大柳塔煤矿综采工作面顶板支护管理

孙瑞雄

（国家能源集团神东煤炭公司大柳塔煤矿，陕西 榆林 719000）

0 引言

大柳塔煤矿52605综采工作面位于大柳塔井52煤六盘区。煤层厚度4.1～4.6 m，平均4.3 m，工作面长4 299 m，煤层倾角1°～3°，埋深122.91～204.3 m。52605综采工作面采用走向长壁采煤法，机械化采煤工艺，采空区顶板处理方式采用全部垮落法。工作面顶板分布有伪顶，伪顶区及断裂构造发育地带顶板稳定性差，易冒落，存在安全隐患，须加强顶板支护管理，保障矿井安全生产。

1 工作面顶板岩性

52605 综采工作面顶板岩石物理力学性质如表1所示。

表1 52605工作面顶板状况

2 工作面顶板支护管理

52605 工作面采用全部垮落法进行顶板管理，52605运顺采用滞后工作面施工柔模砼墙沿空留巷工艺。工作面如图1所示

2.1 初次来压顶板管理

1）工作面初次来压前，结合工作面顶板岩性及邻近工作面回采经验，采用水力压裂弱化顶板强度，预测直接顶垮落及老顶来压位置，编制初采安全技术措施，避免初采期间采空区顶板悬漏。

2）工作面初次来压前，对巷道及工作面检查，定期上报顶板来压状况，便于及时进行维护。

3）具体管理措施：①初次来压前，加强支架检修，使各元件相互配合，保障生产效率；②每班应检查巷道及工作面的顶板变形、破坏状况，存在隐患时，禁止作业；③初采期间，支架工滞后前滚筒1～2架跟机拉架，及时打开护帮板，达到支撑阻力[1]。

图1 52605综采工作面示意图

2.2 工作面正常回采期间顶板管理

1）及时移动支架支护，初撑力达到252 MPa。移架要做到少降、快拉，对顶板起到有效支护作用，护帮板滞后煤机底滚筒不得超过10架，由后滚筒司机完成，护帮打不到位的由推溜工检查补打。

2）工作面上方顶板破碎、裂隙较多情况下，应采用“带压移架法”2]；正常生产时，遇顶板较为破碎区域必须单架收，执行好煤机割一架，收一架，拉一架；跟机拉架不得滞后采煤机前滚筒2架。

3）保证液压系统无窜、漏液等情况，具有良好的支护状态；工作面停机检修，必须保证工作面整体压力小或顶板相对完好，否则联系调度指挥中心正常组织生产；停机检修前，将支架升紧，达到额定支护强度，护帮板打设到位；降架检修时不得连续降2架及以上，本架检修完毕之后确保支架升紧，达到额定支护强度，护帮板打设到位，升架时查看侧护板位置，避免咬架。

2.3 工作面周期来压期间顶板管理

1）对工作面周期来压位置进行预测预报，指导工作面提前护顶并做好甩压准备，周期来压期间采用“跟机迈步带压擦顶移架”。

2）周期来压期间严格执行支架“五到位”制度，即跟机拉架、超前拉架、初撑力、护帮板、伸缩梁相互配合支护[3]。

3）局部来压、支架端面切顶、顶板破碎较难控制并有冒顶迹象时，采取就近加刀方式推进，尽快推过顶板破碎区域。

4）周期来压期间，禁止停机，压力甩完后方可停机。

2.4 工作面末采贯通期间顶板管理

1）每班开工前应进行详细检查顶板支护情况，存在隐患的情况下必须立即上报，等待排除隐患，方可进入工作地点。

2）在工作面末采贯通期间，严禁进入采空区和盲巷。回撤通道两端悬挂警示牌，检查人员经过上报许可后，方可进入回撤通道，且必须有人陪同。

3）工作面贯通期间，在最后一次周期来压前，必须使工作面采高比52605工作面回撤通道的对应巷高高出300～500 mm左右，最后一次周期来压后，必须使工作面的采高与52605工作面回撤通道的对应巷高保持一致，保证巷道顶板平整。末采贯通停机挂网及贯通时避开周期来压区域，加强末采200 m范围矿压统计与分析，根据矿压规律，及时调整生产组织，保证停机挂网及贯通避开周期来压区域。

