煤矿矿井23215综采工作面顶板管理技术设计.pdf

2023 年第 8 期2023 年 8 月煤炭是中国能源结构中十分关键的一环，煤矿的安全掘进对保证中国能源安全具有重要作用。煤矿的安全开采不仅关系着中国煤炭生产能否顺利进行，还关系着煤矿矿井中作业人员的生命安全，所以在煤炭生产过程中，中国十分重视综采工作面的作业安全。然而由于中国煤矿矿井中作业环境较为恶劣，在煤炭生产过程中时常发生安全事故，尤其是因综采工作面顶板支护所造成的生产事故占据极大比例。在煤矿掘进作业过程中，会导致矿井围岩原有的结构被破坏，极易出现挤架、倒架等安全事故，威胁着整个综采工作面的作业安全。因此，在煤矿矿井实际开采作业中，需要加强综采工作面顶板管理工作，最大程度上降低煤炭生产中发生安全事故的概率。1矿井概况伊犁新矿煤业有限责任公司的煤矿矿井位于霍城县东南部，井田面积为 76.65 km2。该矿井的资源储量为 1.68109t，主要可采煤层有煤21-1、煤23-2、煤27。其中 23215 综采工作面位于井田东北区的南部，西侧为23217，23219 工作面采空区，东侧为 23213 工作面采空区，北面是工作面的停采线（停采线位于 23215 辅运上山以南 15 m），南面是掘进揭露的伴生断层（倾向为330毅、倾角为 60毅、落差为 12 m），上 部为 21107，21105 工作面采空区。23215 综采工作面的勘探报告显示，工作面开采煤层埋藏较浅且构造相对简单，煤层倾角平均为 6毅。2矿压观测为了加强煤矿矿井 23215 综采工作面的顶板管理工作1，避免发生冒顶安全事故，本文针对该矿井的实际情况设计了相应的顶板管理技术。首先需要对矿压进行观测，参考观测结果实现对 23215 综采工作面顶板活动规律、支架受力等数据的定期分析，从而为后续顶板支护工作提供相应的技术参数2。本文在 23215 综采工作面上，采用山东思科赛德矿业安全工程有限公司KJ 24 顶板灾害监测预警系统对支架阻力进行监测，支架压力记录仪分别布置在 5#，10#，15#，150#，155#，160#，165#支架上。通过对工作面支架工作阻力进行监收稿日期：2023-01-04第一作者简介：张玉起袁 1983 年生袁 男袁 山东新泰人袁 助理工程师袁 主要从事井工煤矿开采研究遥通信作者：万芦苇袁 1982 年生袁 男袁 山东新泰人袁 助理工程师袁 主要从事井工煤矿开采研究遥煤矿矿井 23215 综采工作面顶板管理技术设计张玉起袁 万芦苇（伊犁新矿煤业有限责任公司，新疆 伊犁 839300）摘要：为了避免采煤过程中综采工作面发生支架下滑等安全事故袁 对煤矿矿井 23215 综采工作面顶板管理技术进行了设计遥 以伊犁新矿煤业有限责任公司 23215 综采工作面为例袁 通过对工作面进行矿压观测袁 为顶板管理提供技术参数遥在工作面顶板管理中袁 根据支护强度确定液压支架的选型袁 并采用本架操作尧 及时支护的顶板支护方式遥 在顺槽及端头顶板管理中袁 上顺槽尧 下顺槽采用超前支架支护方式袁 工作面端头采用支架支护顶板的管理方式遥关键词：煤矿矿井曰 综采工作面曰 顶板管理曰 技术设计中图分类号：TD327.2文献标志码：A文章编号：2095-0802-(2023)08-0094-04Design of Roof Management Technology for 23215 Fully Mechanized Mining Facein Coal MinesZHANG Yuqi,WAN Luwei(Yili Xinkuang Coal Industry Co.,Ltd.,Yili 839300,Xinjiang,China)Abstract:In order to avoid safety accidents such as bracket sliding in the fully mechanized mining face during the coal miningprocess,the roof management technology of the 23215 fully mechanized mining face in the coal mine was designed.Taking the23215 fully mechanized mining face of Yili Xinkuang Coal Industry Co.,Ltd.as an example,by observing the mining pressure onthe face,technical parameters were provided for roof