马脊梁矿8107工作面安全采煤顶板控制技术研究

李恒旺

（晋能控股煤业集团马脊梁矿，山西大同 037000）

1 8107工作面概况

8107 工作面沿煤层底板布置，工作面运输巷道长2519m，回风巷道长2603m，开切眼长243m。可采走向2439m，煤层平均厚6.20m，可采储量518.1×104t。8107工作面地表位于马脊梁矿与同忻矿矿界万家咀村以北，窑洞村以西。该工作面地表有2条万家咀大沟支沟穿过该工作面中部，沟宽50~120m；工作面西部地表道路发育，无光伏区。地表高差约113m，上覆7#、11#、14-2#及14-3#层为本矿采空区。

8107 工作面煤层赋存情况：8107 工作面煤层结构复杂，煤层厚度4.65~8.33m/6.20m，含3~7层炭泥岩，高岭岩夹矸，每层夹矸厚0.15~0.65m，5107巷局部煌斑岩侵入，预计影响较小。煤层属于近水平煤层倾角大约在1°~2.5°之间。煤种主要为气煤，靠近切巷和靠近盘区大巷区域有长焰煤。可采性指数1，变异系数15.1%。

8107工作面煤层顶底板情况见表1。

表1 煤层顶底板情况表

2 巷道布置及采煤方法

2.1 巷道布置

8107 工作面为一进一回两巷布置，两条巷道相互平行且与三条盘区大巷呈90°布置，两巷均沿煤层底板布置。8107 工作面切眼巷位于工作面西南方向，切眼工作面帮距盘区皮带巷2519m，切眼长243m。工作面由西南向东北方向推进。工作面安装一套KTC101 型通讯控制一体化系统，每隔15m 安装一个分机。8107工作面切眼与顺槽巷道相垂直，切眼掘宽9m，掘高3.6m，切眼巷长度243m。锚杆+锚索+金属网+铰接顶梁+两排单体液压支柱联合支护，支架铲运车可从单体液压支柱与工作面中间通过[1]。

2.2 8107工作面采煤方法

工作面初采期间，初采12m 不放煤，初采12m 后，人工操作回收顶煤。采用“一釆一放”的方式循环作业，割煤截深为0.8m，放煤步距为0.8m，循环进度为0.8m。停采线前20m 到停采线区段内，只割煤不放煤。采用自然垮落法管理采空区顶板。

生产工艺：采煤机头（尾）端头斜切进刀→割煤→移架→推前刮板输送机→放顶煤→拉后刮板输送机→采煤机尾（头）端头斜切进刀→割煤→移架→推前刮板输送机→放顶煤→拉后刮板输送机，此为一个正规循环，照此往复不断割煤。

3 8107工作面顶板管理方法

3.1 工作面顶板控制

工作面支护方式。在工作面支护作业中，8107 工作面所用的支架为ZF13000/25/38M 型正四连杆支架与ZFG13000/27.5/42HM型过渡支架，这两种支架分别用了132架和9架，选用了自然垮落法来管理顶板。支架的中心距与端面距分别为1750mm 与340mm，可达到的最大控顶距与最小控顶距分别为6535mm 与5735mm。工作面支架布置见图1。

图1 工作面支架布置剖面图

3.2 端头及超前支护顶板管理

3.2.1 支护材料的选择

选用DW45-250/100X 型单体柱与DFB1200 型π型梁相互配合来进行工作面的端头及超前支护。

单体柱的强度、支护密度计算：

（1）合理支护强度的计算：

式中：Pt——合理的支护强度，kN/m2；

h——直接顶及顶煤厚度，m（顶煤煤厚2.9m，直接顶厚2.94m）；

γ——容重，kN/m3，直接顶一般可取25kN/m3，煤体取14.1kN/m3；

k——载荷不均匀系数，一般取1.1~1.2，取1.2。

（2）支护密度采用下列公式进行计算：

式中：n——支护密度，根/m2；

Rt——支柱实际支撑能力，kN/根。

①2107 巷：巷道支护设计为三排锚杆、一排锚索，锚索锚固力大于470kN，顶锚杆∅20mm 锚固力大于125kN，考虑锚杆、锚索的支护力，计算得每平方米的支护强度为255kN。

n=94.1/(211+255)=0.2(根/m2)