3 两顺槽顶板管理

3.1 两顺槽超前支护方式

回顺前20 m采用4台ZY12000/25/50D型液压支架进行超前支护，超前支架位于巷道中间，支架中心线与巷道中心线平齐，严禁压坏回顺顶板锚索（巷道每排2根锚索，间距2 800 mm），正常支护状态下超前支架组支架间距不大于2个步距，178架伸缩梁、护帮板打出后与1号超前架尾梁之间的距离不得超过5.0 m。回采过程中顶板异常期间，应采用（支架+单体）联合支护，或堆设木垛支护[4]。超前支护示意图如图2所示。

运顺根据超前支护验算采用锚杆+锚索支护代替传统单体支护的超前支护方式；在顶板裂隙发育、破碎、离层等异常现象时支设单体、堆设木垛进行补强支护。

图2 52605综采工作面超前支护示意图

3.2 联巷口超前支护管理

1）联巷口采用单体支柱进行支护，单体间距1.5 m，两侧单体支柱距离联巷口抹角距离不大于1.5 m；当52605回顺受二次采动的影响顶帮片帮严重时，必须增设单体支柱，间距改为1.0 m。

2）超前支护范围内的单体支柱不允许提前回撤。每天对工作面两顺槽及联巷进行敲帮问顶及隐患排查，发现问题随时汇报，及时处理。

3.3 超前支护相关要求

1）超前支架在使用之前，应认真检查状态是否良好，各液压元件接触良好，能正常发挥作用。

2）被操作支架底下严禁站人；应有2人配合操作超前支架，1人操作1人检查，2人合作作业，避免危险状况发生；同时监护人员与操作人员要有统一信号进行交流，操作前发出警示信号，不允许附近有工人，若出现问题必须立即停止作业。

3）526 05运顺侧每推进1刀由跟班队长、班长对超前50 m范围内的顶帮进行检查，发现顶帮异常期间停止生产，查明原因，汇报技术人员并制定现场措施，执行单体补强支护。

3.4 超前支护验算

运顺净宽5.4 m，净高3.6 m，每排施工6根φ18 mm×2 100 mm锚杆，排距为1 m，折算1.1根/m2；每排施工4根φ21.6 mm×6 500 mm锚索，排距平均为2 m，折算0.37根/m2。

52605 回顺净宽5.8 m，净高3.2 m，每排施工5根φ18 mm×2 100 mm锚杆，排距为1.2 m，折算0.72根/m2；每排施工2根φ17.8 mm×6 500 mm锚索，排距为3.6 m，折算0.1根/m2。

超前支护段顶、底板移近量判断为直接顶移近量，本工作面直接顶最大厚度为0～2.8 m，取最大值2.8 m。超前支护段顶板额定支护强度为：

式中：P1为超前支护额定支护强度，kN/m2；h为直接顶厚度，h=2.8 m；r为顶板岩石重力密度，2.53 t/m3；k为应力集中系数，取1.1。

顺槽顶板主动支护强度为：

式中：P2为运顺主动支护强度，kN/m2；P3为回顺主动支护强度，kN/m2；Pa为锚杆支护强度，kN/m2；Pb为锚索支护强度，kN/m2；60为锚杆锚固力，kN；450为φ21.6 mm×6 500 mm锚索极限承载力，kN；353为φ17.8 mm×6 500 mm锚索极限承载力，kN。

顺槽需要补强超前支护强度为：P4=P1-P2

因P2=232.5（kN/m2）＞76.37（kN/m2），即52605运顺现有顶板支护满足支护强度要求，即运顺侧采取顶板锚杆+锚索的超前支护方式。

式中：P4为运顺需要超前支护强度，kN/m2；P4为回顺需要超前支护强度，kN/m2。

顺槽超前支护强度验算：

式中：P7为回顺超前支护强度，kN/m2；P6为回顺单位面积上超前支架支护强度11.724（kN/m2）。

通过计算回顺侧采用超前支架组支护选型符合要求，运顺侧采取锚杆+锚索超前支护方式符合要求。

3.5 沿空留巷顶板管理

为保证沿空留巷段顶板安全，沿空留巷滞后段采用的支护措施主要有：

1）挡矸支架。在3号架后紧靠柔模砼墙位置设置一组陕西开拓ZRL79200/25/40D型挡矸支架，日常生产期间禁止2架挡矸支架同时降下，挡矸支架随工作面推进向前跟进，挡矸支架前顶梁距离3号支架。

2）“一梁三柱”架棚支护。对巷道副帮至柔模挂设副帮侧区域进行“一梁三柱”架棚支护；钢梁长度3.6 m，排距1 m，留巷滞后支护（一梁三柱）距离为120 m，留巷滞后支护（一梁三柱）滞后1号架尾梁突出部位距离不大于3 m。支护方式如图3所示。

