基于综采工作面支护优化设计的研究

＊冯云贵

（汾西矿业集团水峪煤业 山西 032300）

1.支护设计的研究现状

在长壁开采矿井作业的实施阶段，为综采工作面施工作业提供了基本支持，应将高产、高效作为主要目标，为集约化生产标准的实现奠定基础。从国内外的实践和研究角度出发，可以看出在综采工作面单产作业实施过程中，应凭借加大工作面配套设备运行能力的方法，保障设备运行的可靠性。自20世纪80年代以来，世界各地在产煤作业的实施过程中，通常是以调高产煤效率为主要目的，基于安全性的施工原则，对技术基础予以改善，基于技术的进步与发展，提高综采工作面整体支护水平。对于综采单产效率的提高模式来说，其主要通过对工作面尺寸予以增大，在快速推进截深的基础上，对综采工作面的适用范围予以拓展，为机电一体化重型设备的使用提供了广泛的空间支持，优化了设备的更新和使用成效。

2.基于综采工作面支护的优化设计

（1）优化综采工作面端头支护设计。在煤矿行业长久化的发展过程中，积极引进了新技术和新设备，促进采煤技术应用水平的提升，通过及时改善综采工作的环境条件，有效降低了施工人员的作业强度。在开采深度不断增加的过程中，随着对现代化机械装备的引进和使用，设备运行水平仍然处于低级状态，无法保障综采作业发展的科学性和平衡性。为了能够充分的解决新型问题，应结合综采工作面的实际情况加以分析，提出有针对性的整改办法。对于综采工作面来说，其中所布置的设备具有多样性，且供电运输系统相对较长，容易出现复杂化问题，切眼与上下巷在实际的连接过程中，在连接区域形成了端头，为人员的行走和煤矿运输作业的开展提供了助力支持。由于端头的悬顶面积相对较大，需要承受来自采空区和周围环境所带来的压力，在综合压力考验的影响下，为了避免直接影响综采工作面的运输系统，需要从端头入手，对支护体系予以加固处理。

（2）被动支护方式。以架棚支护为例，在巷道掘进作业的过程中，需要用到工字钢梁这一基础设施，应将工字钢梁的长度控制在4.2m左右，以双层的架设方法，增加背顶的实际面积，并且能够在压力增强时，强化顶帮部的抗压强度。另外，在架棚施工作业完成之后，还需要从工字钢棚梁顶部位置入手，从垂直方向出发，对背板或者小圆木的间距设置予以严格管控，确保间距能够处于0.3m左右。不仅如此，需要从背板的上方区域入手，及时的铺设塑料网，且塑料网的层数为一层即可，避免在端头位置的局部区域，出现托煤等问题。在加压的过程中增加安全系数，创设稳定、安全的运行环境，避免对人员生命安全造成不良影响。

（3）主动支护方式。一方面，在使用锚杆支护方法时，需要在完成锚索支护作业之后，采用短孔的加固形式，对锚杆进行支护，以此来发挥出锚杆支护方法的补充效用。对不同层位的深孔和浅孔予以分析，在深浅孔相互结合的基础上，能够对顶板不同围岩类型进行加固，保障加固操作的合理性和有效性。其中，锚杆的型号应保持在20mm×2.2m，以玻璃钢锚杆为主，架棚方向需要与巷道方向保持一致，将巷道架棚的间距设置为0.8m×0.6m，使每1排都能够布设6根左右的锚杆。

另一方面，可以使用锚索支护的形式。在使用锚索支护方法时，需要对锚索的规格予以严格管控，确保所选用的规格能够被控制在17.8mm×7m的左右。为了在锚索支护的过程中，加强对顶板支护强度，需要在锚索之间形成连锁的形式，在每2根锚索的中间区域，设置固定的1根锚索梁，且锚索梁的方向需要与巷道的帐篷方向保持一致，以此来强化悬顶的功能和作用。在一般情况下，锚索梁的选型通常保持在1.8m左右，而锚索之间的间距则需要控制在1.2m左右。梁头虽然能够接触，但仍然需要采取紧密接触排列的形式对其予以处理。为了能够加强对顶板的主动支护效果，还需要在工字钢棚的两侧区域位置，距离两端的0.4m的部位，对一组锚索梁进行打设，进一步强化工字钢梁棚的提拉和加固作用。

