某礦自適應載荷巷旁支護技術的研究

張存才

(山西焦煤集團西山煤電集團東曲礦綜采準備隊，山西 古交 030200)

引 言

煤礦井下綜采作業離不開井下支護，支護作業的效率和穩定性直接決定著煤礦井下綜采作業的效率和綜采作業安全。傳統井下支護技術主要依賴于液壓支架、墩柱等共同組成的井下支護結構，確保支護作業的穩定性，但隨著綜采技術的快速發展，傳統的井下支護作業效率不僅無法適應井下綜采作業速度的快速發展，而且支護時留下了大量的煤柱，導致綜采作業面的煤炭回采率低，給煤礦井下作業造成了較大的影響[1]。本文針對某礦井下作業時支護效率低下、回采率低的難題，結合某礦井下巷道的實際情況，提出了一種自適應載荷巷旁支護技術，通過實際應用，其表現出了極高的穩定性，不僅極大地提升了綜采作業時的支護效率，而且也極大地提升了回采率，顯著提升了綜采作業的經濟性，目前該巷旁支護技術已經在某礦得到了全面的推廣應用。

1 巷旁支護阻力確定

某礦的額定生產能力為1 140萬t/a，其1071工作面處于地質斷層結構處，用于驗證自適應載荷巷旁支護技術的巷道寬度為4 100 mm，高度為3 000 mm，煤層的平均厚度為3 051 mm，綜采作業面上煤層傾角為17.4°，其工作時巷道圍巖的力學模型如圖1所示。

圖1 巷道圍巖的力學模型

由物體受力平衡時的靜力學模型可知，當圖示沉降塊BC平衡時，其靜力學模型可表示為式(1)、式(2)。

NB-NC-qL=0

(1)

TB=TC

(2)

同理，對沉降塊AB進行相同的靜力學分析，結合綜采作業過程中巷道的頂板的移運規律，最終可計算得出進行巷旁支護時的支護阻力pa，可表示為式(3)[2]。

(3)

式中：M1為巷道基本頂巖層的極限彎矩，N·m；py為巷道頂板作用在煤層上的壓力,MPa；M0為沉降塊A點處的殘余彎矩，N·m；q0巷道直接頂的單位長度的質量,kg；Q為基本頂上層的巖層的單位長度質量,kg。

由此根據某礦井下巷道的實際地質情況，求得巷道支護時的支護阻力Pa=2 643.76 kN/m，故在進行巷旁支護作業時，設置墩柱時需在確保其臨界壓力低于40 MPa時盡量加大間距，以降低巷道內的墩柱的數量。

2 自適應載荷巷旁支護工藝方案

綜合某礦井下巷道內的實際地質條件，制定的巷旁支護工藝方案主要包括以下幾個方面;

1) 在超前回采工作面上按照每40 m設置一個墩柱，在設置墩柱時需要將墩柱緊靠著槽鋼煤幫的側壁設置，設置完成后需要將其用鐵絲固定到頂板槽鋼上，防止倒塌。

2) 墩柱設置完成后，需向墩柱內灌入灌漿料，灌漿料采用水泥、沙子以及石子，按照質量比為1∶2∶2的比例[3]進行設置，確保灌漿料的流動性和凝固時間的有機平衡。

3) 灌漿完成后，需要在原先固定鋼絲網的基礎上繼續對其進行圍護直到接住底板為止，然后，將設置的鋼絲網固定到墩柱的掛鉤上，使相鄰的網片搭接大于100 mm。在煤幫側邊依次設置隔離墻，在墩柱的液壓點完成回撤后，將墩柱每隔10組，對采空區域進行噴漿，噴漿的高度要完全沒過鋼絲網。

在某礦井下設置的巷旁支護現場圖如圖2所示。

圖2 某礦井下設置的巷旁支護現場圖

3 自適應載荷巷旁支護技術的應用效果

為了對該巷旁支護技術的實際支護效果進行驗證，選定1071工作面對其進行支護穩定性分析，其支護過程中首先選定3個監測點對其工作時的巷道頂板的移近量進行研究，其監測結果如圖3所示。

由實際監測結果可知，當采用新的自適應巷旁支護時其工作面上圍巖的變化過程可分為3個部分，在工作面后側21 m范圍內其圍巖的變形速度迅速增加，22 m～50 m范圍內圍巖變形速度稍微降低，當超過50 m以后圍巖變形基本穩定。由此可知，綜采過程中工作面后側50 m范圍內是井下巷道頂板圍巖最容易發生下沉的區域，采用新技術后其頂板的最大移近量約為400 mm，比之前的551 mm降低了約27.4%，顯著提升了井下支護作業的穩定性。

采用新的支護技術后墩柱工作時段變形受力情況如圖4所示。

圖3 工作面頂底板的移近量曲線

圖4 墩柱的壓力及壓縮量變化曲線

由監測結果分析可知，在工作面后側21 m范圍，圍巖頂板的下沉速度較快，使頂板的變化量增加較快，此時墩柱主要起輔助的支撐作用，能夠有效地避免發生離層異常，此時主要是墩柱的外殼起支撐作用，墩柱內部的灌漿料未受到大的壓力作用，因此壓力增加值較慢。當超過21 m后由于頂板下側距離增加導致開始壓縮墩柱內的灌漿料，使其逐漸的壓實，滿足對頂板下沉的支護作用，此時內部的壓力迅速增加并逐漸趨于穩定。其最大的壓縮量約為255 mm，最大應力約為26.9 MPa，小于墩柱的臨界壓力(約40 MPa)，完全滿足井下綜采作業的支護要求，確保了井下支護作業的安全性。

同時，由于設置時墩柱的距離增加，有效地降低了井下巷道的墩柱數量，使相同巷道內的墩柱數量降低了約12%，減少了支護作業的工時，提升了綜采作業效率和回采率。

4 結論

本文通過對某礦井下支護作業缺陷的分析，根據長期井下工作經驗，提出了一種自適應載荷巷旁支護技術，對其支護原理和應用情況進行了分析，通過井下工作面的實際應用表明：

1) 采用新技術后其頂板的最大移近量約為400 mm，比之前的551 mm降低了約27.4%，顯著提升了井下支護作業的穩定性。

2) 自適應載荷巷旁支護技術下最大壓縮量約為255 mm，最大應力約為26.9 MPa，小于墩柱的臨界壓力(約40 MPa)，完全滿足井下綜采作業的支護要求，確保了井下支護作業的安全性。

3) 由于設置時墩柱的距離增加，有效地降低了井下巷道的墩柱數量，使相同巷道內的墩柱數量降低了約12%，減少了支護作業的工時，提升了綜采作業效率和回采率。