綜采工作面超前應(yīng)力集中區(qū)支護優(yōu)化

宣 鑫

（大同煤礦集團同安煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 呂梁 035200）

綜采工作面在回采期間，受構(gòu)造應(yīng)力、回采應(yīng)力以及上覆巖層重力影響，在工作面前方20m范圍內(nèi)產(chǎn)生集中超前應(yīng)力區(qū)。工作面順槽超前應(yīng)力集中區(qū)傳統(tǒng)采用單體液壓支柱進行加強支護，但是對于特殊地質(zhì)條件或軟巖煤層綜采工作面的超前集中應(yīng)力區(qū)，采取單體柱支護時，支護數(shù)量多，勞動強度大，支護強度低，單體柱頂梁支護斷面小，對應(yīng)力集中區(qū)頂板產(chǎn)生剪切破壞，加劇了頂板破壞程度。以8102工作面為例，對工作面超前應(yīng)力集中區(qū)加強支護方式進行了優(yōu)化，提出了雙梁鋼棚支護方案。

1 概況

大同煤礦集團晉華宮礦8102工作面位于井田301采區(qū)，工作面可采長度為185m，運輸順槽（2102巷）、回風(fēng)順槽（5102巷）長度為1700m，工作面采用綜放工藝，回采煤層為12-2#煤層，煤層厚度為6.52m。

8102工作面運輸、回風(fēng)順槽為矩形斷面，巷道設(shè)計斷面規(guī)格為寬×高=4.5m×3.3m，巷道原頂板采用錨桿、鋼帶、錨索等聯(lián)合支護。工作面回采期間，分別在順槽超前應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)支設(shè)單體液壓支柱，采用一柱一梁的支護方式，每排支設(shè)三根單體液壓支柱配“π”型頂梁支護頂板，頂梁長度為0.5m，支柱間距為1.2m，排距為1.0m。應(yīng)力區(qū)共計支設(shè)20排單體柱，隨工作面推進前移。

8102工作面回采期間位于回風(fēng)順槽側(cè)共計揭露21條斷層，平均落差為0.9m，平均傾角為42°。斷層破壞了煤巖體連續(xù)穩(wěn)定性，導(dǎo)致工作面回采過程中回風(fēng)順槽側(cè)工作面應(yīng)力集中破壞嚴重，回風(fēng)順槽超前應(yīng)力區(qū)頂板破壞更加嚴重，局部區(qū)域出現(xiàn)漏頂現(xiàn)象，應(yīng)力集中區(qū)頂板最大下沉量0.45m，采用單體支柱支護時由于支護頂梁支護斷面小，對頂板無法實現(xiàn)有效保護。單體支柱屬于線性支護，在支護過程中支護頂梁對頂板出現(xiàn)條帶式切頂破壞，進一步加劇了頂板破碎程度。受頂板超前集中應(yīng)力作用，單體柱受力不均勻，導(dǎo)致部分支柱出現(xiàn)自卸現(xiàn)象，部分單體柱柱體變形嚴重。據(jù)統(tǒng)計，在前300m工作面回采過程中，回風(fēng)順槽超前應(yīng)力區(qū)共計損壞單體柱107根，經(jīng)濟損失達124余萬元。

2 超前應(yīng)力區(qū)臨時支護優(yōu)化

為了提高回風(fēng)順槽超前應(yīng)力集中區(qū)頂板的穩(wěn)定性，防止頂板破碎、冒落事故發(fā)生，決定對應(yīng)力集中區(qū)原支護方式進行優(yōu)化，采用雙梁鋼棚支護代替單體支柱支護。

2.1 雙梁鋼棚支護組成

雙梁鋼棚支護主要由棚腿底座、棚腿、橫梁、縱梁、U型卡、連接桿等部分組成。

底座規(guī)格為長×寬=0.3m×0.3m，主要由厚度為4mm鋼板制成，底座與棚腿之間采用螺栓連接。棚腿長度為3.3m，棚腿主要由11#工字鋼梁制成，在棚腿頂端焊接一塊長度為0.3m、寬度為0.2m的對接鋼板，鋼板四個角分別焊制一個直徑為30mm圓孔，每架鋼棚三根棚腿。在棚腿兩側(cè)各焊制兩個圓環(huán)，環(huán)間距為1.5m。如圖1所示。