management.In the management of the working face roof,the selection ofhydraulic support was determined based on the support strength,and the roof support method of operating this support and timelysupport were adopted.In the management of the trough and end roof,the advanced support method was adopted by the upper andlower troughs,and the management method of the roof supported by the support was adopted at the end of the working face.Key words:coal mine;fully mechanized mining face;roof management;technology design（总第 215 期）技术研究942023 年 8 月2023 年第 8 期测，掌握支架工作状态，评价支架适应性及顶板控制效果，防止工作面异常来压事故发生。然后采用“十”字布点法安设观测基点来观测巷道表面变形量（围岩变形量），如图 1 所示。A，B，C，D测点。图 1巷道表面变形量观测点布置示意图如图 1 所示，于 23215 综采工作面上、下顺槽顶板离层仪安设点布置观测基点，每个基站布置 2 组围岩变形观测点，间隔 1 m。使用挂线测量：首先在测点B，C之间布设测绳，测点A，D之间布设钢卷尺，此时获取相应的观测数据；然后在测点A，D之间布设测绳，测点B，C之间布设钢卷尺，再次获取相应的观测数据。观测数据的读数可精确到毫米，通过前后数据对比，可准确计算出巷道两帮变形量、顶底板移近量。最后利用顶板离层仪来获取巷道的顶板离层状态，分析工作面巷道围岩变形规律，保障顺槽的稳定性。测量频率为：顶板离层仪与围岩表面变形观测基站距离工作面 100 m 以外均为每周观测 1 次，100 m 以内为每天观测 1 次。通过上述内容，参考已回采完毕的 23213 工作面矿压观测参数，本文所得 23215 综采工作面矿压观测结果如表 1 所示。3工作面顶板管理3.1液压支架选型液压支架3是确保煤矿矿井开采作业顺利进行的关键设备之一。进行液压支架的选型时，需要综合考虑煤矿矿井 23215 综采工作面的实际环境以及支架支护强度等因素，在保障所选液压支架承载力符合工作面需求的基础上，兼顾液压支架的经济效益。首先按照经验公式计算支护强度：p1=kh酌g，(1)式中：p1为 23215 综采工作面支护强度的数值，单位MPa；k为需要支护的顶板的坍塌系数；h为 23215 综采工作面破煤高度的数值，单位 m；酌为岩石容重的数值，单位 t/m3；g为重力加速度的数值，取 9.8 m/s2。代入数据得：p1=83.82.69.8=774.592kN/m20.775 MPa。按照实测统计法计算 23215 综采工作面顶板压力为：p2=325M0.21，(2)式中：p2为 23215 综采工作面顶板压力的数值，单位kN/m2；M为 23215 综采工作面最大开采高度的数值，单位 m。代入数据得：p2=32510.80.21 535.68 kN/m2。根据式(2)所求工作面顶板压力，所需支架的工作阻力F为：F=p2n滋，(3)式中：n为支架的数量，取 5；滋为每个支架所承受的工作面顶板质量的比例因子，取 1.75。代入数据得：F=535.6851.75=4 687.2 kN。结合上述公式所求参数，本文在进行煤矿矿井23215 综采工作面的顶板支护过程中，选用 ZFY13000/24/42D 型和 ZFG15000/27/42D 型液压支架4，液压支架的支护强度为 1.43 MPa，大于式(1)所求工作面支护强度，支架的支护阻力为 13 000 kN，大于式(3)所求的支架工作阻力，可以满足顶板管理需求。在确定液压支架的型号之后，需要结合 23215 综采工作面的实际位置与环境，确定液压支架的高度和结构，进而保障作业人员可以安全开采煤矿。3.2顶板支护方式煤矿矿井 23215 综采工作面顶板管理技术的另一个关键因素就是支护方式5，本文在介绍顶板支护方式时，主要从综采工作面正常生产时期和特殊时期两个角度出发。首先是 23215 综采工作面正常生产时期，采用本架操作、及时支护的顶板支护方式，将移架的步距控制在 0.8 m 左右。