綜采工作面切頂留巷臨時支護技術研究應用

張能旺

(山西汾西礦業(集團)有限責任公司 曙光煤礦， 山西 孝義 032300)

我國煤礦井下工作面開采原來以121工法為主，每個回采工作面需布置兩條回采巷道，且工作面需留設一定寬度的區段煤柱，造成礦井采掘接替緊張、回采率低等問題。為此，何滿朝等提出切頂卸壓自成巷無煤柱開采技術，并在許多礦井進行了實踐，取得了顯著的經濟和社會效益[1-4]. 其研究重點集中在“切頂卸壓+恒阻大變形錨索”主體支護，對于切頂留巷期間的臨時支護研究較少，盲目采用單體支柱進行臨時支護，不利于礦井生產經濟性、安全性、科學性的實現。以山西汾西礦業(集團)有限責任公司曙光煤礦1226運輸巷為背景，在確定其主體切頂支護方案的前提下，對臨時支護技術進行研究及應用，以保證巷道圍巖的穩定性。

1 工程概況

曙光煤礦位于山西省孝義市，主采2#、3#煤層，生產規模90萬t/a，現階段2#煤層布置1226綜采工作面，區段標高為+960～+1 105 m，相對高差145 m. 1226工作面煤層均厚為2.85 m，工作面走向推進長度1 562 m，工作面開切眼長度180.5 m，沿頂底板割煤，不留頂底煤，平均采高為2.85 m. 為提高工作面回采率及巷道利用率，設計在1226運輸巷采用無煤柱沿空留巷技術。

2 1226運輸巷支護技術

1226運輸巷掘進期間采用“錨網索梁”永久支護方式，頂板每排采用6根d20 mm×2 400 mm的左旋螺紋鋼錨桿配合4.5 m的鋼筋托梁進行支護，頂錨桿錨固劑采用MSK2355、MSZ2355各一卷。錨索采用d21.6 mm×6 500 mm的鋼絞線，布置在兩排錨桿中間，采用“三花”布置方式，樹脂錨固劑采用MSK2355、MSK2355、MSZ2355各一卷。兩幫每排各支設4根d20 mm×2 400 mm的左旋螺紋鋼錨桿，在巷道右幫2#煤層與夾矸分界處打設一根點錨索，錨索與巷道右幫成75°角，錨索的排距為2 m，錨索采用d21.6 mm×6 500 mm的鋼絞線配合300 mm×300 mm×12 mm的四方鐵板進行支護，錨固劑采用MSK2355、MSK2355、MSZ2355各一卷。

3 巷道切頂卸壓+恒阻大變形錨索留巷支護

1226運輸巷采用以“切頂卸壓+恒阻大變形錨索支護”為主體的支護方案，通過預裂切縫爆破，在局部范圍切斷工作面頂板應力傳遞，減弱巷道頂板壓力，保護巷道頂板完整性。具體方案：在1226工作面運輸巷靠近回采側范圍內進行切頂爆破，切縫孔距巷道回采側幫150 mm，切縫面由豎直方向向采空區旋轉15°，切縫孔間距設計為600 mm，切頂鉆孔垂直高度為10.0 m，施工時至少超前工作面50 m.

采用恒阻大變形錨索控制頂板下沉，恒阻大變形錨索加固方案：錨索d21.8 mm，長度為12 m，恒阻器d85 mm，長450 mm，恒阻值為32 t，可伸縮量為150 mm. 1226工作面運輸巷和材料巷共布設2列恒阻大變形錨索，第一列恒阻錨索距切縫鉆孔400 mm(距回采側煤幫550 mm)，排距1 000 mm；第二列中線偏實體煤側200 mm，排距2 000 mm. 恒阻錨索相鄰錨索之間用3 mm×280 mmW鋼帶連接(平行于巷道走向)。預裂鉆孔及恒阻錨索支護見圖1.

圖1 1226運輸巷留巷支護示意圖

4 巷道分區臨時支護方案

工作面回采期間，巷道與工作面相對位置發生變化時，受到的采動影響大小也發生變化。工作面前方一定范圍內，巷道圍巖受超前支承壓力的影響；工作面附近，巷道受采煤機割煤、采空區頂板垮落的動壓影響；工作面后方一定范圍內，巷道仍受采空區頂板垮落的動壓影響，需要持續變形一段時間才能最終穩定。因此，將工作面附近的1226運輸巷劃分為3個區：超前支護區(工作面前方30 m)，架后臨時支護區(架后0～200 m)和成巷穩定區(架后200 m之后)，分區見圖2.

4.1 超前支護區

工作面前方30 m內的運輸巷受超前支承壓力的影響，巷道圍巖易出現較大的變形，故設計采用單體液壓支柱配合π型梁進行臨時補強支護，采用一梁三柱垂直巷道軸線方向布置，排距為1.0 m，超前支護長度不小于30 m.

4.2 架后臨時支護區

工作面后方0～200 m，采空區頂板逐漸垮落，動壓影響較為劇烈。因此，在架后0～200 m，頂板需要臨時加強支護。現有的架后臨時支護主要有單體臨時支護、單體+墩式支架臨時支護和門式剛架臨時支護[5-6]. 其中單體支柱主要用于淺埋深、薄煤層、壓力比較小的留巷支護，曙光煤礦開采深度大，巷道內壓力顯現明顯，因此主要從單體+墩式支架臨時支護和門式鋼架臨時支護之間選擇。單體+墩式支架臨時支護和門式鋼架臨時支護對比見表1.

