綜采工作面回撤通道支護(hù)優(yōu)化研究

李樂飛

（晉能控股煤業(yè)地煤樹兒里煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037000）

0 引言

根據(jù)晉能控股下屬煤礦實(shí)際情況，在過往實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，使用長度為4 m 的11 號(hào)型礦工鋼和單體柱進(jìn)行搭配，完成回撤通道頂板的支護(hù)。礦工鋼的兩側(cè)分別頂在支架頂梁之上和煤壁處，然后升高單體柱頂緊和支架一起支護(hù)。在每個(gè)液壓支架上架設(shè)2 個(gè)中間間隔0.7 m 的工字鋼，再通過8 號(hào)型鐵絲加固；煤壁采用錨桿與菱形網(wǎng)支護(hù)及貼幫柱支護(hù)兩種方法，單體柱之間相隔0.7 m。在菱形網(wǎng)進(jìn)行使用過程中，工人需要對(duì)其拼接，由于拼接處受力問題會(huì)時(shí)常出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，而且由于其他鋼材和柱體質(zhì)量較大，實(shí)際施工進(jìn)度較為緩慢。為了實(shí)現(xiàn)礦井下高效開采，對(duì)井下工作面進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出一種采取柔性聚酯增強(qiáng)塑料網(wǎng)（下文簡稱為“呼柔性網(wǎng)”）和錨索一起使用的鋪網(wǎng)工藝，用以在回撤通道安全施工。

1 回撤通道

1.1 回撤通道區(qū)域圍巖結(jié)構(gòu)分析

4204 工作面情況如下：長度約1 480 m，傾斜長約180 m，傾角在3°～8°之間，煤層厚度平均約3.2 m。為了科學(xué)地選擇支護(hù)回撤通道的工作參數(shù)，首先要選擇測(cè)點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際需要在工作面的膠帶選擇一個(gè)測(cè)點(diǎn)，在回風(fēng)順槽選擇一個(gè)測(cè)點(diǎn)；然后布置其具體的位置，選擇回撤通道和交代順槽連接處作為第一測(cè)點(diǎn)，選擇回撤通道和回風(fēng)順槽連接處作為第二測(cè)點(diǎn)。接著對(duì)圍巖情況進(jìn)行研究分析。

結(jié)合第一點(diǎn)的觀測(cè)結(jié)果與所查閱的相關(guān)文獻(xiàn)資料進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果顯示：第一點(diǎn)頂板上方有1.8 m的灰黑色泥巖，在該處圍巖有裂隙；在上方1.8～7.4 m之間有灰色的粉砂巖，該處圍巖完整；在上方7.4～18 m之間有鈣質(zhì)膠結(jié)的細(xì)砂巖，該處圍巖層理均勻，其中部10～13.6 m 間含煤線夾層；在上方18～20 m 之間有灰色的粉砂巖，該處圍巖完整。

結(jié)合第二點(diǎn)的觀測(cè)結(jié)果與所查閱的相關(guān)文獻(xiàn)資料進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果顯示：第二點(diǎn)頂板上方有2.3 m的灰色泥巖，其間2.1 m 處有顯著裂隙；在上方2.3～8.1 m 之間有灰色的粉砂巖，該處圍巖層理均勻，其間5 m 處有煤線夾層；在上方8.1～18 m 之間有灰黑色細(xì)砂巖，該處圍巖呈波狀紋理，其間15.7 m 處有煤線夾層；在上方18～20 m 之間有灰色粉砂巖，該處圍巖完整。在兩處測(cè)點(diǎn)的頂板上方2.3 m 內(nèi)圍巖主要是不牢固、易破碎的易泥巖，2.3～7.4 m 之間主要是幾乎未損壞的粉砂巖。

1.2 回撤通道支護(hù)設(shè)計(jì)

通過頂板巖層的情況來看，支護(hù)直接接觸的區(qū)域?yàn)槿菀灼扑榈哪鄮r層，為了改善頂板的離層冒落問題，需要針對(duì)頂板上方2.3 m內(nèi)的巖層進(jìn)行控制。解決方法為：錨索穿過泥巖層主要固定在完整的粉砂巖層內(nèi)，兩巖層能夠形成組合，上方牢固的粉砂巖層也能通過錨索懸吊起下方的泥巖。頂板支護(hù)和幫部支護(hù)采取錨索、鋼帶、鋼絲繩與柔性網(wǎng)進(jìn)行搭配的方式，可以降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，有效提高工作效率，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)[1]。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

