韓咀煤礦孤島工作面回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

柳 嵩

(山西中煤華晉能源有限責(zé)任公司，山西 運(yùn)城 043300)

0 引言

開采孤島工作面時(shí)，工作面兩巷的穩(wěn)定性直接關(guān)系到整個(gè)孤島面回采安全。巷道支護(hù)參數(shù)不合理，不僅會(huì)造成資源浪費(fèi)、成本增加，更有可能導(dǎo)致孤島面發(fā)生安全事故。針對(duì)工作面巷道支護(hù)形式及支護(hù)參數(shù)，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。蘇紅偉等研究了常村煤礦21072孤島面支承壓力影響因素，得出了錨網(wǎng)支護(hù)優(yōu)化結(jié)果，為工作面高產(chǎn)高效創(chuàng)造了技術(shù)條件[1]；趙建峰等研究了平煤一礦戊9-23010采煤工作面回采巷道應(yīng)力分布特征，提出具有針對(duì)性的“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+噴漿+U型鋼拱支架”綜合支護(hù)方案并取得了良好的現(xiàn)場效果[2]；曾慶科等研究了許樓礦井311工作面回采巷道錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)及加固機(jī)理，成功解決了孤島面回采巷道支護(hù)難題[3]；郭忠平等研究了軟弱圍巖條件下孤島面巷道變形特征并針對(duì)該條件提出了新的支護(hù)方案，解決了巷道變形嚴(yán)重的問題[4]。針對(duì)韓咀煤礦2#煤層孤島工作面回采巷道變形破壞嚴(yán)重、不易控制的問題，對(duì)巷道支護(hù)及超前支護(hù)方式進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，達(dá)到了保證工作面正常生產(chǎn)的預(yù)期效果。

1 工程概況

韓咀煤礦32211工作面整體為一單斜構(gòu)造，局部為背斜、向斜構(gòu)造，背斜走向NW，向斜走向NE，煤層傾角3°～7°，平均5°，為近水平煤層。工作面走向長度1 195 m，傾向長度296 m，煤層硬度為3～6，賦存狀態(tài)較穩(wěn)定，無明顯變化特征。位于32213工作面采空區(qū)以南，32209工作面采空區(qū)以北，井田邊界以東，高速公路保安煤柱以西。工作面標(biāo)高在+851～+895 m，地面標(biāo)高+1 095～+1 225 m。32211工作面在回采期間受相鄰32209工作面、32213工作面采空區(qū)殘余支承壓力影響。

32211工作面煤層頂?shù)装逄卣饕姳?，工作面斷層構(gòu)造情況見表2。

表1 工作面頂?shù)装逄卣饕挥[表

表2 工作面斷層構(gòu)造一覽表

2 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)原則

孤島工作面開采狀態(tài)下，頂板運(yùn)動(dòng)不同于常規(guī)工作面，頂板結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖如圖1所示。兩側(cè)工作面回采之后，采空區(qū)逐漸垮落形成關(guān)鍵塊C，孤島工作面開采過程中，頂板會(huì)重新運(yùn)動(dòng)斷裂形成關(guān)鍵塊B，而關(guān)鍵塊B的旋轉(zhuǎn)下沉是導(dǎo)致孤島工作面壓力顯現(xiàn)劇烈的重要因素。因此，在孤島工作面向前推進(jìn)過程中，保證關(guān)鍵塊B的相對(duì)穩(wěn)定性使其在工作面推進(jìn)之后垮落，是保持孤島工作面開采的重要途徑。要實(shí)現(xiàn)這一目的，需要人為加強(qiáng)孤島面回采巷道的強(qiáng)度以改善開采環(huán)境。

根據(jù)對(duì)孤島面頂板結(jié)構(gòu)的分析，確定采用巷道錨桿(索)支護(hù)的方式對(duì)回采巷道圍巖進(jìn)行加強(qiáng)控制。巷道支護(hù)設(shè)計(jì)涉及巷道空間位置、巷道斷面的形狀、圍巖力學(xué)強(qiáng)度等諸多因素，支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免造成對(duì)正?；夭晒ぷ鞯挠绊?，同時(shí)做到用最少的材料達(dá)到最大的支護(hù)效果。

