破碎頂板工作面端頭復(fù)合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

吳光輝

（晉煤集團(tuán)趙莊二號(hào)井 ，山西 長(zhǎng)治046000）

常村煤礦采煤工作面存在設(shè)備布置多、供電運(yùn)輸系統(tǒng)長(zhǎng)、頂?shù)装宄惺艿牡V壓大、人員管理復(fù)雜等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，而工作面切眼與上下順槽連接處的端頭是人員行走、拉煤運(yùn)輸?shù)鹊闹饕ǖ溃摰攸c(diǎn)懸頂面積大，且承受著來(lái)自采空區(qū)和周期來(lái)壓的頂?shù)装鍓毫Γ约懊合飪蛇吤罕诘膫?cè)向壓力等綜合壓力的考驗(yàn)，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，將直接影響采煤面的運(yùn)輸系統(tǒng)，阻擋人員撤離的逃生通道[1-3]，因此，做好采煤工作面端頭支護(hù)的加固工作是保證工作面安全回采的主要條件之一。

1 工作面概述

常村煤礦采用立井單水平盤(pán)區(qū)開(kāi)拓方式，目前主要在+810水平開(kāi)采3#煤層，核定生產(chǎn)能力為176萬(wàn)t/a，礦井水文地質(zhì)類(lèi)型劃分為極復(fù)雜、地質(zhì)類(lèi)型劃分為中等，礦井正常涌水量為149m3/h，最大涌水量為224m3/h。礦井排布有兩個(gè)采區(qū)，布置兩個(gè)個(gè)采煤工作面，均采用綜采放頂煤，另有3個(gè)掘進(jìn)工作面，采煤工作面采用走向長(zhǎng)壁沿底回采放頂煤生產(chǎn)工藝，其中3305回采工作面位于三盤(pán)區(qū)中部，盤(pán)區(qū)大巷以西，為傾向布置工作面，巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1940m，切眼斜長(zhǎng)215m，煤層傾角2°～10°，平均傾角5°，巷道斷面5.4m×3.1m,斷面跨度大，頂板條件相對(duì)較差，易破碎，在切眼兩端與上下順槽交叉處，容易出現(xiàn)空頂與來(lái)壓作用影響，因此，需對(duì)端頭支護(hù)的加固施工工藝進(jìn)行摸索探究。如圖1：3305工作面平面布置示意圖。

圖1 3305工作面平面布置示意圖

2 破碎段端頭支護(hù)形式

采煤工作面的端頭支護(hù)一般采用兩種形式：主動(dòng)形式與被動(dòng)形式。主動(dòng)方式是通過(guò)在掘進(jìn)期間向煤層的穩(wěn)定巖層頂板打設(shè)規(guī)則的錨桿和錨索，對(duì)頂板起到懸吊作用進(jìn)行主動(dòng)支護(hù)；被動(dòng)方式是通過(guò)在巷道回采時(shí)架設(shè)梁棚，并在棚下打設(shè)液壓?jiǎn)误w柱進(jìn)行復(fù)合式支護(hù)的方式，被動(dòng)的等待頂板來(lái)壓后，作用在棚梁上，起到被動(dòng)等壓的效果，待來(lái)壓穩(wěn)定，重新分布，以達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡。

2.1 主動(dòng)支護(hù)方式

2.1.1 錨桿支護(hù)

錨桿采用型號(hào)為Ф20mm×2.2m的高強(qiáng)度螺紋錨桿，順巷道架棚方向按照0.9m×0.8m的間排距打設(shè)，恰好每排可打7根錨桿。

在打設(shè)錨桿、錨索后，為了避免頂板周期來(lái)壓，或因?yàn)榧芘铩⒅ёo(hù)質(zhì)量不合格，導(dǎo)致頂板破碎垮落現(xiàn)象發(fā)生，造成碎矸傷人事件，要預(yù)先在頂板鋪設(shè)金屬網(wǎng)，使金屬網(wǎng)緊貼巖面，布置4700 mm×78mm規(guī)格鋼筋托梁，然后施工錨桿眼，攪拌錨固劑，并對(duì)錨桿進(jìn)行漲拉預(yù)緊，起到防護(hù)效果。巷道支護(hù)示意圖如圖2所示。

圖2 錨桿錨索主動(dòng)支護(hù)示意圖

2.1.2 錨索支護(hù)