橫梁長度為0.5m，在橫梁一側(cè)中部同樣焊接一塊對接板，對接板規(guī)格與棚腿頂端對接板相同。在橫梁兩端各焊制兩個直徑為30mm圓孔，孔間距為0.15m。

縱梁為18#槽鋼，縱梁長度為4.5m，每架鋼棚采用兩根縱梁。U型卡主要由直徑為20mm圓鋼制成。

2.2 雙梁鋼棚支護施工

（1）雙梁鋼棚超前工作面5.0m架設(shè)。首先在回風(fēng)順槽兩幫底板及巷道中部底板處安裝棚腿底座，底座安裝時必須保證平整，底座與底板接觸面積不得低于80%，同一架棚腿三個底座安裝后底座水平中心線必須與巷幫垂直，允許偏角≤3°。

（2）底座安裝后，依次安裝三根棚腿，棚腿安裝必須牢固可靠。兩幫處棚腿安裝后，在巷幫施工兩個錨桿將其固定。棚腿安裝后，將橫梁連接板與棚腿頂端連接板對接，并采用四根12#螺栓將其固定。

（3）棚腿及橫梁安裝后，在同一架鋼棚兩根橫梁之間安裝兩根縱梁，縱梁與橫梁之間采用U型卡進行固定。

（4）雙梁鋼棚架設(shè)間距為1.5m，待所有鋼棚架設(shè)完成后，在相鄰兩架鋼棚棚腿之間分別安裝兩組拉桿進行聯(lián)鎖保護。當工作面回采推進距第一架鋼棚間距不足2.0m時，及時拆除鋼棚。

（5）當過斷層破碎帶超前集中應(yīng)力區(qū)頂板出現(xiàn)嚴重破碎時，鋼棚架設(shè)完成后，在相鄰三架鋼棚頂梁之間安裝四根“JW”型鋼帶。鋼帶長度為3.2m，寬度為0.28m，鋼帶與巷道走向平行布置。

圖1 8102工作面超前應(yīng)力區(qū)雙梁鋼棚支護示意圖

3 應(yīng)用效果

8102工作面回風(fēng)順槽超前應(yīng)力集中區(qū)采用雙梁鋼棚支護后，通過3個月實際應(yīng)用效果觀察發(fā)現(xiàn)，取得了明顯成效。

（1）降低了支護成本費用。工作面回采520m，回風(fēng)順槽共計架設(shè)340架雙梁鋼棚，回收327架，與傳統(tǒng)單體液壓支柱相比，雙梁鋼棚損壞率小，全面可降低支護成本費用87余萬元。

（2）降低了勞動作業(yè)強度。采用單體液壓支護支護頂板時，每班需安排5人進行支設(shè)，按每班回采進度為4.0m計算，每班需支設(shè)4排單體液壓支柱，共計12根，并需回收12個支柱，勞動強度大，支護難度大。而采用雙梁鋼棚支護后，每班支護安裝兩架即可，3人即可滿足施工要求，大大降低了勞動作業(yè)強度及勞動成本費用，縮短支護時間。

（3）提高了頂板穩(wěn)定性。原單體液壓支柱支護時，屬于不連續(xù)線性支護，當工作面出現(xiàn)周期來壓時，超前應(yīng)力集中區(qū)壓力顯現(xiàn)嚴重，單體柱無法實現(xiàn)讓壓作用，導(dǎo)致單體柱液缸負荷加大，支柱失效現(xiàn)象嚴重。而雙梁鋼棚頂梁在受壓作用下可與頂板同步變形，起到讓壓作用，防止鋼棚支護失效，進一步提高了頂板穩(wěn)定性。工作面回采期間應(yīng)力集中區(qū)頂板下沉量控制0.15m以下。

（4）避免頂板切頂破壞。原單體柱頂端“π”型頂梁鋼性強，受力作用下對頂板煤巖體產(chǎn)生剪切破壞，而雙梁鋼棚頂梁支護斷面大，而且在嚴重破碎區(qū)可通過安裝走向鋼帶加大頂板支護斷面，解決了線性支護時切頂破壞等技術(shù)難題。