工作面支护设计案例分析

【摘 要】本文通过分析某煤矿工作面的顶板类型、控顶原则和单体液压支柱的性能，提出了工作面支护设计的具体方法，确定了工作面合理的支护密度，减少架设支护环节的时间，同时减少材料消耗，对类似的支护设计有借鉴意义。

【关建词】单体液压支柱；工作面；顶板控制；设计

1 工作面概况

某矿56311工作面标高-373.6～-407.0m，走向长380m，倾向宽107～134m，地面标高+34.3～35.5m。3煤层厚度0～3.6m，平均1.8m；煤层倾角12～35°，平均23°。本工作面3煤层直接顶为再生泥岩胶结顶板，胶结程度一般。在切眼上部为原生顶板，厚度0.2～2.0m。老顶为灰～深灰色泥质粉砂岩，粉砂岩局部含2煤。直接底板为1～2.0m的浅灰色泥岩。老底为泥质粉砂岩和煤层状中细砂岩，局部为泥质粉砂岩和泥岩互层。岩层综合柱状见图。本工作面北部发育数条断层和滑动构造，褶曲平缓。断层为正断层，倾角75～85°，落差最大5m。工作面直接充水来源为3煤层顶板砂岩裂隙水和上部工作面采空区积水，主要为采空区积水。

2 工作面顶板控制分析

2.1 工作面顶板分类

56311工作面3煤层厚度变化较大，0～3.6m，平均1.8m，煤层倾角12～35°，平均230。平均采高可按1.8m考虑。直接顶为再生泥岩胶结顶板，胶结程度一般。老顶为灰-深灰色泥质粉砂岩，粉砂岩局部含2煤。直接顶厚度为泥岩，厚度在5m以`上，大于2～3倍采高。所以判断本工作面顶板为第一类。

2.2 工作面顶板控制原则

对于再生的第一类顶板，支护原则为：首先根据防漏的要求，采用工程类比法确定排距和柱距，再采用“支”、“切”原则进行控顶设计。

对于再生顶板的控顶设计，最好的支护是排距1.0m，柱距0.6m，不仅稳定可靠，而且有利于行人和运料。这是得到大量工程实践证实的的支护方式。对具体条件，可以对这一支护参数适当进行调整。

所谓“支”是指用采场基本支护的初撑力平衡工作空间上方冒落带岩重。依此，或先定支柱的初撑力，计算出支护密度，再转化成排柱距；或先定排柱距，转化成支护密度后，在求所需的支柱初撑力。

“切”是指用切顶排另增切顶支柱的初撑力平衡采空区上方冒落带直接顶岩层的重量。考虑到直接顶具有分层冒落的特点，以及岩层具有一定自承能力，多数情况下，切顶排另增切顶支柱的初撑力能平衡采空区上方最大冒落分层的岩重即可。

除了“支”、“切”，还要考虑防推问题。

3 工作面顶板控制设计

3.1 首先考虑防漏

56311工作面为再生顶板，最好的支护是排距1.0m，柱距0.6m，不仅稳定可靠，而且有利于行人和运料。考虑到现有的顶梁为HDJA-1200型，长度1.2m，更换为长度1.0m的顶梁有一定难度，所以仍然采用HDJA-1200型金属铰接顶梁。因此确定III324D工作面单体支柱控顶排距为1.2m，柱距为0.6m。考虑到顶板为胶结程度一般的再生泥岩顶板，比较破碎，为了防止顶板漏冒，支柱必须带顶梁，顶梁上还需背板，而且要求必须背严、背实。

3.2 其次考虑“支”

工作空间上方单位面积冒落带岩重qk按下式计算

kN/m2

式中：γ―直接顶岩重，取25kN/m3；

h ―直接顶顶板厚度，4.5m；

α―煤层倾角，平均23°。

56311工作面直接顶为再生泥岩胶结顶板，胶结程度一般，故直接顶悬顶长度可取为0。

按60%选取单体液压支柱的工作阻力，P为180kN/根（单体液压支柱的额定工作阻力为300kN），则工作空间基本支护密度n按下式计算

根/m2

式中：Kg―考虑机道宽度的系数；

Kt―考虑末排柱后顶板岩重的系数。

式中：Lg―机道宽度，取1.5m；

Lp―基本支柱排距，1.2m；

Lx―最小控顶距，3.9m；

Lt―末排柱至采空区顶梁末端的距离，0.5m。

因此可得：Kg=0.097，Kt=0.16。则

根/m2

基本支柱的柱距Lj则可按下式求得：

m

一般情况下，柱距Lj不超过1m，考虑到排距为1.2m，因此柱距取0.6m，此时的支护密度为n=1.39（根/m2）。

如前面所述，直接顶悬顶长度为0，所以不需专门设计密集性支柱，但考虑到防止采空区大块矸石窜入推垮支架的需要，末排支柱应设计加强支护。

3.3 再考虑“切”

支架的初撑力应能保持直接顶与老顶之间不离层，要求把直接顶沿放顶线切断。为此，必须让直接顶的岩梁于折断瞬间在放顶线上处于固支状态。此时，在最小控顶距下，支架的初撑力必须满足：

第一，支架的初撑力能够平衡直接顶岩梁重量，即

kN/根

第二，支架的初撑力所产生的主动力矩能够平衡工作空间上方下位岩层岩梁所产生的力矩，即

kN/根

式中：Lzx―垮落带中直接顶岩层在采空区的极限悬顶长度，取0；

n1―个柱距Lj内第一排基本支柱数目；

n2一个柱距Lj内第二排基本支柱数目；

n3一个柱距Lj内第三排基本支柱数目。

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