在施工完錨桿支護(hù)后，仍需采用長(zhǎng)孔加固的錨索進(jìn)行補(bǔ)充加強(qiáng)支護(hù)，通過(guò)不同層位的深淺孔結(jié)合，可有效對(duì)頂板不同圍巖類(lèi)型進(jìn)行合理加固，采用錨索支護(hù)時(shí)，主要選用Ф17.8mm×8m錨索進(jìn)行打設(shè)，為了強(qiáng)化錨索對(duì)頂板的支護(hù)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)錨索間的連鎖，在每?jī)筛^索之間垂直巷道架棚方向順序固定一根錨索梁，加強(qiáng)懸頂作用，錨索梁長(zhǎng)一般選型為2.2m，錨索間距1.8m，梁頭接觸緊密排列，錨索梁除了加強(qiáng)對(duì)頂板的主動(dòng)支護(hù)外，也能對(duì)錨桿鋼梁起到提拉加固作用。通過(guò)錨索支護(hù)的深孔打設(shè)，可有效將頂板加固于穩(wěn)定砂巖層中，達(dá)到控制效果。

2.2 被動(dòng)支護(hù)方式

2.2.1 架棚支護(hù)

在工作面頂板破碎地段，采用5.4m長(zhǎng)的工字鋼鋼梁進(jìn)行雙棚架設(shè)，即每?jī)膳锖喜⒈吃O(shè)成為一個(gè)整體棚，既能夠有效增加背頂面積，也可以增強(qiáng)來(lái)壓時(shí)的頂幫部抗壓強(qiáng)度，由于頂板承受壓力遠(yuǎn)大于幫部煤墻外鼓膨脹壓力，因此，架棚后要在工字鋼棚梁頂部沿垂直方向依次按照間距0.3m進(jìn)行背設(shè)背板或小原木，在背板上方再鋪設(shè)一層金屬網(wǎng)，防止破碎帶局部掉矸現(xiàn)象，在來(lái)壓時(shí)煤層垮落形成網(wǎng)兜，增加人員通過(guò)時(shí)的安全系數(shù)，創(chuàng)造安全環(huán)境。工字鋼棚蹬腿后，可使用雙串桿從棚梁處向下按照0.4m的間距依次向下背設(shè)，當(dāng)煤壁來(lái)壓、膨脹出現(xiàn)鼓包時(shí)，可剪開(kāi)網(wǎng)兜，或通過(guò)施工松幫泄壓孔的方式對(duì)煤壁進(jìn)行釋放泄壓，減少對(duì)棚腿側(cè)幫的壓力影響，減少巷道變形量，提高支護(hù)強(qiáng)度。

圖3 復(fù)合支護(hù)示意圖

2.2.2 邊路抬棚支護(hù)

雖然通過(guò)打設(shè)錨網(wǎng)索增加了頂板的主動(dòng)懸吊作用，但鋼棚缺少上行有效支撐，因此，可通過(guò)在棚梁下打設(shè)抬棚的方式加強(qiáng)支護(hù)。

對(duì)工字鋼棚的壓力來(lái)源可從兩個(gè)方向性進(jìn)行分析，其一主要是來(lái)自頂板和底板的垂直方向應(yīng)力影響，主要作用在棚梁上；其次是煤壁兩側(cè)或煤壁與采空區(qū)方向橫向的壓力影響，主要作用在棚腿上。因此，為了解決側(cè)幫壓力，可在距工字鋼棚梁兩端1m處各打設(shè)一排邊路抬棚，抬棚梁采用π型梁垂直工字鋼棚方向進(jìn)行打設(shè)，在抬棚梁與工字鋼量垂直交接的地方打設(shè)一根單體柱，根據(jù)一般巷道巷高，可使用伸縮量滿足3.5m巷高要求的單體柱即可，結(jié)合抬棚梁長(zhǎng)度和巷道作業(yè)空間，可選取使用“一梁三柱”抬棚方式，其目的在于當(dāng)巷道側(cè)幫壓力顯現(xiàn)，造成棚腿憋幫變形，短期內(nèi)無(wú)法修復(fù)，失去對(duì)工字鋼棚梁的支撐作用下，邊路抬棚可加強(qiáng)對(duì)棚梁的補(bǔ)充支護(hù)作用，防止兩幫壓力不均勻，導(dǎo)致棚梁脫落和架棚變形失力的后果。

2.2.3 中路抬棚邁步掩護(hù)支護(hù)

