沿空留巷巷內(nèi)綜合支護技術探索與應用

宋文獻

（鄭州煤電股份有限公司蘆溝煤礦，河南省鄭州市，454000）

沿空留巷巷內(nèi)綜合支護技術探索與應用

宋文獻

（鄭州煤電股份有限公司蘆溝煤礦，河南省鄭州市，454000）

針對沿空留巷圍巖變形大、變形不均勻、維護效果差等狀況，以蘆溝煤礦沿空留巷為工程背景，理論計算了沿空留巷支護頂板靜載荷及U型鋼支架承載力，合理確定了U型鋼支架危險截面位置，設計出了沿空留巷巷內(nèi)支護加固方法及相關參數(shù)。工程實踐表明：U型鋼配合伸縮梁加固進行沿空留巷巷內(nèi)支護效果顯著，巷道變形能控制在允許范圍內(nèi)，滿足工作面二次回采要求。

沿空留巷 U型鋼支架 承載力 危險截面 綜合支護技術

沿空留巷技術因提高煤炭資源回收率、降低巷道掘進率、解決礦井采掘接替緊張難題、實現(xiàn)工作面Y型通風、有效解決工作面上隅角瓦斯積聚與超限等優(yōu)點而被廣泛應用。在沿空留巷技術研究方面，我國許多學者進行了大量的理論研究與實踐，但沿空留巷圍巖大變形、維護周期長、破壞范圍大等狀況，常常因錨桿、錨索延伸量不足或因支護強度不足而發(fā)生頂板整體性垮冒事故，導致留巷失敗。因此，結(jié)合蘆溝煤礦32101工作面地質(zhì)情況，以32101運輸平巷沿空留巷為工程研究背景，通過沿空留巷圍巖應力及頂板活動規(guī)律，對沿空留巷支護頂板靜載荷、U型鋼支架承載力進行了理論計算，進而選擇合理的支護參數(shù)及支護方式，將沿空留巷圍巖變形控制在允許范圍之內(nèi)，保證留巷段滿足二次回采要求。

1　工作面概況

32101工作面為32采區(qū)首采工作面，東部至礦井井田邊界，西部至32采區(qū)運輸下山，南部至32121工作面，北部至32081工作面，工作面設計走向長度713.5 m，傾斜長度103.5 m，井下標高-208.6～-271.5 m，開采煤層為二1煤層，賦存不穩(wěn)定，傾角11°～16°，平均傾角14°，平均厚度6.4 m，直接頂為砂質(zhì)泥巖，基本頂為中粒砂巖；工作面初次來壓步距為15 m，周期來壓步距為5 m；絕對瓦斯涌出量1.5～3.5 m3/min，相對瓦斯涌出量1.4～3.2 m3/t，煤塵無爆炸性，屬不易自燃煤層；正常涌水量60 m3/h，最大涌水量80 m3/h，靜水壓力較高，屬于典型的帶壓開采工作面。32101工作面運輸平巷利用3.5 m坑木梁配合2.4 m坑木進行超前替棚作業(yè)，為保證工作面涌水順利排出，當工作面推過流水巷近似呈仰斜開采時，開始對運輸平巷進行留巷，為防止向采空區(qū)漏風、減少巷道圍巖變形，在靠近采空區(qū)側(cè)堆放2 m寬煤袋用于堵漏風和加固巷道。受工作面回采及上覆巖層劇烈運動影響，留巷內(nèi)坑木折斷嚴重，無法進行正常清淤，工作面及采空區(qū)涌水疏排受阻。為保證底板涌水順利排出及施工安全，確定對原留巷支護形式進行變更，即工作面運輸平巷不再進行替棚作業(yè)，仍采用原有U型鋼支護形式進行支護，為加強巷道支護強度，要求留巷內(nèi)每間隔兩棚打設一根伸縮梁并配合2.4 m坑木進行支護，在留巷段采空區(qū)側(cè)鋪設舊風筒帆布、竹笆等材料防止采空區(qū)漏風，并按照設計要求，每間隔5 m打設一道密閉墻。

