1、专题部分回采工作面断头支护方式浅析摘要：随着我国采煤技术的发展，采煤机械化与回采工作面端头支护落后的矛盾越来越突出，如不改进和完善回采工作面端头支护技术及设备，必将影响回采工作面高产、高效、安全生产。因此，研究回采工作面端头支护技术与设备迫在眉睫。关键词：回采工作面端头、端头支护、顶板1绪论回采工作面上下出口处机电设备多, 人员出入频繁, 端头支护效果对机电设备的正常运转和工作人员安全影响极大。若支护不当, 势必引起端头冒顶事故的发生, 从而影响回采工作面的正常生产。据笔者对40 个回采工作面冒顶事故的调查分析, 端头冒顶事故占回采工作面冒顶事故的22%, 都是支护不当造成的。端头范围矿压显现
2、有其不同于采面的特殊规律, 应据此选择端头支护的形式。1.1 端头范围的界定回采工作面端头区域与上下平巷相连,并且有1 2 m 的超前缺口, 还要考虑由于两巷预先掘出, 巷道外侧帮已经松动的范围以及端头区域悬顶宽度。据我们对采面不同条件的上下平巷观测发现, 回采工作面上下平巷外帮松动范围的大小与煤层强度、巷道宽度、顶板岩性、预掘时间、支架形式等有关。采用单位巷道宽度所产生的巷道外帮松动量, 来描述不同条件的回采巷道产生的巷道外帮松动范围尺寸, 即巷道宽度影响系数, 用K 表示:根据现场实测巷道外帮松动范围0.280.78，那么端头范围S 表达式为S = ( LK+ LZ+ LX) (B + B
3、K + LQ )式中 LK 采面控顶宽度, m； LZ 端头缺口沿走向宽度, m； LQ 端头缺口沿倾斜长度, m； LX 悬顶宽度, m； B 工作面运输巷或回风巷宽度,m； BK 巷道松动范围, m。端头范围如图1 所示1.2 端头范围矿压显现特征回采工作面端头范围内矿压显现不同于采面, 这是选择端头支护要注意的问题。1.2.1工作面上下平巷预先变形我国普遍采用采区内后退的回采顺序,两条平巷均须预先掘出, 超前时间一般为几个月, 有时1 至2 年。由于时间和覆岩的双重作用, 巷道围岩变形是必然的。变形量的大小取决于围岩的原始应力、岩石性质、巷道支护形式、支护强度和巷道尺寸。在开采深度大,
4、煤岩层松软和受采动影响的情况下,巷道围岩变形严重。如开滦矿务局赵各庄矿,开采深度1 000 m, 上下平巷均用U 形钢支护, 必须经过几次修复才能正常使用。实际巷道松动范围已深入到周边3 5 m。在开采深度浅, 煤岩层强度大, 在受开采影响的情况下巷道围岩变形较小。如大同矿务局云冈矿, 开采深度250 m 左右, 平巷采用锚杆支护, 在整个回采期间不必修复即可正常使用。巷道两帮的松动范围为1 115 m。图1-1 端头范围示意 表1 -1 不同条件工作面运输巷、回风巷巷道实测K值巷道宽度/ m煤层硬度系数 顶板岩性断面形状支护形式 K 值3.0 3.05.0细粉砂岩互层矩形带帽点柱0.40 3
5、.2 2.0 页岩、泥岩梯形工字钢棚0.62 3.8 4.0 砾岩、砂岩矩形锚 杆0.28 3.0 1.52.0泥页岩梯形工字钢棚0.78 4.0 5.0 中粒砂岩矩形工字钢棚0.32 3.6 3.0 庙沟灰岩倒梯形带帽点柱0.41 4.1 3.04.0致密砂质泥岩梯形普通槽钢0.45 4.2 1.01.2粉砂岩拱形拱形支架0.58 2.4 2.0 灰黑色泥岩梯形工字钢棚0.51 3.3 1.5 粉砂岩梯形工字钢棚0.69 1.2.2工作面上下巷支护无初撑力与回采工作面支护不同, 工作面上下平巷的支护几乎是无初撑力的支护( 锚杆支护除外) , 在复合顶板条件下, 必然产生顶板离层。由于支护阻力