（4）综采工作面停采顶板支护设计。①确定停采位置。首先，在精细化的分析过程中，需要根据矿压所产生的规律，切实的掌握总体的来压布局。对于矿压仪表的实际测量区域来说，需要在一定程度上予以适当的增加，确保最终的测量数据取值能够扩大相应的数值范围，最终能够为矿压规律分析工作的开展提供助力支持，保障最终分析数据的准确性。与此同时，还需要加大对矿压观测人员的管理力度，不仅需要以专人专项的形式，安排专业专职的工作人员，从井上的工作面入手，对矿压情况予以实时化的监控，还需要加强实际的跟班力度，进一步对支架工作阻力的总体变化情况予以分析。通过对工作面来压阶段所产生的征兆进行综合考虑，确保工作人员操作方法的规范性，为观测作业的开展提供助力支持，并结合关键数据信息加以记录，保障记录内容的真实性与可靠性。

其次，在综合考虑压力问题的情况下，还应保障停采位置确定的准确性，结合当地区域的水文、地质等构造条件予以综合考虑，在提出规范化要求的情况下，借助优良的地段条件，为综采工作面各项作业的开展奠定良好的基础，发挥出顶板支护技术的实际效用。

最后，还需要对相关工作予以合理组织，确保所选出的停采位置具备适宜性，根据前期阶段所测量到的数据信息，通过对周期来压布局的统计，及时确定最终的停采位置，再根据对规律的掌握情况，对顶板区域进行来压，待顶板的压力完全释放之后，再向前推进一段距离，及时开展停采作业。在一般情况下，向前推进的距离应保持在2m～4m的区间范围内，使支架能够处于稳定的运行状态，并且可以确保机道顶板处于稳压的区间范围内。

②顶板支护操作的优化条件。首先，需要结合综采工作面的实际情况予以分析，结合顶板的位置设置，从扩帮、抹角以及开设车窝等环节出发，及时开展顶板支护作业。所选用的锚杆、锚索挂网等基础设施，应具备先进性的特点，保障支护方式的联合性，在必要的情况下还应对锚索钢梁予以补打。另外，当综采工作面的两个巷道之间，出现的超前范围为10m时，那么需要对补打锚索钢梁进行锁口处理，以此来保障撤退作业的安全性。

其次，在开展停采作业的过程中，还应加大对综采工作面采高位置的控制力度，保障机道宽度设置的合理性，通过提高链网的总体质量，保障综采工作面能够达到“三直两平”的设置要求，使两侧的通道能够保持畅通性。在一般情况下，对于“三直两平”的设置要求来说，需要确保工作面的煤壁、刮板输送机和支架能够持续处于同一条直线，而顶板和底板的位置都应遵循平等性的要求，且头巷和尾巷能够具备畅通性的特点。在撤退作业的前期阶段，还需要结合综采工作面的实际情况，对浮煤等物质予以全部清理，从而形成干净、整洁的工作面条件，为后续撤退工作的开展提供支持。

最后，应加强对支架等技术设施的综合管理，在对综采工作面进行回采时，需要定期组织支架检修作业的开展，通过加大对支架设施的检修力度，避免支架设施出现跑、冒、滴、漏等现象。待综采工作面停采作业顺利落实后，应确保支架的完好率能够达到100%的要求。