2　沿空留巷圍巖應力及頂板活動分布規(guī)律

2.1沿空留巷圍巖應力分布規(guī)律

受工作面回采引起的頂板覆巖移動及超前支承壓力變化影響，采場原巖應力遭到破壞，引起巖體內(nèi)應力重新分布。采空區(qū)基本頂觸矸穩(wěn)定后，采場頂板圍巖應力分布如圖1所示。

圖1　沿空留巷圍巖應力分布圖

煤體上方應力分布呈現(xiàn) “雙峰”狀，其特點按應力相對大小可以分為3個區(qū)，即應力集中區(qū)、應力低值區(qū)和應力正常區(qū)，如圖1所示。采空區(qū)側(cè)應力高峰為塑性應力，煤墻側(cè)應力高峰為彈性應力，彈性應力靠近采空區(qū)側(cè)為應力低值區(qū)，存在著一個相對低應力狀態(tài)的采掘空間，該采掘空間頂板靜載荷實際上近似于基本頂巖梁下直接頂巖層重量與巖梁斷裂跨落引起的頂板變形荷載之和。

2.2沿空留巷頂板活動規(guī)律

受采場邊界煤體側(cè)向支承應力作用的影響，采空區(qū)邊界上方將形成不整齊錯臺階懸臂式頂板殘留邊界，依據(jù)頂板巖層分布狀態(tài)，可將采空區(qū)邊界附近的頂板巖層劃分為4個區(qū)塊，即垮落區(qū)、錯動離層區(qū)、二次破斷區(qū)及微破裂區(qū)。沿空留巷頂板巖層運動分布如圖2所示。

圖2　沿空留巷頂板巖層運動分布圖

采場覆巖活動規(guī)律，特別是采場側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)及移動規(guī)律，對留巷段圍巖變形影響較大，在采場頂板離層前，受巷道支護阻力影響，頂板首先沿采空區(qū)側(cè)破斷，而覆巖垮落所產(chǎn)生的動壓，對移動邊界即工作面回采空間的影響較固定邊界影響明顯，其礦壓顯現(xiàn)也較為明顯。隨著采場覆巖垮落層位不斷向上發(fā)展，固定邊界已垮巖層殘留邊界將由承載狀態(tài)轉(zhuǎn)為加載狀態(tài)，當加載至一定程度時，殘留邊界將產(chǎn)生二次破斷，除已冒落巖層外，上部巖層均受到前期破斷巖層結(jié)構(gòu)及未垮巖層的夾持作用而受到制約。由于前期垮落的巖層已達到一定的壓實程度，并形成了穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)成了二次破斷巖層的支座；當支座剛度大于或等于煤體剛度時，采場覆巖將以平移甚至反轉(zhuǎn)的形式下沉，進而加劇了煤幫的擠出，增大了巷道底鼓量，擴大了沿空留巷煤幫支承壓力影響范圍。因此，錯動離層區(qū)及二次破斷區(qū)頂板的下沉將直接影響沿空留巷的圍巖變形，而巷道位于二次破斷區(qū)下方較位于離層錯動區(qū)下方更利于頂板穩(wěn)定，且巷道處于給定變形狀態(tài)。

3　沿空留巷支護設計

3.1支護系統(tǒng)載荷計算

沿空留巷段支護頂板靜壓載荷主要由覆巖直接頂重量和基本頂巖梁斷裂垮落所引起的頂板變形載荷構(gòu)成，為簡化計算，可認為作用于沿空留巷支護頂板靜載荷為:

式中:P1——沿空留巷頂板靜載荷，MPa；

Mz——直接頂厚度，取5.9 m；

γz——直接頂容重，取25 k N/m3；

φ——煤層傾角，取14°；

fz——直接頂懸頂系數(shù)，取2；

Me——基本頂厚度，取22.9 m；

γe——基本頂容重，取26 k N/m3；

Δha——沿空留巷頂板最大下沉量，mm；

fj——基本頂懸頂系數(shù)，取4；

KT——靜載荷壓力分布系數(shù)，取4；

Δhi——沿空留巷允許頂板下沉量，mm。

其中，沿空留巷允許頂板下沉量Δhi為:

巷道頂板最大下沉量Δha為:

式中:h——采高，取2.2 m；

KA——采空區(qū)冒落矸石碎脹系數(shù)，一般為1.25～1.35，取1.3；

Lz——巷道支護區(qū)域?qū)挾龋?.8 m；

Kh——沿空留巷支護體等效抗壓縮剛度，取200 MPa；

ρe——基本頂巖層密度，取2.6 t/m3；

Le——基本頂巖梁長度，取10 m；

α——直接頂巖層斷裂角，取45°。

將式（2）、（3）分別代入式（1）中計算，可得沿空留巷頂板靜載荷P1=26.2 MPa。

3.2支護系統(tǒng)設計

基于以上對沿空留巷支護頂板靜載荷的計算分析，在利用U型鋼原有支護進行沿空留巷時，應保證U型鋼自身承載力大于留巷段頂板靜載荷。已知原有U型鋼支護載荷為52.8 MPa，滿足留巷需要。但受垂直和水平應力分布影響，U型鋼支護巷道易使支架中間截面及兩幫棚腿之間的某一截面成為危險截面，一定程度上導致U型鋼支架棚頂扁平甚至出現(xiàn)V型破壞、棚腿跪腿及倒棚破壞現(xiàn)象，造成U型鋼支架承載力及穩(wěn)定性不足。因此，為有效控制圍巖變形，減少U型鋼支架受壓產(chǎn)生屈服縮動量，根據(jù)沿空留巷圍巖變形、應力分布特征及U型鋼支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，通過在合理位置施加一定結(jié)構(gòu)補償力，避免圍巖壓力大于U型鋼支架的承載力而使支架破壞。即對U型鋼危險截面利用伸縮梁配合坑木進行加強支護，并沿走向打設聯(lián)鎖杠進行加固，大幅降低U型鋼支護結(jié)構(gòu)危險截面應力。

3.2.1沿空留巷巷內(nèi)支護施工工藝

工作面回采期間，超前工作面安全出口2架U型鋼棚摘除運輸平巷上幫的U型鋼柱腿，并在U型鋼梁頭下方打設單體柱進行加固，工作面采通后，摘除單體柱并推移工作面刮板輸送機，之后在工作面采空區(qū)側(cè)重新安裝U型鋼柱腿，保證卡纜扭矩，尾巷段采空區(qū)側(cè)掛編織網(wǎng)、風布，并利用竹笆、椽子閉幫擋門，每間隔5棚打設一道聯(lián)鎖杠，并在采空區(qū)側(cè)聯(lián)鎖杠下方安裝坑木作為戧柱加強支護，為保證留巷段整體支護強度，每間隔2棚打設一道伸縮梁配合2.4 m坑木進行支護。

3.2.2伸縮梁結(jié)構(gòu)及加固原理

伸縮梁結(jié)構(gòu)簡單，主要由彎曲變形嚴重的舊U型鋼支架經(jīng)過切割、調(diào)直、焊接端頭處理后加工成長度不等（1.2～1.9 m）的U型鋼直梁，在進行巷道支護時，為增大與U型鋼梁的接觸面積，在直梁體一端頭焊接長約150 mm的U型鋼短節(jié)，并與直梁體呈135°夾角，然后根據(jù)需要加固的巷道寬度選取適當?shù)膬筛鵘型鋼短節(jié)，順直交錯搭接（400～1050 mm）并利用卡纜進行固定（卡纜螺母扭矩不小于260 N·m）。32101運輸平巷留巷段斷面示意圖及伸縮梁整體放大圖分別如圖3、4所示。

圖3　32101運輸平巷留巷段斷面示意圖

伸縮梁加固原理主要基于在采煤工作面兩巷U型鋼支架尚有一定支護強度、巷道變形釋放部分能量之后，有效斷面滿足安全生產(chǎn)需要之前，使用伸縮梁配合坑木加固U型鋼支架，進而對U型鋼支架施加周邊支撐力，能夠起到承載垂直及水平支撐壓力的作用，從而有效降低巷道的過度變形及支架報廢率，延長巷道使用時間和維修周期。