6、小, 巷道背板材料强度低, 可缩量大, 更加剧了巷道围岩变形, 十分不利于端头支护。1.2.3端头范围受多重支承压力影响（1） 受巷道本身产生的支承压力影响回采巷道大都在煤层中掘进, 一般情况两帮均是煤层, 顶部沿顶板, 巷宽在4 m 左右。在开采深度较大的矿井内, 可以观测到由于掘巷产生的应力集中引起的两帮变形。（2） 上端头受上区段开采形成的固定支承压力影响在回采巷道布置中, 煤柱护巷是主要形式, 要这一宽度煤柱保护下的巷道, 还不能从根本上避免上区段开采形成的固定支承压力影响, 有些采面的端头范围和巷道正处于其峰值区, 给端头支护带来很大困难。（3） 受采动形成的支承压力影响随着回采工作
7、面向前推进, 端头范围要受工作面前方支承压力影响, 还要受到本区段开采形成的固定支承压力影响。下端头比上端头少一个上区段开采形成的固定支承压力影响, 所以顶板状况及顶压状态均较好。（4） 端头范围空顶面积大、顶板完整性差在回采工作面两端头, 为了安全移机尾和机头, 必须支设大跨度顶梁, 工作面向前推进时还要回撤前进方向的基本支柱, 移后再补, 该处顶板要经过反复支撑。因此, 端头范围支护和围岩系统刚度要比工作面正常段支护和围岩系统的刚度小。一方面是反复支撑的结果致使顶板刚度降低; 另一方面因底板接近巷道, 早已松动, 因而端头范围的顶底板变形很大, 完整性差。1.2.4煤壁对顶板的三角支承形成
8、悬臂在煤层顶板比较坚硬的情况下, 回采工作面煤壁、端头煤壁组成了对顶板的三角支承带, 因而端头范围内顶板在回柱后, 常滞后于工作面的顶板冒落, 形成较大的悬顶,使端头范围压力增加。2影响回采工作面端头支护的因素根据工作面端头范围内不同地点的支护特征， 工作面端头分成5个区域(图1)。A区为工作面煤壁前方受超前集中压力影响的一段顺槽；B区为与工作面宽度相对应的一段顺槽；C区为工作面与顺槽交界处至回采工作面普通支架的一段回采工作面；D区为回采工作面的切口；E区为回采工作面放顶线至后方受滞后集中压力影响的一段顺槽及其靠冒落区的一段护巷带。这5个区域的支护既有其独特性， 又互相联系互相制约，均受地质与
9、生产的多种因素影响。从总体上讲， 影响端头支护的因素可分为两大类。一是地质条件， 这是先天的， 只能利用，无法改变。二是生产技术条件，这是后天的， 是可以人为改变的。人们可以充分利用先天的地质条件和创造最优生产技术条件来进行有效的工作面端头支护。具体来说，上述两大类因素可细分为以下几个方面，它们不同程度地影响着工作面端头支护。2.1 围岩稳定性围岩的稳定程度不同，其矿压显现有明显差异。围岩类别是确定巷遭与回采工作面支护形式的主要依据。众所周知，合理的端头支护必须以围岩矿压显现特征为基础，并与巷道和回采工作面的支护形式及有关生产技术条件相适应。不难看出，围岩稳定性对工作面端头支护有着极为重要的影
10、响， 它是选择工作面端头支护形式的主要依据之一。2.2 煤层倾角对于近水平煤层， 煤层倾角对工作面端头支护影响不大。但倾角较大的煤层， 则对工作面端头支护有着明显的影响。在这种条件下， 势必要在平顶形棚式支架顶梁上方和拱形支架的拱粱靠工作面一侧留下三角煤，而且还将在工作面端头B区与C、D区之间形成台阶(工作面顶板高于巷道顶板)。由于三角煤(特别是松软煤层)很难维护， 加上工作面超前集中压力的作用，极易冒落，常使支架上方形成空顶， 大大降低支架的支护能力和稳定性，造成工作面端头维护困难和复杂化。2.3 巷道布置与掘进巷道维护状况直接影响工作面回采时其端头维护的难易。由于受地质构造(如断层、褶皱)