3 巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)

3.1 巷道一般支護(hù)方式

圖1 孤島面頂板結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖

根據(jù)32211孤島面開采實(shí)踐，確定的工作面回采巷道斷面特征見表3。其中322111巷用作工作面的運(yùn)煤、回風(fēng)、行人、正巷材料運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)，322112巷用作工作面的進(jìn)風(fēng)、行人、副巷材料運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)，開切眼用作工作面“三機(jī)”配套安裝。

根據(jù)工作面兩巷及開切眼的形狀及用途，設(shè)計(jì)的巷道斷面支護(hù)如圖2所示。

表3 工作面回采巷道斷面特征

a-322111巷；b-322112巷；c-開切眼圖2 巷道斷面支護(hù)設(shè)計(jì)

工作面322111巷支護(hù)設(shè)計(jì)：322111巷支護(hù)方式采用錨網(wǎng)梁+錨索支護(hù)，支護(hù)形式為：頂部錨桿規(guī)格尺寸為φ20 mm×2 500 mm，間排距設(shè)計(jì)為920 mm×800 mm，巷道兩肩錨桿與兩側(cè)相距200 mm，與豎直方向呈15°向上打設(shè)，頂部錨索規(guī)格尺寸為φ18.9 mm×7 000 mm，間排距設(shè)計(jì)為1 500 mm×1 600 mm，從巷道中心線全部垂直頂板向兩側(cè)打設(shè)；兩幫部錨桿規(guī)格尺寸為φ16 mm×1 500 mm，間排距設(shè)計(jì)為1 200 mm×800 mm，上部巷肩處錨桿與水平方向呈15°向上打設(shè)，下部距底板600 mm開始安裝錨桿；巷道整體錨網(wǎng)采用12#鉛絲菱形金屬網(wǎng)，梯子梁規(guī)格選用14#鋼筋。

工作面322112巷支護(hù)設(shè)計(jì)：322112巷支護(hù)方式采用錨網(wǎng)梁+錨索支護(hù)，支護(hù)形式為：頂部錨桿規(guī)格尺寸為φ20 mm×2 500 mm，間排距設(shè)計(jì)為880 mm×1 000 mm，巷道兩肩錨桿與兩側(cè)相距200 mm，與豎直方向呈15°向上打設(shè)，頂部錨索規(guī)格尺寸為φ18.9 mm×7 000 mm，間排距設(shè)計(jì)為2 000 mm×3 000 mm，以巷道中心線為界對(duì)稱分布；兩幫部錨桿規(guī)格尺寸為φ18 mm×2 000 mm，間排距設(shè)計(jì)為870 mm×800 mm，上部巷肩處錨桿與水平方向呈15°向上打設(shè)，下部距底板390 mm開始安裝錨桿；巷道整體錨網(wǎng)采用12#鉛絲菱形金屬網(wǎng)，梯子梁規(guī)格選用14#鋼筋。

工作面開切眼支護(hù)設(shè)計(jì)：工作面開切眼支護(hù)方式同樣采用錨網(wǎng)梁+錨索支護(hù)，支護(hù)形式為：未擴(kuò)刷前，整體支護(hù)參數(shù)與10-2111巷基本相同，僅將幫錨桿規(guī)格尺寸更改為φ18 mm×2 000 mm；斷面擴(kuò)刷之后，在擴(kuò)刷區(qū)域頂板增加3根錨桿一根錨索，錨桿間距設(shè)計(jì)為800 mm，新增錨索距相鄰錨索距離為1 500 mm，幫部錨桿布置間排距不變，錨桿(索)規(guī)格尺寸與原始設(shè)計(jì)相同。