则每根单体柱有效支护的面积为：

S=1/0.2=5(m2/根)

即在柱距为1.0m情况下，宽5.4m巷道需支护1.1根。

②5107 巷：巷道支护设计为一排锚杆、一排锚索，锚索锚固力大于470kN，顶锚杆∅20mm 锚固力大于125kN，考虑锚杆、锚索的支护力，计算得每平方米的支护强度为310kN。

n=94.1/(211+310)=0.2(根/m2)

则每根单体柱有效支护的面积为：

S=1/0.2=5(m2/根)

即在柱距为1.0m情况下，宽5.4m巷道需支护1.1根。

（3）单体柱支护强度的验算。尾超前为密集支护，故不做验算，本验算为头超前支护强度验算。

①直接顶单位面积的压力为：

式中：Qz——直接顶单位面积上的最大压力，kN/m2；

k——载荷不均匀系数，通常为1.1~1.2；

γ——顶板岩石容重，通常为25kN/m3；

h——直接顶厚度，为2.94m。

②单体柱额定支护强度：

式中：Pmax——单体柱额定支护强度，kN/m2；

F——单体柱额定工作阻力，kN；

S——单体柱有效支护面积，通常为1.8m2。

通过以上计算得选用的单体柱支护强度Pmax+255≥Qz，符合支护需求。

3.2.2 运输巷、回风巷超前支护

（1）头超前支护形式。根据我队8113 小煤柱工作面回采经验，头巷为非临空巷道压力显现不明显，巷道原支护基本有效。根据我队其它工作面回采经验及集团公司规定，2107巷超前支护距离为30m，在进行支护作业时，可选用三根单体柱与π型梁相互配合来支护。2107巷超前支护：采用三根单体柱与π型梁相互配合进行支护，梁与巷道垂直，可布设三排单体柱，两排单体柱间的柱距为1m，排距可控制在1.2m 与2.53m。使用弹簧扣可调式硬连接防倒，防倒安设高度为单体柱2/3处，使用弹簧扣式防坠，防倒防坠齐全有效。2107巷超前支护的距离为30m。

（2）尾超前支护形式。8107 工作面紧邻已回采结束的8105 工作面，面间煤柱为4.5m，结合8113 小煤柱工作面回采经验，预计8107工作面回采期间5107巷超前段会出现顶板下沉、底板鼓起、两帮收缩等强矿压显现现象，根据8113小煤柱工作面的开采经验，超前支护距离暂定为100m。

5107 巷超前支护：工作面回采前100m 采用“三梁三柱”支护，也就是用三根单体柱与三根π型梁相互配合进行支护，让梁与巷道相互垂直。共三排单体柱，每排单体柱柱距为1m，自煤柱侧到工作面帮侧的排距依次为0.8m、1.9m、1.9m、0.8m，支护距离为100m。使用弹簧扣可调式硬连接防倒，防倒安设高度为单体柱2/3处，使用弹簧扣式防坠，防倒防坠齐全有效。

100m后采用单体柱配合木垛的方式加强支护，单体柱采用“五梁五柱”即五根单体柱配合五根1.2m长π型梁的方式进行支护，单体柱采用DW45-250/100X型，支护长度100m，使用弹簧扣可调式硬连接防倒，防倒安设高度为单体柱2/3 处，使用弹簧扣式防坠，防倒防坠齐全有效。靠煤柱侧帮和工作面帮各支一排木垛，木垛规格为：2.0m×1.5m，方木规格为：2000mm×150mm×150mm 和1500mm×150mm×150mm，其中2m长方木顺巷道方向支设，1.5m 方木与巷道垂直方向支设，支护距离都大于100m，可把两排木垛布设为三花交错式，相邻两木垛间距设为5.0m，排距设置为3.1m，两木垛间隙为3.0m，间隙内按要求支设4排单体柱，随着工作面的不断推进，逐步向前倒支木垛[2]。

3.2.3 工作面端头、安全出口的顶板管理

（1）头端头采用一组端头支架（两架）和2#过渡支架配合一梁一柱柱塞悬浮式单体液压支柱带1.2m长的“π”型梁维护顶板。并布设高度比1m 高，宽度比0.8m宽的行人过桥在前后溜之间。当工作面端头支架至煤柱帮二者间的距离大于0.8m时，架设1排单体支柱，且每增加一个0.6m布设1排单体柱，单体柱柱距1.0m，单体柱支设长度从关门柱至头超前支护。

