西河煤礦采區運輸巷穿采空區支護技術

梁庭瑞

(山西煤炭運銷集團 陽城西河煤業有限公司，山西 陽城 048105)

在煤礦生產過程中，由于前期無序的開采，留下了大量的采空區及不規則的空巷，給后期工作面開采、巷道掘進造成了一定的困難[1]。通常前期私挖亂采的小煤窯并沒有留下詳細的地質資料，這些隱蔽的采空區表現出了位置不定、類型不定、結構不明等特征。在煤層開采或掘進過程中，遇到采空區如何保證采場、巷道圍巖穩定性變得尤為重要[2]。目前，我國對于采空區氣體、水害的治理、頂板的控制等研究較多，針對巷道掘進過程中穿采空區保證巷道圍巖穩定性的研究相對較少[3-4]。本文以山西煤炭運銷集團陽城西河煤礦三采區運輸巷穿采空區支護設計為背景，對其進行研究，為類似條件下巷道支護提供參考依據。

1 工程概況

山西煤炭運銷集團陽城西河煤礦主采3號煤層，煤層賦存不穩定，煤層厚度3.5～5.1 m，其中三采區平均厚度5 m，煤層傾角1～3°，穩定可采。煤層直接頂為泥巖或粉砂質泥巖，平均厚度4.5 m；基本頂為灰色細砂巖、泥巖互層，平均厚度17.33 m；直接底為泥巖或炭質泥巖互層，平均厚度4.3 m。三采區運輸巷掘進至593.7 m處遇見3108采空區，通過鉆孔勘探，采空區垮落高度不定，預計三采區運輸巷在3108采空區掘進距離60 m。巷道正常掘進斷面為矩形斷面，巷道寬5.4 m，高3.8 m。運輸巷揭露采空區垮落區情況如圖1所示。

圖1 運輸巷迎頭采空區垮落情況示意

2 支護方案的選擇

根據鉆探結果，巷道全部從采空區穿過，傳統的錨桿、錨索支護已經不能起到支護作用。因此決定在穿采空區段將巷道斷面變為直墻半圓拱形，采用可縮性U型鋼棚進行支護。利用鋼棚將散落的矸石形成一個加固拱，加固拱結構的形成，提高了巷道支護結構的整體性，擴大了支護體的承載范圍，充分利用支護結構自身的強度來維持巷道圍巖穩定性。

三采區運輸大巷主要采用29U型棚架支護，U型鋼棚棚腿和棚梁均由29U的U型鋼加工而成，卡纜采用與29U型鋼配套的螺栓卡纜。鋼棚跨度5 200 mm，腿高1 400 mm，拱高2 400 mm。支護設計如圖2所示。

圖2 巷道支護設計(mm)

3 棚距的確定

3.1 巷道頂板受力計算

過采空區期間巷道擬采用直墻半圓拱斷面，斷面凈寬×凈高=4.8 m×3.8 m，其中凈墻高1.4 m，拱高2.4 m，巷道掘進寬度為5 148 mm，掘進高度為 4 074 mm。

巷道頂板壓力采取傳統的自然平衡拱理論進行計算，計算公式如下：

(1)

式中：Qd為每米巷道頂板巖石作用在支護體上的壓力，kN/m；γ為頂板巖石容重，25 kN/m3；f為頂板巖石的堅固性系數，松散巖體取1；a為巷道半跨度，取2.6 m。

經計算，跨度5.2 m的巷道頂板壓力為225.3 kN/m。

3.2 棚距的確定

根據材料力學推導出鋼棚受到的載荷公式[5]：

(2)

式中：σmax為29U型鋼最大屈服載荷，取325 MPa；Wz為構件的凈截面模量，取 92.3 cm3； 為拱形巷道跨度，取5.2 m。

由公式(2)得出，鋼棚受到的載荷q≤8.87 kN/m。

綜上可知：當鋼棚拱部所受載荷為均布載荷時，最大均布載荷為8.87 kN/m，由于鋼棚上部背有木板等材料，鋼棚上部受力通常以均布載荷為主，半圓拱弧長7.54 m，那么拱形鋼棚均布載荷受力為66.87 kN(當載荷不超過66.87 kN時，鋼棚不出現彎曲變形破壞，只出現彈性變形)，如果考慮到鋼棚出現極限變形破壞時，鋼棚承載力是彈性變形承載力的2.0倍左右[6]，則鋼棚極限承載能力為133.74 kN。