3.2 巷道超前支護(hù)方式

工作面進(jìn)入正?；夭呻A段后，超前支承壓力會(huì)影響工作面前方一定范圍煤體，導(dǎo)致工作面前方一定范圍的巷道出現(xiàn)圍巖破壞嚴(yán)重、支護(hù)困難的現(xiàn)象。為防止在超前支承壓力影響范圍內(nèi)的巷道受到影響，一般均采取超前支護(hù)的方式進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。根據(jù)10#煤層相似工作面開采過程中的礦壓顯現(xiàn)特征，設(shè)計(jì)的超前支護(hù)方式布置如圖3所示。

工作面端頭支護(hù)：工作面上下端頭位置處于“T”型交叉區(qū)域，巷道壓力顯現(xiàn)劇烈，端頭支護(hù)僅采取單體支柱達(dá)不到支護(hù)強(qiáng)度且易干擾設(shè)備運(yùn)行，因此選擇合適的端頭支架是保證工作面安全回采的重要措施之一。工作面上下端頭采用4架ZY10000/20/42型過渡支架，過渡支架與巷道煤壁間采用單體液壓支柱配合1.0 m金屬π梁支撐，根據(jù)支架與煤壁間的距離確定單體支柱的數(shù)量及布置方式，金屬π梁和單體支柱必須采用自制鐵鏈與頂錨網(wǎng)梁聯(lián)接。

工作面超前支護(hù)：工作面兩巷超前支護(hù)范圍均為20 m，其中工作面?zhèn)?、煤柱?cè)單體支柱支設(shè)范圍均支護(hù)達(dá)到20 m。單體液壓支柱選取的型號(hào)為DW-28(DW-32、DW-36)，配合尺寸為1.0 m金屬π梁架設(shè)安裝。單體支柱的柱間距為1 m，行人側(cè)單體支柱距巷幫0.8 m，非行人側(cè)單體支柱距巷幫0.5 m。單體液壓支柱的初撐力保持在11.5 MPa以上，金屬π梁兩端和單體支柱必須采用自制鐵鏈與頂錨網(wǎng)梁聯(lián)接，單體支柱全部使用硬聯(lián)接。

支護(hù)工作要求：①單體液壓支柱必須成直線布置，直線度偏差小于±10 mm，且迎山有力；②單體液壓支柱必須掛好防倒鏈，避免因支柱傾倒頂梁掉落而發(fā)生事故，其防倒繩全部與頂板相連接；③在底板較軟區(qū)域，支柱鉆底量當(dāng)大于100 mm，單體支柱必須穿柱靴安放，并確定接觸底板不會(huì)再次產(chǎn)生下沉現(xiàn)象；④巷道超前支護(hù)段以及工作面端頭支護(hù)段單體液壓支柱初撐力不小于11.5 MPa；⑤單體液壓支柱的三用閥注液口方向全部向采空區(qū)方向布置；⑥巷道超前支護(hù)范圍內(nèi)保證無浮煤、雜物和淤泥積水，設(shè)備擺放整齊，防治因各種人為因素導(dǎo)致危險(xiǎn)的發(fā)生；⑦及時(shí)對(duì)卸壓支柱或損壞支柱進(jìn)行更換，保證巷道支護(hù)強(qiáng)度不減；⑧更換后的單體支柱放在超前支護(hù)范圍以外且支護(hù)完好的地點(diǎn)，必須擺放整齊并掛設(shè)好標(biāo)志牌。

圖3 孤島工作面開挖前礦壓分布情況

4 結(jié)語

通過對(duì)韓咀煤礦32211孤島工作面回采巷道的支護(hù)研究，分析了孤島工作面回采條件下的常規(guī)支護(hù)形式和超前支護(hù)形式，設(shè)計(jì)了不同支護(hù)形式的支護(hù)參數(shù)，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)控制了巷道圍巖的大范圍變形，保持了巷道圍巖的穩(wěn)定性，增強(qiáng)了巷道圍巖的強(qiáng)度，確保了工作面正?；夭?，對(duì)其他相似條件下的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)具有重要借鑒作用。