支護交替作業(yè)時，稍不注意很可能會發(fā)生端頭冒頂事故。

3)端頭支護存在需支護頂板的面積大、端頭支護強度低、端頭處所受支承壓力大的特點。參考文獻:

［1］ 孫光中，田坤云，關(guān)鵬云. “三軟”煤層機采工作面端頭支護技術(shù)［J］. 遼寧工程技術(shù)大學學報:自然科學版，2013(4):467 -470.

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