（5）综采工作面沿空回采巷道支护优化。①锚梁网支护。一方面，通过对巷道顶底板的相对移近量和移近速度予以分析，并将其与两帮移近量和移近速度进行对比，可以看出前者的总量和速度大于后者。在一般情况下，对顶底板所累计的最大移近量进行计算，可以看出通常为1756mm，而顶底板的最大移近速度，则能够保持在445mm/d左右。另一方面，在开展综采作业的过程中，若综采工作面的前方区域，能够对巷道设置带来直接影响，且影响范围能够处于80m内，可以看出：虽然采动作业具有直接影响，但却能够得到合理控制，并且能够在综采工作面前方区域，被控制于28m以内。此时，在综合工作面的前方区域出现了压力峰值，实际的峰值距离为18m，此时巷道出现了明显的变形情况，实际的变形量为最大范围，基于合理的控制措施，使其能够保持在综采工作面前方区域的10m范围以内。

产生此类现象的原因，主要是由于巷道底部的鼓量相对较大，而顶板下沉量普遍较小所导致。通过对两方区域所累计的最大移近量加以分析，最终的计算结果为1024mm，而最大移近速度则被控制在253mm/天。对于两帮的移近量来说，其中主要是煤柱侧的煤体，朝着巷内进行移动的距离，在距离综采工作面10m以内的区间范围内，巷道底鼓变形和两帮的移近速度呈现出了增大的态势，而围岩的变形速度在煤柱的一侧相对较大，甚至大于煤体的一侧。巷道内部所增打的点柱，全部出现了折断的情况，使巷道断面有所减小。原始断面面积为13.5m2，在缩小之后变为3.3m2，实际的收缩率相对较高，在一般情况下处于75.6%左右。

②锚梁网支护、底板锚杆和煤柱加固段结合支护措施。沿空巷道等位置，对顶板锚索和底脚锚杆进行加打，仍然无法顺利的解决巷道变形等问题，所以难以对巷道底鼓情况予以有效管控。对于此类问题来说，需要在部分综采工作面的回采作业当中，沿着空段之前的位置，对沿空巷道的超前进行卧底处理，之后再在巷道的底板位置使用W型钢带和左旋螺纹钢锚杆，将其融合之后加打成为4排锚杆。在一般情况下，左旋螺纹刚锚杆的规格应保持在20mm×2500mm左右，而锚杆之间的排距则应设置为700mm×800mm或者2200mm×1600mm。通过对锚杆与底板之间的夹角予以管控，使夹角能够保持在45°或者60°左右。

在设置煤柱的过程中，需要采用高水速的凝材料，对煤柱予以加固处理，保障煤柱的稳固性。在观测顶底板的过程中，还应从两帮区域出发，对相对移近量予以综合考虑。可以看出，在综采工作面沿空巷道开采回采作业中，基于前期的准备阶段，采取有效措施对巷道顶面煤柱锚柱予以加固，通过加大巷道底鼓的控制力度，并确保两帮移近量控制的合理性，发挥出控制操作的实际效用。实际的采动情况对工作面前方所产生的影响范围能够被控制在10m以内，而巷道顶底板的移近量则能够被控制在800mm以内，此时两帮的移近量并未超过600mm，且巷道的高度能够持续保持在2400mm以上，宽度则超过了3600mm。此时，可以看出断面能够保持在8.6m2以上，而断面的收缩率则小于36%，不仅能够保障巷道通风断面的总体质量，还可以满足综采工作面的安全生产需求。

（6）综采工作面超前应力集中区的支护优化设计。①双梁钢棚支护施工。首先，在利用双梁钢棚支护方法的过程中，需要对综采工作面的施工区域加以处理，针对与其相对应的超前工作面，需要及时开展支护处理操作，确保处理距离能够保持在5m左右。对于同一个架棚腿来说，需要涉及到3个底座，所以需要在整体性的安装过程中，保障底座的水平中心线设置准确，并与巷道之间能够呈现出垂直的状态，在整个安装阶段应将偏角偏差范围控制在3°以下。在回风顺槽的两帮底板位置区域，需要对棚腿的底座加以调整，并结合巷道中部位置的底板区域，保障安装底座方法的合理性，并实现对棚腿底座的充分利用，基于整体性的底座安装作业，需要持续坚持平整性的施工原则，保证底板和底座之间能够相互接触，使实际的接触面积能够超过80%。