11、和开采引起的应力集中带(如上区段对下区段、近距煤层开采时上伏煤层对下伏煤层、厚煤层分层开采时上分层对下分层等)的影响，巷道在未受采动影响前已严重变形破坏，造成工作面端头维护非常困难。另一方面，对于一些需要部分掘进岩石的巷道， 如拱形巷道、巷道高度大于工作面采高的平顶型巷道以及受煤层倾角影响需掘进部分岩石的巷道，如何选用掘进方式(挑顶或卧底)对工作面端头维护也有重要影响。通常，保持顶板的完整性对工作面端头维护(尤其是B区与C、D区交界处) 是很有利的。但在个别情况下也不尽然。如拱形巷道，若要保持顶板的完整性就势必要在拱形支架的拱梁两侧留下三角煤，这对工作面端头维护反而不利。2.4 巷道断面形状与
12、尺寸从工作面端哭支护考虑，平顶形巷道有利于实现工作面端头B区与C、D 区支护的连续过渡， 避免在工作面与顺槽连接处发生漏矸冒顶现象。此外， 平顶形巷道便于端头支架尤其是机械化端头支架的安设与移动，有利于机械化端头支架的发展。大断面巷道不如小断面巷道容易维护，这是普通常识。但是， 现代采煤装备和工艺要求巷道断面不断加大，以保证设备高度集中和人员出入频繁的工作面端头有足够的空间。抽样调查表明， 我国普采工作面顺槽断面平均仅 46m2 ，综采工作面顺槽断面平均也只有83m 。而国外顺槽断面则大得多。如原苏联平均为l0m2 、英国为1215m2 、德国为1820m2 (最大达25m2)， 波兰明文规定
13、顺槽断面不得小于l0m2 。顺槽断面在经受采动影响后， 一般要收缩20 3O (甚至高达5O )， 使我国本来就小的顺槽断面进一步缩小， 造成工作面端头作业和支护条件恶化，限制了端头支护机械化的发展，影响端头工作的高效和安全。2.5 巷道支护形式不同的巷道支护形式对端头支护有不同的要求， 直接影响端头A 、B、E 三个区的支护形式选择。很明显，锚杆支架支护的巷道与棚式支架支护的巷道相比， 端头支护就有很大差别。锚杆支护的巷道不存在替换棚腿的问题，简化了端头支护 拱形支架与梯形支架支护的巷道必须设加强支架才能替换棚腿。对梯形支架加强抬棚可以直接架设在顶梁下， 但要将加强棚架设在拱形支架的拱梁下，
14、则往往需要在拱梁安装类似图2所示的托粱器，否则，加强抬棚只能架设在拱梁的中部，这会使端头支护复杂化。图2-1 拱形支架托梁器2.6 沿空留巷的护巷形式沿空留巷的护巷形式对工作面端头支护的影响主要表现在端头E区的支护效果。很明显， 如果所选用的巷旁支护不能有效地阻止顶扳的急脚下沉，那么就必将引起端头区顶板的严重变形和破坏， 同时，也给端头C、D区的维护带来不利的影响。2.7开采方法沿空留巷的后退式开采，工作面端头有5个区； 巷遭超前掘进的前进式开采， 工作面端头同样有5个区。传统的巷道随采随废的后退式开采，工作面端头只有4个区， 不存在E区,巷道与工作面平行掘进的前进式开采， 工作面端头只有E、
15、C、D 3个区，且C、D区延至B区。可见开采方法不同，端头形式也不一样，其支护方式也就有所区别。2.8 工作面支护形式工作面支护形式对端头支护的影响主要涉及C区和B区，因为不同的工作面支护形式需要配备与之相适应的C区和B区的支护形式。通常，单体支架工作面只能采用单体支柱与各类顶梁组成的端头支架来支护工作面端头J综采工作面则配备与工作面支架相适应的端头液压支架， 滑移顶梁支架工作面也尽可能配备与之相适应的端头滑移顶梁支架。但在实际生产中，综采工作面也常采用单体支架和滑移顶梁支架作端头支护滑移顶梁支架工作面采用单体支架作端头支护以及单体支架工作面采用滑移顶梁作端头支护等。2.9 切口开采方式切口开采方式主要有3种， 即采煤机自开切口、切口机开切口和人工开切口。采煤机自开切口有两种方式；斜切式和钻入式。斜切式开切口时，采煤机需在工作面端部较长一段范围内反复切割几次才能达到正常采煤的进刀量，因而顶板暴露面积大、时间长， 对不稳定顶板的端头支护非常不利。尤其是单体支护工作面，在未达到采煤机进刀量前，暴露的大面积顶板