在邊路抬棚對(duì)棚腿側(cè)幫壓力補(bǔ)充支護(hù)外，中路抬棚主要為了輔助工字鋼棚梁強(qiáng)化對(duì)頂板來(lái)壓與底板鼓起時(shí)的垂直應(yīng)力方向的支護(hù)，在工作面正常回采生產(chǎn)期間，由于端頭施工需要對(duì)采空區(qū)棚梁進(jìn)行回收，采空區(qū)垮落頂板與切眼端頭空間的應(yīng)力分布不均，會(huì)在接觸面形成巨大的壓力，而當(dāng)端頭回棚減小抵抗應(yīng)力時(shí)，會(huì)造成采空區(qū)內(nèi)的壓力釋放，甚至造成端頭支架和抬棚推磨現(xiàn)象發(fā)生，因此，為了減小回棚時(shí)的抵抗應(yīng)力影響，可在中路施工兩排抬棚進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，在實(shí)際操作過(guò)程中，中路抬棚按照交替邁步式向前回撤，當(dāng)需要回收一棚梁時(shí)，抬棚向前移動(dòng)0.6m，使抬棚末端始終緊貼于應(yīng)力結(jié)合面，當(dāng)支撐升起貼于頂板后，原來(lái)平行的另一組中路抬棚同樣向前移動(dòng)0.6m，依次進(jìn)行替換，實(shí)現(xiàn)邁步掩護(hù)支護(hù)，確保將不平衡應(yīng)力面造成的影響降到最低，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤面端頭的安全支護(hù)加固。

3 支護(hù)強(qiáng)度抗壓性分析

由于巷道掘進(jìn)期間對(duì)頂板施工錨網(wǎng)索支護(hù)的主動(dòng)形式可有效控制頂板圍巖緩慢下沉，為后期工作面回采創(chuàng)造安全條件，且減少因頂板壓力大造成的大量工字鋼棚修護(hù)現(xiàn)象，因此，主動(dòng)支護(hù)形式對(duì)頂板支護(hù)的作用毋庸置疑。為了驗(yàn)證抬棚數(shù)量與支護(hù)形式對(duì)架棚支撐作用強(qiáng)度的影響效果，在工作面上下巷端頭以不同抬棚形式打設(shè)，各進(jìn)行一個(gè)月的參數(shù)收集，為了避免動(dòng)態(tài)因素的影響，根據(jù)工作面月度推進(jìn)度，在切眼外端上下巷30m處各布置一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，記錄原始數(shù)據(jù)，每5天對(duì)巷道頂幫移近量進(jìn)行采集。具體實(shí)驗(yàn)方法如下：①首月在上端頭只打設(shè)兩邊路抬棚，不打中路抬棚；②次月在上端頭只打設(shè)兩路中路抬棚，不打邊路抬棚；③首月在下端頭按照正規(guī)循環(huán)打設(shè)兩邊路抬棚，與中路邁步交替式抬棚；④次月在下端頭打設(shè)兩邊路抬棚與單排中路抬棚。經(jīng)兩個(gè)月的數(shù)據(jù)采集對(duì)比，分析見(jiàn)附圖4。

圖4 抬棚支護(hù)巷高變形參數(shù)對(duì)比

圖5 抬棚支護(hù)兩幫形變參數(shù)對(duì)比

從圖4數(shù)據(jù)分析得知，隨著工作面的推進(jìn)垂直壓力不斷顯現(xiàn)，但實(shí)驗(yàn)方案三的巷道移近量最為平緩，且數(shù)值最低，說(shuō)明此支護(hù)方式起到了對(duì)頂?shù)装宓目箟盒Ч?/p>

從圖5數(shù)據(jù)分析得知，隨著工作面的推進(jìn)兩幫部也受到煤體擠壓的側(cè)幫應(yīng)力作用，有無(wú)邊路抬棚的影響較為明顯，但中間抬棚的單路與雙路布置影響甚微。

綜上所述，在經(jīng)過(guò)四組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)三的整體效果較為顯著，能夠有效減小架棚巷道頂幫壓力的影響，說(shuō)明起到了良好的支護(hù)加強(qiáng)作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)大采深采煤工作面的端頭施工地點(diǎn)進(jìn)行分析探究，詳細(xì)總結(jié)出了架棚巷道所承受壓力的來(lái)源，并對(duì)其方向性與作用方式進(jìn)行闡述說(shuō)明，進(jìn)而有針對(duì)性地提出面對(duì)主動(dòng)支撐與被動(dòng)等壓條件下所采取的防范推棚的有效措施，通過(guò)打設(shè)頂板的錨網(wǎng)索復(fù)合支護(hù)，在架棚巷道的工字鋼梁下打設(shè)兩幫部邊路抬棚，配合中路抬棚進(jìn)行邁步掩護(hù)式交替施工，協(xié)調(diào)工作面回采期間的各方應(yīng)力實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，將影響降到最低，減少工字鋼棚的復(fù)修率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益的最大化，同時(shí)，也為礦井其他具有相同條件的工作面提供參考依據(jù)，推廣經(jīng)驗(yàn)，確保礦井的高效安全生產(chǎn)。