放顶煤工作面上端头支护辅助设备的设计与应用

王翔

(峰峰集团 河北天择重型机械有限公司， 河北 邯郸 056200)

0 引言

根据峰峰集团大社矿和新屯矿的工况条件，采用摸顶掘进巷道，工作面上端头支护作业时需要4人配合抬运打设点柱，劳动强度大，不易操作，作业期间易发生顶板流煤、流砟、冒顶等事故，危险系数较高。根据摸顶掘进、摸底回采工作面特点，为保证工作面正常出煤，在上述端头支护方式下，刮板机机尾处有8个支架不能摸底，工作面每推进1 m底煤丢失至少46 t。而传统解决方式在运料巷、溜子道进行人工卧底回收部分巷道底煤，卧底后采用单体液压支柱加设木垛对高5 m左右的巷道顶板进行支护，效率低，成本高，安全系数低。

为解决该问题，研究了煤矿综放工作面开采条件的特点，有针对性地进行了放顶煤工作面上端头支护辅助设备的设计。在峰峰集团大社矿92606综放工作面、新屯矿14248综放工作面进行了工业性试验，取得良好效果。该设备在运料巷上端头处过渡液压支架上安装支护辅助设备，通过过渡支架升柱接顶支护顶板，实现了机械化支护端头巷道顶板。将前部刮板输送机延长，运输巷卧底出煤，消除机尾三角煤，省去了上切顶排人工放顶环节，降低了顶板维护难度，有效控制顶板下沉量，消除了端头维护作业期间的安全隐患，避免了顺槽段的冒顶事故，工作面安全系数得到提升，从而满足高产高效的要求。

1 上端头支护辅助设备设计特点及关键技术

1.1 使用条件

峰峰集团大社矿92606工作面，配套上端头支架为ZFG5400/18/29型液压支架，使用配套辅助设备，支护高度增加1.6 m，92606工作面平均煤厚为5.5 m，运料巷高度为3.2 m，底煤厚度为2.3 m，巷道宽度为4.5 m，采用锚网索支护，摸顶掘进、摸底回采。

峰峰集团新屯矿14248综放工作面及支架配套的平均煤厚为5.5 m，工作面长为50 m，推进长度为334 m。配套上端头支架为ZFB3200/16/24型，使用配套辅助设备，支护高度增加1.5 m，采用锚网索支护，摸顶掘进、摸底回采。

1.2 设计特点

顶梁为刚性整体结构，采用高强板焊接，支护强度高。顶梁前端顶板水平，后部顶板下斜61°，如图1所示，可有效缓冲过渡支架尾梁的冲击力。

该设备采用硬链接，抗扭能力强，不可自主升降，实际使用时，可根据情况适当升降过渡支架，以达到接顶效果，如图2所示。

顶梁两侧加固定侧护板，可以在一定程度上防止煤壁涌煤。同时增加工艺孔,如图1所示，便于瓦斯疏散和吊装。

设备底座在过渡支架顶梁上安装，底板与支架顶梁零间隙配合，安装后三面(前端和两侧)包裹顶梁,如图2所示，拆卸时可直接拉出，拆装便捷。底座两侧护板下探超过过渡支架顶梁侧护板，且在两侧板下部增加工艺孔，便于底座与过渡支架固定运输。

图2 放顶煤工作面上端头支护辅助设备示意图

1.3 主要技术特征(以大社矿为例)

1) 型式： 放顶煤工作面上端头支护辅助设备。

2) 底座规格： 4 395 mm(长)×1 490 mm(宽)×1 310 mm(高)。

3) 底座质量： 4 000 kg。

4) 顶梁规格： 4 020 mm(长)×1 440 mm(宽)×1 340 mm(高)。

5) 顶梁质量： 6 200 kg。

1.4 技术及创新

1) 根据冀中能源峰峰集团大社煤矿、新屯煤矿的煤层特点和工况条件，在工作面与运输巷的交汇处，采用过渡支架+支护辅助设备的支护方式，使原有支架最大支撑高度增至5 m左右，操作灵活、方便，能够及时支护顶板，提高了工作面上端头顶板的支护强度，适应性强，能有效防止工作面支架倒架。

2) 支护辅助设备采用硬连接结构，结构简单、可操作性强，减少井下设备安装工作量。该设备是一种无立柱千斤顶式的简易支架，高度固定，可根据工作面条件设计不同的高度，抗扭性强，安全系数高，能适应巷道复杂地质条件，与工作面支架、前后刮板输送机、转载机配合实现工作面巷道机械化作业。

3) 对工作面端头和超前段巷道顶板和两帮进行主动支护，最大限度满足巷道支护高度，提高煤炭回收率。

2 应用及推广

2.1 应用过程

2017年8月在大社矿92606工作面上端头运输巷处增加2架ZFG5400/18/29型过渡支架，并在过渡支架上安装支护辅助设备，使得原支护高度由2.9 m增加至4.4 m，通过过渡支架升柱支护顶板，代替了单体液压支柱加设木垛的支护方式，实现了机械化支护端头巷道顶板。同时将前部刮板输送机延长，运输巷卧底出煤，消除机尾三角煤。2018年3月在峰峰集团新屯矿14248综放工作面进行应用，在上端头增加2架ZF3200/16/24B支架+支护辅助设备,实现运输巷卧底出煤，消除机尾三角煤。

2.2 应用效果及经济效益

1) 大社矿92606工作面。ZFG5400/18/29型液压支架高度为1.8～2.9 m，安装支护辅助设备后支护高度增加1.6 m，92606煤厚平均5.5 m，运输巷高度3.2 m，底煤厚度2.3 m，巷道宽度4.5 m。工作面摸底后每推进1 m，可多回收底煤2.3×4.5×1×1.53=15.8 t，回收机尾三角煤2.3×10×0.5×1×1.53=17.6 t。运输巷走向长度1 141 m，共计回收煤炭38 109 t。市场价500元/t，吨煤成本300元/t，新增产值1 905.5万元，新增利润712万元。

2) 新屯矿14248工作面。煤厚平均5.5 m，工作面长50 m，推进长度334 m。使用支护辅助设备后，原需要4人抬运打设4.5 m单体液压支柱，减少为1人操作支架。每天节约9个用工，按300元/工计算，每月可节约人工费8.1万元，4个月共节约32.4万元。累计多回收煤量1.2万t，市场价500元/t，吨煤成本300元/t，新增产值600万元，新增利润240万元。

放顶煤工作面上端头支护辅助设备的创新使用改变了原运输巷上端头支护形式，省去了上切顶排人工放顶环节，有效解决了上端头顶板支护强度不足的问题，保障了安全生产，降低了工人的劳动强度，提高了工作效率，同时解决了运输巷底煤及机尾三角煤的丢失问题，提高煤炭回收率，为综采工作面高产高效创造了条件，为类似煤层开采工艺上提供了有效的途径。

3 结论

放顶煤工作面上端头支护辅助设备是根据峰峰集团大社矿、新屯矿工作面煤层具体工况条件而设计的。技术合理，经济可行，安全可靠，使综放工作面端头支护顶板管理水平进一步提升，提高了工作面煤炭回收率；实现了巷道超前支护的机械化作业，为综放工作面全自动化生产奠定了基础，为职工的安全提供了保障，创造巨大的经济效益，对此类条件下工作面端头支护有借鉴意义，为矿井的高产高效打下基础，具有推广价值。