如果 23215 综采工作面的顶板出现破碎状况，需要随割煤随移架，割一架移一架，降低采煤机速度，当端面距在 300 mm 以上时，使用超前序号项目23213工作面实测23215 综采工作面预计1直接顶初次垮落步距/m7.27.22初次来压来压步距/m11.211.2最大平均支护强度/MPa3737最大平均顶底板移近量/mm33来压显现程度不明显不明显3周期来压来压步距/m9.79.7最大平均支护强度/MPa35.235.2最大平均顶底板移近量/mm55来压显现程度不明显不明显4平时最大平均支护强度/MPa27.127.1最大平均顶底板移近量/mm555底板容许比压/MPa1.811.816直接顶类型2 类2 类7基本顶级别域级域级表 1矿井 23215 综采工作面矿压观测数据表ABCDO张玉起，等：煤矿矿井 23215 综采工作面顶板管理技术设计952023 年第 8 期2023 年 8 月支架来支护综采工作面的顶板。23215 综采工作面支护示意图如图 2 所示。在 23215 综采工作面顶板支护过程中，当转载机的机头发生移动之后，对 2#支架进行移动，再控制 3#，1#支架进行移动，所有支架移动完毕之后，对端头支架与超前支架进行移动。一般情况下，为避免采煤机截割到伸缩梁，需要控制超前采煤机的前滚筒以及滞后采煤机的后滚筒在 6 个支架以内，如果采煤过程中发生片帮现象，需要及时停止作业并推移超前支架。与此同时，在移架过程中，需要严格遵循以下要求6：首先 23215 综采工作面的电液控支架操作方式选用邻架操作，也就是作业人员在架箱内控制移架操作，严禁作业人员在底座前移架，且架前、架下都不能有人停留，这样才能确保采煤安全；支架端面距不得超过300 mm，支架前梁梁端至煤壁顶板垮落高度不超过300 mm，在移架完成后需要把伸缩梁与护帮板打开，从而避免煤壁片帮；在移架成功之后，保证 23215 综采工作面的支架初撑力符合安全生产质量标准化要求，如果初撑力不符合要求，需要进行二次注液。关于特殊时期的 23215 综采工作面顶板管理技术设计，需要按照以下内容进行：在 23215 综采工作面的初次来压与周期来压阶段，重视来压的预测管理，由采煤专业人员预测来压位置；23215 综采工作面的支架初撑力需要超过 24 MPa，上、下顺槽超前支架初撑力超过 12 MPa；注重端头顶板的管理工作，确保上、下出口行人畅通；如果遇到过断层，需要及时进行顶、底板的割平工作，确保顶、底板的过渡阶段为平缓状态，进而保证支架支护有效，在移架过程中需通过侧护千斤顶来调整支架，过渡支架拉移时，用好防倒油缸；如果 23215 综采工作面局部地段片帮比较严重，需要将支架伸缩梁打开，同时依靠护帮板来确保顶板安全。4顺槽及端头顶板管理4.1上顺槽下顺槽超前支护在进行 23215 综采工作面顶板管理的同时，需要加强顺槽和端头的顶板管理工作7，其中上、下顺槽主要使用 ZCZ40000/24/45D 型超前支架支护的方式，超前支护长度为 23 m。在顺槽支护过程中，需要确保 23215综采工作面安全出口的行人宽度在 0.8 m 以上，高度在1.8 m 以上，且不能堆放杂物。在进行上、下顺槽的支护时，需要遵循以下操作标准：超前支护设置 2 组控制器，每一组控制器均可实现支护的前移控制。超前支护主要通过“交替迈步”的形式进行移动，在控制支架移动过程中，首先需要把支架立柱固定好（以此确保支架在移动过程中不会发生倾斜），让顶梁与顶板之间保留一定距离，然后再进行移架操作。当推移油缸全部伸缩至规定步距之后，升起支架，初撑力达到12 MPa 以上时，停止供液并将支架控制器盖板盖好。在支架移动至规定位置时，通过支架防倒油缸来控制支架，确保支架垂直于顶底板，顶梁与顶板之间紧密连接。当转载机两侧的支架都移动到规定位置时，通过下顺槽支架两侧的推移千斤顶来控制转载机进行前移操作，在控制转载机移动过程中，两个千斤顶应匀速同时进行，防止转载机移动方向出现偏离8。4.2工作面端头的管理关于 23215 综采工作面端头的管理，上端头采用ZQL 10000/24/45 型端头支架支护顶板，下端头采用ZQL210000/24/45D 型端头支架支护顶板，其支护断面示意图如 3 所示。图 3矿井 23215 综采工作面端头支护断面示意图根据现场情况，上端头支架拉移到位后需及时将上侧护板升起维护顶帮，上端头支架与 171#支架间距大于 0.5 m 且小于 1.2 m 时，沿走向设置 1 排DW 38-250/110 型单体支柱，并结合 DJB 1000/300 铰接顶梁来支护顶板，每个单体支柱之间的距离为 1 m，初撑力在90 kN 以上；根据 23215 综采工作面的开采现场可知，不存在上端头支架与 171#支架间距大于 1.2 m 的情况。