王向楠，郭新建，赵源波，任朝飞，任好杰

（国投煤炭郑州能源开发有限公司，河南 登封 452470）

国投煤炭郑州能源开发有限公司教学三矿位于登封市徐庄乡境内，于2000年12月正式投产，矿井原设计生产能力0.45 Mt／a，后经工业局再次复核核定为0.84 Mt／a。该矿主采的二1 煤层受嵩山地质构造影响，产生滑动、推移、挤压、断裂等地质作用，形成大量的构造煤，煤质软，顶底板稳定性极差，属于典型的“三软”煤层〔1〕，工作面顶底板管理难度大，片帮问题严重。

1 工作面概况

1.1 工作面地质条件

15031工作面设计开采煤层为二1 煤层，通过钻孔和掘进勘探资料分析可列出该工作面煤层赋存结构（见表1）。综合来看15031 工作面内煤层赋存较稳定，结构简单，硬度较软；直接顶为细粒砂岩，属于1b亚类不稳定顶板；直接底板主要为泥岩，属于II类松软底板，由此可知15031工作面开采煤层属于“三软”煤层。

表1 煤层及顶底板赋存结构

1.2 生产技术条件

根据工作面的地质条件决定采用走向长壁后退式布置工作面，使用整体顶梁组合悬移液压支架配合采煤机进行回采作业，属于简易综采技术的应用。由于部分区域煤层较厚，因此在煤层厚度大于采高时需要进行放顶煤操作，根据悬移支架和采煤机的参数，设定采高为2.3m。根据煤层厚度赋存状况，以采高2.3m 为界限，分别采用不同的工艺流程：

（1）煤层厚度小于2.3m 区域，打眼、注水→放炮→挖窝→割煤→伸出伸缩梁护顶→同时移前后两部运输机→移架→放顶煤→移托梁。

（2）煤层厚度大于2.3m 区域，注水→挖窝→割煤→伸出伸缩梁护顶→同时移前后两部运输机→移架→放顶煤→移托梁。

2 悬移支架的适应性分析

根据15031放顶煤工作面的直接顶、直接底分类情况，并结合煤层赋存条件、采高及工作面实际情况等因素，综合考虑确定15031采煤工作面选用ZH2000／16／24Z型整体顶梁组合悬移液压支架，通过对支架支护强度、可靠性进行进行计算，对悬移支架的适应性进行分析。

2.1 支护强度分析

支护强度设计从下面三个时间段计算取最大值〔2-3〕。

（1）直接顶初次跨落期间。

合理的支护强度为：

式中：P1为支架支护强度，t／m2；MA为直接顶厚度，取9.86m；YA为直接顶平均容重，取2.56t／m3；LA为直接顶初次垮落步距，取8m；L为控顶距，取4.1m。

（2）老顶初次来压期间

合理的支护强度：

式中：A 为直接顶作用力，t／m2；L大为最大控顶距，取4.1 m；L小为最小控顶距，取3.3 m；MB为老顶厚度，取12.6 m；YB为老顶容重，取2.56t／m3；Kt为岩重分配系数，受直接顶厚度与采高之比N／h=9.86／2.3=4.29，Kt取4.29；CB为老顶初次来压步距，取12m。

（3）顶板周期来压期间

合理的支护强度为：

式中：Cc为老顶周期来压步距，取9m。

取以上最大值，合理的支护强度应为：

2.2 悬移支架可靠性计算

（1）工作面支护密度G（根／m2）核算：

式中：F为支柱工作阻力，取额定工作阻力（500kN／9.8 N／kg=51t）的85%为43.35t／根；n为支柱工作阻力利用系数，0.90；P为最大支护强度，取38.20t／m2。

实际支护密度为：Gs=4／（4.1×0.96）=1.02根／m2

式中：4为支柱数量；0.96为支架宽度；4.1为支架最大控顶距。

Gs＞G 工作面支护强度可满足安全生产需要。

（2）悬移支架对工作面煤壁稳定性的控制

悬移支架必须具有来自层面方向推力的抵抗力，提高支架的初撑力是防止顶板发生冒顶事故的有效措施。

式中：P初为支柱初撑力，kN／根；h为工作面平均煤厚度5.4m，顶煤厚度为5.4-2.3=3.1 m；r为煤层密度，取1.38t／m3；α为煤层倾角，取21°；G实为支护密度，取1.02根／m2；f为软硬岩层之间摩擦系数，取0.5。

则：P初=〔3.1×1.38×（cos21°+sin21°／0.5）〕／1.02=7.14t／m2≈71.4kN

泵站压力为31.5MPa时，悬移支架支柱初撑力为299 kN／根，可以防止推垮型冒顶事故的发生。

由上述核算可知，ZH2000／16／24Z型整体顶梁组合悬移液压支架基本能够满足15031放顶煤工作面的支护要求，对放顶煤工作面煤壁片帮具有一定的防治作用。

3 悬移支架应用的优点

通过在15031工作面进行悬移支架的应用，该支架对于“三软”煤层表现出良好的适用性，相较于传统的单体液压支柱配π型梁对棚支护具有诸多优点：

3.1 操作简单，有效降低工人劳动强度

相较于单体液压支柱配π型梁对棚支护，悬移支架支护方式减少了多道操作程序，操作方式上也采用集中控制方式，操作简单方便，有效减轻了工人移架的劳动强度，提高了工作面生产效率。

3.2 有效改善工作面环境和安全性

工作面所有悬移支架可通过顶部托梁实现整体性，可有效降低支架倾斜、倒架事故发生的几率，提高支架的稳定性。支架护顶面积增大，在割煤过后可及时伸出前探梁进行护顶，支架背部设有挡矸板，可有效阻挡采空区矸石窜入工作面，使得工作面的工作环境得到有效改善，安全性得到提高。

3.3 顶煤回收率得到提高

采用悬移支架进行放顶煤操作，通过针对不同顶煤厚度采取不同的放煤方式，设置不同的放煤口，可有效对放顶煤操作进行控制，提高了顶煤回收率，经济效益显著增加。

4 悬移支架应用中的不足与改进

悬移支架在15031工作面实际回采应用过程中也体现出一些不足，针对这些应用中显现出的问题也进行了一些改进。

4.1 存在架间缝隙，影响工作面工作环境

在实际支护过程中，由于架间存在较大的缝隙，当顶板受采动及放煤影响破碎程度较高时会有破碎煤岩体窜入工作面的现象发生，会对工作面环境和工作人员的安全造成一定的影响，针对这种不良现象提出了一种有效的解决办法，将废旧皮带裁剪为适合长宽，在悬移支架顶部单侧边沿进行安装，这种方法有效解决了架间缝隙过大撺矸的问题。

4.2 煤层硬度较软，煤壁易片帮

由于15031工作面属于典型的“三软”煤层，煤壁片帮问题严重，为有效降低煤壁片帮事故发生的几率，在悬移支架伸缩梁前方设计安装了带有护帮板的翻转梁，在割煤过后伸出前探梁进行护顶的同时，可操作翻转梁和护帮板对煤壁进行支撑，降低了煤壁的片帮现象。

5 结语

整体顶梁悬移支架在该工作面的成功应用，促进了该矿“三软”煤层开采的技术进步，并积累了丰富的应用经验，有效提高了工作面的生产效率和安全性，降低了工人的劳动强度，节约了大量成本，提高了煤炭资源回收率，创造了可观的社会和经济效益，对在豫西矿区相同地质条件的矿井中有借鉴推广使用的意义。