关于综采工作面端头支护的探讨

【摘 要】端头支护是综采工作面支护的难点，研究端头支护对于煤矿安全生产和高产高效都具有积极意义。文章以27125工作面为例，介绍了整体顶梁端头支架在端头支护中的应用。实践表明，应用整体顶梁端头支架进行支护后，每班需要的支护工人数量减少了5人，而支护需要的时间却比以前还短，从而缩短了回采准备时间，提高了开采效率。

【关键词】综采；端头支护；整体顶梁端头支架

在煤矿开采中，工作面与回采巷道的交汇点，称为端头。对于采矿支护而言，端头是需要重点注意的地方。一来是因为这里处于工作面与回采巷道的交汇处，悬露面积较大，且处于工作面支承压力的增压区，因而容易发生冒顶等安全事故。二来是因为这里设备、人员密集，需要做的工作很多，一旦在这里发生安全事故，不仅对生产进度影响极大，而且还容易造成人员伤亡和设备损毁。鉴于此，加强对端头支护和端头管理的研究，研究新技术和新设备在端头支护中的应用，对于做好煤矿安全管理和高产高效都具有非常重要的意义。本文拟以工程实践为例，介绍整体顶梁端头支架在端头支护中的应用。

1 传统端头支护方式存在的问题

传统上端头支护采用单体支柱配合铰接梁（π型钢梁）简易支架支护等方式，后逐渐发展为端头支架。在这些支护方式中，普遍存在以下两个问题：

（1）单体支柱配合铰接梁（π型钢梁）简易支架方式支护工作量大，采煤机割槽头时需回柱放顶，重新打设单体柱进行支护，占用时间较长，影响正规循环作业；回收的单体柱、铰接梁、铁鞋、工钢底梁等支护材料需人工外运，劳动强度较大；单体柱支护时槽头一般需要打设15根左右，按每根支撑力为90 kN，总支护强度约为1350 kN，支护强度较低，工作面来压时单体柱活下缩量大。

（2）使用专用端头液压支架对槽头进行支护时，由于支架几何尺寸较大，且架体笨重，前移困难；同时端头支架对顶板的平整度和巷道的宽度、高度要求较高，当槽头条件差时，端头支架存在前移困难，支护效果差等缺点，且排煤不畅，清煤时间长。

2 工程地质背景

27125工作面开采的5 #煤层属于典型的华北三软型煤层，其突出特点为：①顶板松软，采后易垮落；②煤质松软，采后煤壁对顶板支承力差，极易垮落；③底板松软，单体柱易钻底；④巷道交叉点和工作面机头机尾等控顶面积大的地点顶板支护困难。

该工作面所采的5 #煤层平均厚度为2.05m，煤层倾角平均0.3°，作为水平煤层处理；直接顶为平均厚度为2.53m的泥岩，老顶为中砂岩，厚度在8.53m～15.48m，平均厚度为12.24m；直接底为平均厚3.05 m的砂质泥岩，老底为灰岩，平均厚21.75m。工作面走向长754m，倾向长198m。27125综采工作面两巷均沿煤层底板布置，均采用工字钢棚支护，规格相同，上净宽2.8m，下净宽4.3m，净高2.6m，巷道净断面9.23m2，棚距600mm（中―中）。

3 顶板压力及支架工作阻力计算

3.1 支顶方法验算支架工作阻力

（1）初次来压期间。基本顶（直接顶）初次来压期间，要求支架不被压死的情况下，支架能支撑住基本顶（直接顶）1/4所受重力P1为：P1= M1Y1C1L1/4，其中，M1为基本顶（直接顶）厚度，取12.24m；Y1为基本顶（直接顶）初次垮落步距，取20m；C1为基本顶（直接顶）平均容重，取27.2kN/m3；L1为控顶宽度，取1.5m。将以上数据带入上述公式中，可以得出P1为2496.96kN。

（2）周期来压期间。支架要求承担部分基本顶（直接顶）的作用力，以减缓基本顶（直接顶）的来压速度，合理的支护强度为：P2=M1Y'1C1L1/4，其中Y'1为基本顶（直接顶）周期来压步距，取13.5m，其他字母的含义与上面的相同，将数值依次带入公式，可得P2的值为1685.45kN。

3.2 经验估算法计算支架载荷

工作面支架上覆岩层厚度与采高之比，一般为4～8，取6，则单位面积的载荷为：P=6×m×γ，其中，m为最大采高；γ为岩柱的容重。从以上计算可得，支架所受的载荷为361.1kN/m2，支架顶梁长度为3.8m，控制宽度1.5m，则支架承受的载重力为2058.3kN。

综上所述，该工作面支架的工作阻力为3400kN，大于计算的最大载荷，满足要求，端头支护处支护设备应大于此支撑力的要求。

4 整体顶梁端头支架的应用

工作面下端头采用整体顶梁端头支架，此整体顶梁端头支架的主体架为箱式结构，支撑顶梁为2节式，采用多油缸支撑，控制系统采用液压控制，一端为活性连接，便于整体移动与高度调节。该支架使用8根单独的油缸支撑顶梁，每根油缸支设在预先焊接在转载机上的柱脚内，支架随转载机拉移而整体移动（图1）。

根据现场操作的经验，该支护方式能够有效控制顶板，具有诸多优点：①采用整体式顶梁，提高了端头支护的整体性能，有效避免了顶板冒顶、漏煤等事故的发生；②顶梁结构紧凑、有效支护面积加大，能够有效抵御侧向压力的影响，提高支护的整体效果；③由液压油缸提供整体顶梁的支撑，改善了支撑方式，提高了支撑效率；④液压油缸支设在转载机机尾之上，改善了以往单体柱支设受底板松软的影响，避免了支架钻底现象；⑤实现了与转载机的同步拉移，从根本上改变了端头支护前移方式，简化了作业程序，提高了支护效率；⑥支架的结构设计紧凑，有效改善了端头作业环境，能够保证足够的巷道高度和行人侧宽度；⑦大大降低了工人的劳动强度，缩短端头支护的时间，提高工作面的开机率，延长了工作面正常生产时间。

5 关键技术

采用整体式的支架顶梁，顶梁预设油缸柱窝，并在顶梁下侧设计具有Π型钢梁形状的外露部分，便于支设单体柱；支架底部结构与转载机机尾相连接，在装载机机尾预设油缸柱窝，实现与转载机的同步拉移；由液压油缸为整体顶梁提供支撑力，油缸与工作面液压系统配套并可灵活拆卸、更换，油缸支设在转载机机尾上，增强支护效果。

6 结束语

整体顶梁端头支架在27125综采工作面的应用实践表明，该支架对于顶底板松软的煤层特别适用，它简化了端头支护的作业工序，节省了支护时间，实现了支护的自动化和机械化。27125综采工作面应用整体顶梁端头支架进行支护后，每班需要的支护工人数量减少了5人，而支护需要的时间却比以前还短，缩短了回采准备所花的时间。经计算，该工作面现在每年的原煤产量比以前增加14.5万t，增加比例为5.1%，每年可以给企业增加收入5800万元，增加利润数百万元。

参考文献：

[1]刘昌平.大倾角厚煤层长壁综放工作面端头支护技术实践[J].煤炭科学技术，2005（33）.

[2]周志利，苏海.大采高综放工作面端头支护技术[J].煤，2008（37）.