图3 沿空留巷“一梁三柱”支护断面图

3）柔模砼墙。工作面过渡架后距支挂柔模的距离达到3.8 m（柔模长3 m、侧向支模单体0.2 m）时，必须及时支挂柔模，最大不得超过4.5 m；每日早班进行对生产期间挂设的柔模进行浇筑并保证浇筑质量。

3.6 备用支护材料

距工作面100 m范围的回顺巷道内，设临时支护材料存放点，根据工作面条件变化准备充足的备用支护材料，挂牌处理，记录名称、数量等，由专人负责。严禁使用失效和损坏的支护材料。在运顺备用单体液压支柱不少于5根，柱靴、柱帽各不少于3个，在回顺备用单体液压支柱不少于5根，柱靴、柱帽各不少于4个（备用单体不低于使用数量的10 %），塑料网片（宽2.2 m，网格40 mm×40 mm）不少于10 m，圆钢锚杆（φ18 mm×2 100 mm）不少于10根。

沿空留巷所用支护材料统一备用在52606切眼位置，支护材料分类码放、由专人管理。

4 矿压观测方案

4.1 矿压观测内容

矿压观测主要是巷道围岩离层运动观测、锚杆锚索荷载应力监测、支架支护阻力监测等，针对工作面前后200 m范围内矿压及巷道两帮矿压，分析顶板变形、破坏状况，准确掌握采场及巷道矿压显现规律[5]。

1）通过监测巷道顶板和工作面顶板来压状况，分析顶板和支架相互作用机理，及时预报老顶来压，支架的正常使用，为支架选型、支护阻力选取、巷道内支护等提出优化措施，更好的安全高效生产。

2）应用新的采煤方法、采煤工艺、支护技术，现场应用过程中不断革新、优化，为采煤工艺的创新、优化做必要的技术准备。

3）分析超前支承压力影响范围和分布特点，确定巷道超前支护范围，选取巷道合理支护参数、工作面端头支护参数。

4.2 观测方法

1）支架阻力观测。从工作面支架PM32上统计各支架的初撑力、工作阻力，准确掌握来压的时间，来压的范围，压力值大小，压力持续时间，观测之后，分析计算出来压步距。

2）支架活柱缩量观测。在工作面上、中、下布置测点，监测支架活柱缩量，根据循环次数，计算出支架循环下缩量和下缩速度。

3）两顺槽超前工作面200 m围岩移近量观测。工作面两顺槽每隔100 m设置1组2处“十字交叉观测点”，测量围岩原始值，每班指派专人测量围岩变形量，分析工作面两顺槽压力情况[6]。观测方案如图4所示。

图4 两顺槽超前工作面200 m围岩观测

4）526 05运顺沿空留巷段滞后工作面200 m围岩移近量观测。52605运顺沿空留巷段随着综采工作面的推进将原超前观测点保留，每班指派专人测量围岩变形量，分析沿空留巷段巷道变形量。

5）矿压统计与分析。每班生产时及时记录支架压力数据，采煤技术员根据矿压数据、围岩观测数据、两顺槽调车硐室、联巷压力显现情况，每月形成一份矿压分析报告。

4.3 支护质量监测

1）锚栓支护质量监测。锚杆测力计初始安装时，必须给适应的预紧力。柔模配套锚栓采空区侧必须将螺母拧紧至螺纹最里侧。待砼墙1 h后，必须将巷道侧锚栓重新紧固，托盘必须紧贴砼墙，砼墙4 h内，再次紧固锚栓，扭矩不低于150 N·m。

2）锚杆支护质量监测。每10根锚杆抽查1根锚杆扭矩，每天进行；锚杆每300根（或300根以下）抽样1组（3根）进行锚固力测试，锚固力不小于50 kN，扭矩不小于120 N·m，失效锚杆及时进行紧固或重新补打，并做好各项检查记录。

3）锚索支护质量监测。锚索每天抽查3套进行锚固力测试，初张力不小于14 t，抗拔力不小于22.4 t，失效锚索及时进行紧固或重新补打，并做好各项检查记录。

5 结论

针对大柳塔井52605综采工作面顶板状况分析，提出工作面顶板、巷道顶板的管理支护措施，对支架初撑力、煤壁片帮状况、顶板冒落、超前支护质量等进行监测，形成了完整的顶板支护及监测方法。