4 支護施工方案

西河煤礦三采區運輸巷穿采空區巷道支護設計主要施工方案分為：臨時支護和永久支護。

4.1 臨時支護

每掘進一個循環1 m，掘進機截割頭落地，進行臨時支護和架棚支護支撐頂板。永久支護距工作面迎頭最大距離為1.3 m。首先用風動鉆機在工作面迎頭距頂板200 mm處按角度25°打眼穿針控制頂板；在距迎頭第二架處兩幫棚腿側按角度20°打眼穿針控制兩幫；鉆孔間距按250 mm平行均勻布置(如無法按250 mm間距布置時，根據現場實際情況適當調整間距方便安全操作)，鉆孔深度不得小于1.5 m。然后往鉆孔內穿針，打一個眼穿一根針，以防鉆孔堵塞穿針困難，如風動鉆機無法使用時，采用人工配合大錘在穿針尾端砸，一端與工作面迎頭第一架永久支護梁用雙股鐵絲固定連接，防止頂板矸石垮落傷人。

4.2 永久支護

永久支護采用29U型架棚支護(必須先掛網后支鋼架，網片采用菱形鐵絲網)；鋼棚由三部分組成，搭接在肩窩位置，搭接長度400 mm，卡攬采用29U型鋼對應的標準卡攬，棚拱高2 400 mm，腿長1 400 mm，鋼架架棚支護排距500 mm；利用D16 mm鋼筋制作拉桿，長度為500 mm，按間距500 mm交叉布置在梁腿及頂梁間；背板長800 mm，按間距300 mm均勻布置，(必須保證不能出現漏頂、網包現象)，根據現場垮落區情況及時進行加密支護。梁腿支設在硬底上，并在梁腿下穿鞋(穿鞋使用三根11號礦用工字鋼并排制作，長300 mm，寬400 mm)。

5 現場應用效果分析

現場對3號煤三采區運輸巷穿采空區段架棚支護效果進行了監測，在距離巷道開口600 m、610 m、620 m處布置3個測點，觀測周期為180 d，每天記錄巷道兩幫及頂板、底板變形量，綜合分析支護效果。觀測結果如圖3所示。

圖3 巷道圍巖變形量隨時間變化規律

由圖3可知，巷道圍巖移近量隨時間推移，均表現出了先增大后趨于穩定的特征。兩幫移近量在90 d后逐漸趨于穩定，穩定后的3個測點平均移近量為172.4 mm；底鼓量在90 d后逐漸趨于穩定，穩定后的3個測點平均移近量為249.3 mm；頂板下沉量在6 d后逐漸趨于穩定，穩定后的3個測點平均移近量為36.7 mm。

巷道兩幫移近量、底鼓量要遠遠大于頂板下沉量，且兩幫及底板變化周期較長。從現場觀察結果看，主要是因為兩幫巖體在應力作用下向底板深處擠壓、流動，使得巷道底板受到高應力的作用，出現了明顯的底鼓現象，直至兩幫巖體穩定后，底板巖體也趨于穩定。從現場棚架受力情況看，并沒有出現明顯變形、破壞，充分說明支架在受到高應力情況下能夠產生屈服變形，使得巷道圍巖來壓緩和，避免了巷道來壓而造成支架破壞。

現場觀測結果充分說明巷道在穿采空區段采用密集U型棚支護可以有效維護巷道圍巖穩定性。

6 結 語

1) 通過理論計算，棚架跨度為5.2 m的巷道頂板壓力為225.3 kN/m，29U型棚架極限載荷為133.74 kN，棚距不超過0.5 m。

2) 現場應用表明，巷道圍巖移近量隨時間推移，均表現出了先增大后趨于穩定的特征，兩幫、底鼓、頂板最終平均移近量穩定在172.4 mm、249.3 mm、36.7 mm，巷道兩幫移近量、底鼓量要遠遠大于頂板下沉量，且兩幫及底板變化周期較長。

3) 棚架長時間受力均未出現變形、破壞現象，充分說明在穿采空區段采用密集U型棚支護可以有效維護巷道圍巖穩定性。