韓咀煤礦孤島工作面回采巷道支護設計優化

柳 嵩

(山西中煤華晉能源有限責任公司，山西 運城 043300)

0 引言

開采孤島工作面時，工作面兩巷的穩定性直接關系到整個孤島面回采安全。巷道支護參數不合理，不僅會造成資源浪費、成本增加，更有可能導致孤島面發生安全事故。針對工作面巷道支護形式及支護參數，國內外學者進行了大量的研究。蘇紅偉等研究了常村煤礦21072孤島面支承壓力影響因素，得出了錨網支護優化結果，為工作面高產高效創造了技術條件[1]；趙建峰等研究了平煤一礦戊9-23010采煤工作面回采巷道應力分布特征，提出具有針對性的“錨桿+錨索+金屬網+噴漿+U型鋼拱支架”綜合支護方案并取得了良好的現場效果[2]；曾慶科等研究了許樓礦井311工作面回采巷道錨網索聯合支護及加固機理，成功解決了孤島面回采巷道支護難題[3]；郭忠平等研究了軟弱圍巖條件下孤島面巷道變形特征并針對該條件提出了新的支護方案，解決了巷道變形嚴重的問題[4]。針對韓咀煤礦2#煤層孤島工作面回采巷道變形破壞嚴重、不易控制的問題，對巷道支護及超前支護方式進行了設計優化，達到了保證工作面正常生產的預期效果。

1 工程概況

韓咀煤礦32211工作面整體為一單斜構造，局部為背斜、向斜構造，背斜走向NW，向斜走向NE，煤層傾角3°～7°，平均5°，為近水平煤層。工作面走向長度1 195 m，傾向長度296 m，煤層硬度為3～6，賦存狀態較穩定，無明顯變化特征。位于32213工作面采空區以南，32209工作面采空區以北，井田邊界以東，高速公路保安煤柱以西。工作面標高在+851～+895 m，地面標高+1 095～+1 225 m。32211工作面在回采期間受相鄰32209工作面、32213工作面采空區殘余支承壓力影響。

32211工作面煤層頂底板特征見表1，工作面斷層構造情況見表2。

表1 工作面頂底板特征一覽表

表2 工作面斷層構造一覽表

2 巷道支護設計原則

孤島工作面開采狀態下，頂板運動不同于常規工作面，頂板結構運動簡圖如圖1所示。兩側工作面回采之后，采空區逐漸垮落形成關鍵塊C，孤島工作面開采過程中，頂板會重新運動斷裂形成關鍵塊B，而關鍵塊B的旋轉下沉是導致孤島工作面壓力顯現劇烈的重要因素。因此，在孤島工作面向前推進過程中，保證關鍵塊B的相對穩定性使其在工作面推進之后垮落，是保持孤島工作面開采的重要途徑。要實現這一目的，需要人為加強孤島面回采巷道的強度以改善開采環境。

根據對孤島面頂板結構的分析，確定采用巷道錨桿(索)支護的方式對回采巷道圍巖進行加強控制。巷道支護設計涉及巷道空間位置、巷道斷面的形狀、圍巖力學強度等諸多因素，支護設計時應避免造成對正常回采工作的影響，同時做到用最少的材料達到最大的支護效果。

3 巷道支護方案設計

3.1 巷道一般支護方式

圖1 孤島面頂板結構運動簡圖

根據32211孤島面開采實踐，確定的工作面回采巷道斷面特征見表3。其中322111巷用作工作面的運煤、回風、行人、正巷材料運輸等任務，322112巷用作工作面的進風、行人、副巷材料運輸等任務，開切眼用作工作面“三機”配套安裝。

根據工作面兩巷及開切眼的形狀及用途，設計的巷道斷面支護如圖2所示。

表3 工作面回采巷道斷面特征

a-322111巷；b-322112巷；c-開切眼圖2 巷道斷面支護設計

工作面322111巷支護設計：322111巷支護方式采用錨網梁+錨索支護，支護形式為：頂部錨桿規格尺寸為φ20 mm×2 500 mm，間排距設計為920 mm×800 mm，巷道兩肩錨桿與兩側相距200 mm，與豎直方向呈15°向上打設，頂部錨索規格尺寸為φ18.9 mm×7 000 mm，間排距設計為1 500 mm×1 600 mm，從巷道中心線全部垂直頂板向兩側打設；兩幫部錨桿規格尺寸為φ16 mm×1 500 mm，間排距設計為1 200 mm×800 mm，上部巷肩處錨桿與水平方向呈15°向上打設，下部距底板600 mm開始安裝錨桿；巷道整體錨網采用12#鉛絲菱形金屬網，梯子梁規格選用14#鋼筋。

