東曲煤礦巷道頂板超前支護及穩定性研究

魏生喜

（山西焦煤集團有限責任公司東曲煤礦，山西 太原030200）

0 引言

焦煤集團東曲煤礦位于大同煤田東中部的邊界，井田面積約11.75 km2，煤炭存儲量約10 199萬t[1]。井田開拓采用立井單水平方式，主要開采的是4號煤層，由于井下開采的力度不斷加大，開采的越深礦井的地質條件就越差，在開采過程中，經常會出現冒頂等事故，影響煤礦井下的安全開采。

1 地質概況

東曲煤礦主要開采4號煤層，煤層平均厚度為9.33 m，煤層傾角較小，一般在5°左右，煤層比較穩定，埋深約300～500 m，含有1～3層矸石，巖性多是砂質泥巖和碳質泥巖。根據4號煤層的煤質特點，采煤時采用綜采放頂煤的方法[2]，本文研究分析開采過程中巷道圍巖的變形原因，并提出新方案以提高巷道的穩定性和安全性，降低危險系數。

2 巷道穩定性分析

現階段，4號煤層的回采巷道支護采用的是錨網索和梯子梁的方式進行支護[3]，其中，錨桿直徑20 mm，長度2 400 mm，采用螺紋鋼對端頭進行錨固，金屬網采用25 mm×25 mm的網孔進行鋪設，錨索直徑17.8 mm，長度6 300 mm；采用的是鋼絞線，斷面間留有2.4 m的排距；金屬托盤采用300 mm×300 mm×16 mm的規格，梯子梁采用的直徑10 mm的圓鋼，具體的支護參數見表1。

表1 巷道圍巖支護參數

在井下開采過程中，上覆煤層開采后，會出現巖層垮落，因此下覆煤層的煤頂板主要是上覆巖層和采空區巖石，而采空區巖石的穩定性比較差，會直接影響下覆煤層巷道頂板的穩定性，通常巖層的穩定性與巖層間厚度有關。對于4號煤層，與上覆煤層的層間距厚度大于2 m，是中砂巖和細砂巖交互巖層，現采用的錨網索和梯子梁支護方法，經現場的實際應用，表明支護效果差，巷道圍巖出現嚴重變形，頂板的下沉量最大為944 mm，而且巷道的二次維護成本高、難度大，因此，需要對巷道的原有支護方式進行優化設計，提高巷道的穩定性。

3 巷道超前支護優化方案

為了提高巷道的穩定性，降低巷道維護成本，在開采過程中，對工作面的運輸巷和回風巷采用單體支柱和“π”型梁相結合的超前支護方式，在距離開采工作面30～50 m處進行超前支護。

由于工作面運輸巷受采動影響比較大，巷道圍巖的塑性區發育的范圍比較廣，因而對運輸巷的端頭采用兩對“π”型梁來支護[4]，采用“一梁四柱”的錯梁布置方式，一對“π”型梁包括8根單體支柱和2根“π”型鋼梁，梁頭之間錯開600 mm的距離，邁步距離1 200 mm，每對梁的中梁與梁的中心相距300 mm，外側單梁與支架的距離是300 mm。對遠離工作面一側的巷幫采用一對“π”型梁支護，每個單梁的中梁外側與支架間隔300 mm，在每個梁的中梁后布置切頂支柱，與工作面支架的切頂線平行。

對回風巷的端頭采用3對“π”型梁進行支護，采用“一梁三柱”的錯梁布置方式，1對“π”型梁包括6根單體支柱和2根“π”型鋼梁，梁頭之間錯開600 mm，邁步距離1 200 mm，每對梁的中梁與梁的中心相距300 mm，外側單梁與支架間距300 mm。對空頂區域采用單體和木架棚的方式進行支護，以維護巷道的穩定性。具體超前支護結構如圖2所示。

圖2 超前支護結構示意圖

4 效果驗證

采用優化的巷道支護方案后，在4號煤層工作面巷道開始實施，對掘進過程中巷道圍巖的變形量進行監測，主要是監測巷道頂板和兩幫移近量，監測距離是50 m，具體的監測結果如圖3所示。

從圖3可以看出，在使用優化巷道支護方案后，巷道頂板的下沉量和兩幫的移近量都比之前有明顯的降低，巷道頂板的下沉量最大為142 mm，巷道圍巖的變形主要集中在掘進25 m的范圍內，巷道兩幫的移近量最大為151 mm，巷道圍巖的變形主要集中在掘進15 m的范圍內。通過比較，可以看出，頂板的下沉量和兩幫的移近量在離煤壁越遠時，變形量越小，相反，離煤壁越近時，變形量越大，且巷道圍巖的變形主要集中在巷道頂板上，巷道兩幫的變形量相

圖3 巷道頂板及兩幫位移曲線

對較小，且巷道圍巖的變形量都在合理的范圍內。

綜上可知，在使用優化巷道支護方案后，巷道的支護效果得到很大的改善，巷道的穩定性明顯提高，表明使用此優化方案具有很好的實踐效果。

5 結論

針對在開采過程中出現的巷道圍巖穩定性差、變形嚴重、造成巷道維護成本高等問題，在分析原有支護的基礎上，提出采用超前支護方式，結果如下：

1）對4號煤層的運輸巷和回風巷分別進行優化，采用單體支柱和“π”型梁結合的支護方式，對運輸巷采用“一梁四柱”錯梁布置，對回風巷采用“一梁三柱”的錯梁布置，用來維護巷道圍巖的穩定性。

2）采用超前支護優化方案后，不僅提高了原有支護結構的巷道圍巖控制能力，而且使用單體、π型梁等對頂板進行補強支護后，大大提高了巷道圍巖的穩定性，降低了巷道頂板的離層量。實際監測到巷道頂板的最大下沉量為142 mm，兩幫的最大移近量為151 mm。

作者簡介：

[1]張步元.近距離煤層采空區下回采巷道圍巖控制技術研究與應用［J］.煤礦現代化，2019（5）：1-3.

[2]梁哲.大采高厚硬頂板綜采工作面超前支護優化設計研究［J］.山西能源學院學報，2019，32（6）：18-20.

[3]郭偉.極近距離煤層采空區下回采巷道穩定性分析及控制技術研究[D].太原理工大學，2015.

[4]羅寶紅.綜放面端頭及順槽超前區頂板支護技術與實踐[J]．江西煤炭科技，2020（2）：150-152．