為確保1226運輸巷的切頂留巷效果，對門式支架與墩式支架綜合分析比較后，最終確定采用門式支架進行1226運輸巷的架后臨時支護。1226運輸巷為矩形斷面，根據自然平衡拱理論，作用在深埋巖體巷道頂部的圍巖壓力為自然平衡拱內巖體的自重，頂板最大松動范圍為[5-6]：

圖2 巷道不同位置臨時支護圖

表1 門式支架與墩式支架對比表

(1)

式中：

hg—頂板最大松動范圍，m；

a—巷道寬度的一半，m，取2.35；

c—幫部最大破壞范圍，m，取3.5；

fd—頂板硬度系數，取2.

由式(1)可得，hg=2.925 m，按照最危險的情況考慮，頂板松動范圍內的巖體自重全部由門式支架承擔，則所需的門式支架支護力為[7]：

N=hgγ(2c+2a)d

(2)

式中：

N—所需支護力，kN；

hg—頂板最大松動范圍，m，取2.925；

γ—巖層平均重力密度，kN/m3，取25；

c—巷道兩幫破壞范圍，m，取3.5；

a—巷道寬度，m，取2.35；

d—支護排拒，m，取1.5.

由式(2)可得，N=1 283.34 kN. 根據壓強公式P=N/S，可算出所需支護壓強至少需0.182 MPa. ZLQ2826/22.5/38型門式支架初撐力為1 978.2 kN，工作阻力為2 826 kN，均大于所需支撐力，因此確定采用ZLQ2826/22.5/38型門式支架。1226運輸巷錨桿排距為1 000 mm，為有效避讓頂板錨桿、錨索，確定門式支架架間距為1 500 mm，留巷加強支護長度按照200 m考慮，共需134架門式支護裝置。相鄰門式支護裝置橫梁之間通過礦用高強度圓環鏈及緊鏈器連接，實現相鄰門式支護裝置之間的連接，避免因立柱卸壓發生倒架。門式支架布置方式見圖3.

圖3 運輸巷道門式支護臨時支護展開圖

為防止采空區的矸石滾落至巷道內，支架靠近采空區一側掛設鋼筋網，鋼筋網上部與頂板金屬網捆扎在一起，鋼筋網由d6 mm的鋼筋焊接而成，尺寸為1 700 mm×1 000 mm，鋼筋網掛設完成后，在采空區側布置可伸縮36U型鋼，U型鋼長2.6 m(可根據巷道高度適當調整)，U型梁排距為500 mm，布置見圖4.

圖4 架后臨時支護側視圖

4.3 成巷穩定區

滯后采煤工作面200 m以上的巷道內，當圍巖趨于穩定時，將門式支架撤去，保留可伸縮U型鋼進行擋矸支護，根據巷道內瓦斯濃度、采空區漏風情況，確定是否進行碎石幫側噴漿處理。噴漿時采用水泥砂漿，噴漿厚度不小于50 mm，必要時進行復噴。

5 應用效果

5.1 監測點布置及監測周期

曙光煤礦1226運輸巷沿空成巷施工后，在現場進行了巷道表面位移量監測，布置83組測點，每組測點包括2個點：頂板(A點)、底板(B). 監測方法：用收斂儀分別測量各測點到基準點的距離，兩測點相鄰兩次測試數據的差值即為兩點相對移近量，以此累加相鄰兩次測試數據的差值即可得兩點相對總移近量，測量精度0.1 mm. 巷道表面位移監測為實時在線監測，每次獲取的觀測數據需要做好記錄表及時整理，共進行為期21天的監測。

5.2 支護效果評價

對現場監測得到的數據整理得到圖5，成巷初期巷道圍巖位移量快速增大，成巷約10天后圍巖趨于穩定，兩幫移近量穩定在23.5 mm左右，頂底板移近量穩定在16.3 mm左右，巷道變形量小，支護效果良好。

圖5 圍巖位移量變化曲線圖

6 總 結

1) 以“切頂卸壓+恒阻大變形錨索支護”為主體的切頂留巷技術應用期間，臨時支護對于留巷圍巖穩定非常關鍵。工作面超前段受超前支承壓力的影響，可采用單體柱或單體柱+工字鋼進行補強支護，超前支護距離不小于100 m；工作面開采時，頂板開采垮落，動壓明顯，可采用門式支架等強度高、整體性強的臨時支護方式，工作面后方頂板從垮落到穩定需要一定的時間，因此距工作面較近的架后區域不僅需要進行頂板補強支護，還需進行擋矸支護，采用可伸縮U型鋼擋矸支護效果良好；當巷道距工作面較遠時，頂板運動基本趨于穩定。礦壓監測結果表明，巷道頂板穩定后，可將架后臨時支護的設備撤掉，只進行擋矸支護即可。

2) 圍巖位移監測結果表明，留巷期間圍巖穩定后，兩幫移近量穩定在23.5 mm左右，頂底板移近量穩定在16.3 mm左右，圍巖穩定性良好，能夠滿足1228接替工作面的生產需求。