当顶板压力大，顶煤破碎冒落且上下端头有明显漏矸状况时，铺设金属菱形网维护顶板，铺网倾斜宽不小于 7 m，随工作面推采及时联网。菱形网接茬处用穿簧连接牢靠，菱形网要铺设平整，搭接严密，不得出现漏联、空联现象。工作面按照相关措施及时退锚施工，图 2矿井 23215 综采工作面支护示意图巷道工字钢梁1#支架2#支架3#支架转载机工字钢梁转载机端头支架支护962023 年 8 月2023 年第 8 期图 9巷道实际支护效果图6结束语对切顶卸压方式下沿空留巷的具体原理进行了分析，研究了沿空留巷情况下巷道变形特点。从沿空留巷情况来看，巷道围岩稳定性与巷道上覆岩层运动特征、围岩所处应力场等因素有直接关系。从覆岩活动特点出发，为了更好地保证沿空留巷的稳定性，在对巷道进行支护时，本次重点从顶板补强支护、挡矸防护、滞后支护、强制切顶等方面采取了针对性强化措施。在采取沿空留巷支护措施后，对巷道变形情况进行了现场监测。从监测结果来看，顶板最大下沉量和底板最大鼓起量均在 100 mm 左右，实体煤帮的移近量在 130 mm 左右，采空区侧的煤帮移近量在 100 mm 左右，巷道变形量均处于合理范围内。这表明在采取上述支护措施之后，巷道稳定性得到了较好的保障，对类似巷道支护有一定的借鉴作用。参考文献：1郑立军，王文，张广杰.高应力综放工作面切顶卸压沿空留巷开采技术研究 J.河南理工大学学报（自然科学版），2021，40(6)：43-53.2李春意，高永格，陈洁，等.大采高沿空留巷围岩稳定性及形变规律分析 J.地下空间与工程学报，2021，17(3)：897-908.3王方田，尚俊剑，赵宾，等.切顶卸压沿空留巷围岩结构特征及锚索强化支护技术 J.岩石力学与工程学报，2021，40(11)：2296-2305.4王炯，刘鹏，姜健，等.切顶卸压沿空留巷回采工作面 Y 型通风漏风规律研究 J.采矿与安全工程学报，2021，38(3)：625-633.5冯国瑞，任玉琦，王朋飞，等.厚煤层综放沿空留巷巷旁充填体应力分布及变形特征研究 J.采矿与安全工程学报，2019，36(6)：1109-1119.6张自政，柏建彪，陈勇，等.浅孔爆破机制及其在厚层坚硬顶板沿空留巷中的应用 J.岩石力学与工程学报，2016，35（增刊1）：3008-3017.（编辑：刘晓芳）(a)巷道支护效果（一）(b)巷道支护效果（二）工作面端头支架后 2 m 起，不得出现完整顶板。工作面推采过程中严格落实两巷超前退锚措施，上下隅角采空区顶板可跟进冒落，23215 综采工作面的周期来压步距设成 912 m，工作面周期来压期间可保证隅角顶板完整冒落。工作面端头支架后方隅角悬顶，不得超过3 m10 m（巷道宽巷道长），其中巷道长自切顶线开始计算（切顶线为支架顶梁与后部掩护梁的交线）。若超过此距离，根据现场条件在端头支架后方、切顶线之前垒砌矸石袋墙或悬挂挡风帘或实施强制放顶。5结束语主要论述了煤矿矿井 23215 综采工作面在正常生产时期与特殊时期的顶板管理技术，同时对 23215 综采工作面的顺槽及端头顶板管理技术进行了深入探讨。结合工作面的矿压观测结果，总结出一套相应的顶板支护管理方式，为 23215 综采工作面的安全开采作业奠定了一定的理论基础，且具有相当理想的安全效益及经济效益。参考文献：1王海兵，杨俊彩.8.8 m 特大采高综采工作面顶板管理技术 J.工矿自动化，2021，47（增刊 1）：55-57.2陈建国，卓军.综采工作面初采期间顶板控制技术及瓦斯防治措施 J.煤炭技术，2021，40(9)：113-116.3马文伟.大采高坚硬顶板工作面巷道围岩控制技术 J.煤矿安全，2022，53(8)：94-103.4田春阳，常云博，朱涛，等.6 m 大采高工作面沿空掘巷窄煤柱宽度及围岩控制技术研究 J.煤炭工程，2021，53(12)：39-44.5肖殿才，蒋祥卿，罗勇，等.深井软岩巷道穿厚煤层碎裂顶板区围岩控制技术 J.煤炭工程，2022，54(2)：37-42.6贾栋，姜德义，陈结，等.综放工作面覆岩破坏特征及裂隙演化相似模拟试验研究 J.中国安全生产科学技术，2022，18(3)：19-25.7邓敢博.特厚煤层回采巷道顶板变形特征及控制技术 J.科学技术与工程，2021，21(17)：7040-7045.8杨俊彩，王文，张广杰.柔模砼墙沿空留巷围岩变形规律及控制技术研究 J.煤炭科学技术，2022，50（增刊 1）：89-99.（编辑：刘晓芳）（上接第 77 页）张玉起，等：煤矿矿井 23215 综采工作面顶板管理技术设计97