（2）尾端头采用过渡支架配合一梁一柱柱塞悬浮式单体液压支柱带1.2m 长的“π”型梁维护顶板。尾安全出口高度不得低于1.8m，宽度不得小于0.8m。当工作面142#液压支架至煤柱帮的距离大于0.8m时，布设1排单体支柱，增加一个0.6m布设1排单体柱，单体柱柱距1.0m，单体柱支设长度从关门柱至尾超前支护。

3.2.4 架、回梁工艺

（1）架超前支护的“π”型梁时，执行“先支中间后支两边，先将梁放在凳子上再将梁放在单体柱上”，至少六人配合架梁，一人扶单体柱，两人扶凳子，两人放“π”型梁，一人操作液枪。先将“π”型梁放在凳子上，放好后，用铅丝双股把“π”型梁与顶板支护固定在一起，再操作液枪缓慢升中间的单体柱，待单体柱接实顶板后，用卡子将单体与“π”型梁固定，再操作液枪支两侧的单体柱，待两侧单体柱也接顶后，人员撤到5m以外安全地点，操作液枪人员进行远方操作将柱升紧升牢，达到初撑力。支柱时，严禁将单体柱快速升起，以防支柱滑倒伤人。

（2）回超前支护的“π”型梁时，先回撤两端的单体柱：先拆除单体柱头的卡子，人员站在有单体支护的位置用长柄回柱钩一端插入支柱的三用阀，操作回柱钩缓慢泄液，待柱降下后，一人扶柱，一人拆除联接装置，人工将单体柱抬到5m 以外的安全地点。再回中间的单体柱：先拆除单体柱头的卡子，人员站在5m 以外的安全地点，远方操作回柱钩缓慢降柱，令单体柱自行倒地，如单体柱和“π”型梁不能自行倒地，需人工进行回倒单体柱时，人员要选择5m 以外安全的地点，远方操作用长柄工具将单体柱推倒，人工将单体柱回出，如“π”型梁不能随单体下落，人员要站在凳子上，两人扶凳子，两人将“π”型梁放在凳子上，放好后，两人喊好口号，同时将“π”型梁扔到地上，人工将“π”型梁运出超前支护以外。如顶板破碎，先支临时支护再进行回撤。

（3）回撤顺序：由里向外逐架回撤。

3.2.5 支、回木垛工艺

（1）支设木垛时，方木与方木成井字型码放，支设时保证层层稳固、对齐，底板不平处及木垛接顶处用半圆木及木楔刹紧、背实，保证木垛接顶牢固、有效。支设木垛时至少有三人配合作业，一人负责观察顶帮情况，一人递料，一人支设。且当支设木垛高于2m时，搭架子，架子要做到牢固可靠，并有专人扶。

（2）当前溜尾推进至距工作面侧木垛0.8m 尾斜切进刀时由作业人员对木垛进行回撤；当前溜尾推进至与煤柱侧木垛靠巷口方向边平齐时由作业人员对木垛进行回撤。

3.3 采空区处理

8107 工作面顶板的垮落性较好，采用自然垮落法处理采空区顶板。

根据矿井前几个放顶煤工作面回采经验，工作面回采过程中除两端头悬板外工作面顶板能够随采随垮。在采煤作业中，若遇到两端头古塘及工作面局部悬板大于10m2的情况，或遇到垮落高度不是很大的情况时，可通过在支架前提前断网，退锚，不断升支架，借助支架升力来让顶煤破碎，使工作面及两端头古塘悬板垮落。如古塘悬板仍不能自行垮落，则优先采用水压致裂技术或施工密集切顶孔进行放顶，使工作面及两端头古塘悬板及时随采随垮，严禁采取打眼放炮强制放顶[3]。

4 结束语

经综合应用这些顶板管理措施后，8107 工作面顶板得到了很好的控制，不再出现冒顶、垮落现象，顶板下沉量控制在了安全范围内，取得了较好应用效果，有效保障了8107工作面的安全生产。