工作面322112巷支護設計：322112巷支護方式采用錨網梁+錨索支護，支護形式為：頂部錨桿規格尺寸為φ20 mm×2 500 mm，間排距設計為880 mm×1 000 mm，巷道兩肩錨桿與兩側相距200 mm，與豎直方向呈15°向上打設，頂部錨索規格尺寸為φ18.9 mm×7 000 mm，間排距設計為2 000 mm×3 000 mm，以巷道中心線為界對稱分布；兩幫部錨桿規格尺寸為φ18 mm×2 000 mm，間排距設計為870 mm×800 mm，上部巷肩處錨桿與水平方向呈15°向上打設，下部距底板390 mm開始安裝錨桿；巷道整體錨網采用12#鉛絲菱形金屬網，梯子梁規格選用14#鋼筋。

工作面開切眼支護設計：工作面開切眼支護方式同樣采用錨網梁+錨索支護，支護形式為：未擴刷前，整體支護參數與10-2111巷基本相同，僅將幫錨桿規格尺寸更改為φ18 mm×2 000 mm；斷面擴刷之后，在擴刷區域頂板增加3根錨桿一根錨索，錨桿間距設計為800 mm，新增錨索距相鄰錨索距離為1 500 mm，幫部錨桿布置間排距不變，錨桿(索)規格尺寸與原始設計相同。

3.2 巷道超前支護方式

工作面進入正常回采階段后，超前支承壓力會影響工作面前方一定范圍煤體，導致工作面前方一定范圍的巷道出現圍巖破壞嚴重、支護困難的現象。為防止在超前支承壓力影響范圍內的巷道受到影響，一般均采取超前支護的方式進行加強支護。根據10#煤層相似工作面開采過程中的礦壓顯現特征，設計的超前支護方式布置如圖3所示。

工作面端頭支護：工作面上下端頭位置處于“T”型交叉區域，巷道壓力顯現劇烈，端頭支護僅采取單體支柱達不到支護強度且易干擾設備運行，因此選擇合適的端頭支架是保證工作面安全回采的重要措施之一。工作面上下端頭采用4架ZY10000/20/42型過渡支架，過渡支架與巷道煤壁間采用單體液壓支柱配合1.0 m金屬π梁支撐，根據支架與煤壁間的距離確定單體支柱的數量及布置方式，金屬π梁和單體支柱必須采用自制鐵鏈與頂錨網梁聯接。

工作面超前支護：工作面兩巷超前支護范圍均為20 m，其中工作面側、煤柱側單體支柱支設范圍均支護達到20 m。單體液壓支柱選取的型號為DW-28(DW-32、DW-36)，配合尺寸為1.0 m金屬π梁架設安裝。單體支柱的柱間距為1 m，行人側單體支柱距巷幫0.8 m，非行人側單體支柱距巷幫0.5 m。單體液壓支柱的初撐力保持在11.5 MPa以上，金屬π梁兩端和單體支柱必須采用自制鐵鏈與頂錨網梁聯接，單體支柱全部使用硬聯接。

支護工作要求：①單體液壓支柱必須成直線布置，直線度偏差小于±10 mm，且迎山有力；②單體液壓支柱必須掛好防倒鏈，避免因支柱傾倒頂梁掉落而發生事故，其防倒繩全部與頂板相連接；③在底板較軟區域，支柱鉆底量當大于100 mm，單體支柱必須穿柱靴安放，并確定接觸底板不會再次產生下沉現象；④巷道超前支護段以及工作面端頭支護段單體液壓支柱初撐力不小于11.5 MPa；⑤單體液壓支柱的三用閥注液口方向全部向采空區方向布置；⑥巷道超前支護范圍內保證無浮煤、雜物和淤泥積水，設備擺放整齊，防治因各種人為因素導致危險的發生；⑦及時對卸壓支柱或損壞支柱進行更換，保證巷道支護強度不減；⑧更換后的單體支柱放在超前支護范圍以外且支護完好的地點，必須擺放整齊并掛設好標志牌。

圖3 孤島工作面開挖前礦壓分布情況

4 結語

通過對韓咀煤礦32211孤島工作面回采巷道的支護研究，分析了孤島工作面回采條件下的常規支護形式和超前支護形式，設計了不同支護形式的支護參數，優化后的設計控制了巷道圍巖的大范圍變形，保持了巷道圍巖的穩定性，增強了巷道圍巖的強度，確保了工作面正常回采，對其他相似條件下的巷道支護設計具有重要借鑒作用。