其次，在底座安装作业顺利完成之后，还需要涉及到3根棚腿基础作用，保障棚腿安装作业的科学性与合理性。在实际的安装过程中，需要确保棚腿的牢固性与稳定性，在两帮位置的棚腿安装作业完成后，需要及时进入到两帮施工作业中，利用两个锚杆基础设施，对巷帮予以固定处理，促进后续施工作业的顺利实施。

最后，对于棚腿安装作业的后期阶段来说，可以利用横梁连接板等基础设施，使其能够与棚腿自身的顶端位置予以连接，保障连接操作的效性，将4根相同规格的螺栓进行固定，并保证固定处理操作的实效性。

②优化综采工作面超前应力集中区支护的基本要求。首先，需要有意识、有目的的降低支付成本费用，结合双梁钢棚支护方法的实际情况，在综采工作面中保障上述支付方法利用的科学性与合理性，根据双梁钢棚支护方法的总体应用情况，在深入观察和全面分析的过程中，基于整体性的形式，优化该类支护方法的使用效果。在双梁钢棚支护方法的应用阶段，若综采工作面的回采距离为520m，且回风顺槽当中的双梁钢架数量为340架左右时，能够确保双梁钢棚被顺利架设和充分利用，且实际的回收总量相对较多。将双梁钢棚支护方法与传统形式的单体液压支护形式进行对比，在深入分析的过程中，可以看出使用双梁钢棚支护方法时，能够有效降低设备的损坏率，并且可以减少在支护优化阶段所需用的成本投入。

其次，还应提高顶板的稳定性。在使用单体液压支护方法时，由于所使用的线性支付方式缺乏连续性，当实际的支护周期相对较长，那么超前应力集中区所出现的压力则会过于明显，并且使负荷量随之增大，使支柱失去了原有的效用。在使用双梁钢棚顶梁支护方法时，尽管处于受压的状态，但仍然能够与顶板之间的变形情况保持一致，避免对最终的支护效果造成不良影响。

最后，帮助施工人员降低劳动强度。在使用单体液压支护方法时，需要在顶板位置开展支护施工作业，可以看出对于每一班支护操作来说，都需要安排5人左右，才能够促进支护设置作业的顺利实施。若针对每一班的回采进度进行计算和分析，将进度标准设置为4m，那么此时每一班所需要设置的支护数量为4排，并且是以单体液压支柱为主，总体的支柱数量为12根，在后续的回收过程中也必须回收12根单体液压支柱，所以会提高整体的劳动力和劳动强度，为之后优化作业的开展带来了较大的难度。在使用双梁钢棚支护方式的过程中，可以确保每一班的支护支架为2架即可，并且可以减少实际的劳动力安排，且一般为3人即可，能够满足整体性的施工要求，不仅可以逐步减少总体的劳动强度，还可以达到节省成本费用的效果，进一步缩减了支护操作的时间，保障综采作业面超前应力集中区支护控制作业的有效性。

3.结论

对于部分综采工作面施工项目来说，所设置的煤层结构具有简易性的特点，需要在煤层开采作业当中，针对当地区域的地质条件和煤层顶底板情况予以全方位的分析，从而才能够筛选出更加合适的支护设计方法，促进综采作业的顺利进行。通过对综采工作面的实际情况予以全面分析，保障支护设计方案的合理性与科学性，结合回采阶段所出现的顶板控制、巷道支护以及超前支护等情况，通过优化支护设计方案，促进综采工作面生产作业的安全进行，为企业带来良好的经济效益。