圖4　伸縮梁整體放大圖

4　沿空留巷的實施效果分析

為對巷道支護設計合理性、施工質(zhì)量可靠性及巷道圍巖穩(wěn)定性進行驗證，自32101運輸平巷完全沿空留巷開始至工作面回采結(jié)束共計設置5組巷道表面位移觀測站，每組間距50 m，并最終選取一組典型巷道側(cè)面進行現(xiàn)場跟蹤觀測，留巷期間巷道圍巖變形量、變形速度與工作面相對位置關系如圖5所示。

圖5　留巷期間巷道圍巖變形與工作面距離的關系

留巷段圍巖變形大致可分為3個階段:

第一階段:工作面后方0～30 m，基本頂受前方煤層、工作面下幫未開采煤層及U型鋼支架支撐作用，基本頂處于懸臂梁狀態(tài)，未發(fā)生破斷，圍巖變形量較小，圍巖變形較為平緩，移近速度相對較小，頂?shù)装遄畲笞冃瘟繛?1 mm，移近速度最大為6 mm/d，兩幫最大變形量為29 mm，移近速度最大為3 mm/d。

第二階段:工作面后方30～90 m，采場上覆巖層關鍵塊體回轉(zhuǎn)發(fā)生破斷，覆巖運動比較劇烈，巷道圍巖變形速度明顯增大，頂?shù)装遄畲笞冃瘟繛?01 mm，移近速度為21 mm/d，兩幫最大變形量為209 mm，移近速度為19 mm/d，圍巖變形速度在該段范圍內(nèi)達到最大值。

第三階段:工作面后方90 m以后，巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定，最終頂?shù)装寮皟蓭鸵平俣冉抵? mm/d以下。

5　結(jié)論

（1）分析了沿空留巷圍巖應力分布規(guī)律及沿空留巷頂板活動規(guī)律，通過對沿空留巷支護頂板靜載荷、U型鋼支架承載力進行了理論計算，合理確定了留巷支護參數(shù)及支護方式，設計出了沿空留巷巷內(nèi)加固方法及相關參數(shù)。

（2）原有U型鋼支護配合巷內(nèi)加固方法能夠有效將巷道圍巖變形控制在允許范圍之內(nèi)，保證工作面供風量，防止采空區(qū)氧化自燃帶范圍的擴大，滿足二次回采要求，為相鄰采區(qū)的回采提供了有利條件。

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（責任編輯 郭東芝）

Exploration and application of comprehensive support technology in gob-side entry retaining

Song Wenxian
（Lugou Coal Mine of Zhengzhou Coal&Electric Co.，Ltd.，Zhengzhou，Henan 454000，China）

Aiming at the big and nonuniform deformation of surrounding rock and poor support effect existing in gob-side entry retaining，and taking the gob-side entry retaining in Lugou Coal Mine as engineering background，the static loads of roof and bearing capacity of U-type steel support in gob-side entry retaining were calculated theoretically，the location of dangerous section of U-type steel support was confirmed rationally，and the strengthening methods and relevant parameters of support technology in gob-side entry retaining were designed.The results showed that the support effect of using U-type steel and extendible beam to support the gob-side entry retaining was remarkable，and the roadway deformation was controlled within permissible range，which met the requirement of second recovery in working face.

gob-side entry retaining，U-type steel support，bearing capacity，dangerous section，support inside roadway，comprehensive support technology

TD353

A

孫長海（1964-），男，中共黨員，大學本科學歷，高級政工師，現(xiàn)任山東能源新礦集團新巨龍公司黨委副書記、紀委書記、工會主席。［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1982

作者簡介：宋文獻（1969-），男，河南新密人，工程師，1996年畢業(yè)于山西礦業(yè)學院采礦工程專業(yè)，現(xiàn)在鄭州煤電股份有限公司蘆溝煤礦工作。