2.1 錨索技術(shù)參數(shù)

為了滿足一定的安全要求和經(jīng)濟(jì)性要求，按照采取高強(qiáng)度及剛度、低支護(hù)密度的準(zhǔn)則來進(jìn)行選擇錨索。首先錨索需要滿足高的強(qiáng)度、剛度來維持支護(hù)能夠具備一定的可靠性，在此基礎(chǔ)上，低支護(hù)密度可以降低工人的頻繁勞動(dòng)，提高工作效率，從而提高開采速度。

2.1.1 錨索長度的確定

錨索長度主要包括3 段，分別為外露、有效、錨固段。在實(shí)際選取錨索的長度時(shí)，為了足夠的安全性，需要取標(biāo)準(zhǔn)中要求的最大長度?；爻吠ǖ揽偪缍?.2 m，按照組合拱理論進(jìn)行計(jì)算公式為：

式中：L 為相應(yīng)的錨索長度，m；K 為相應(yīng)的安全系數(shù)，取2；h 為冒落高度，m；l1為相應(yīng)的錨索錨入穩(wěn)定巖層的深度，取1.5 m；l2為相應(yīng)的錨索在巷道中的外露長度，取0.3 m；b 為相應(yīng)的巷道寬度，取4.2 m；f 為相應(yīng)的頂部巖石堅(jiān)固性系數(shù)，取2。

經(jīng)上述計(jì)算，解得的錨索總長度L 是3.9 m，結(jié)合巷道頂板的巖層結(jié)構(gòu)，選擇4.3 m 長度的錨索比較合理。

2.1.2 錨索間距、排距的確定

錨索的間距和排距由式（3）計(jì)算得到。

式中：la為相應(yīng)的錨索間距，m；F 為相應(yīng)的錨索最大抗拉拔力，要求達(dá)到200 kN 以上，取200 kN；h' 為相應(yīng)的頂板松動(dòng)高度范圍，取2.3 m；ρ 為相應(yīng)的被懸吊巖層的密度，取巖石平均值2 640 kg/m3。

經(jīng)上述計(jì)算，解得的Ia是1.29 m，結(jié)合實(shí)際情況，選擇為1 m 的間距和排距。

2.2 柔性網(wǎng)技術(shù)參數(shù)

為了避免小型巖塊的破碎掉落，柔性網(wǎng)必不可少，它可以附著在巷道的表層，阻擋巖塊垮掉，同時(shí)傳遞錨桿的受力載荷給錨索。本文所使用的是一種新型樹脂纖維聚合網(wǎng)材的柔性網(wǎng)。

鋪網(wǎng)長度順著工作方向頂板鋪設(shè)的長度來選取，根據(jù)式（4）計(jì)算：

式中：b1為柔性網(wǎng)工作方向鋪設(shè)長度，m；l1為液壓支架梁端距，取4.2 m；l2為支架頂梁長，取4.35 m；l3為支架頂部距底板距離，取3.2 m；l4為煤幫預(yù)留柔性網(wǎng)長度，取3 m；lD為采空區(qū)矸石埋網(wǎng)長度，取2.3 m，此處為滿足實(shí)際使用，選擇3 m。

經(jīng)過計(jì)算解得b1是17.75 m，最終選擇柔性網(wǎng)工作方向鋪設(shè)長度是18 m。

柔性網(wǎng)長度的影響因素很多，包括切眼長度、網(wǎng)的規(guī)格參數(shù)、運(yùn)輸受限等多方面。針對(duì)本文4204 工作面長度約180 m，選取1 片參數(shù)長為190 m、寬為18 m的柔性網(wǎng)，網(wǎng)的兩側(cè)分別超過煤壁5 m。

貫穿工作面的鋼絲繩參數(shù)為長190 m、直徑21.5 mm，放置8 根于支架上部，其間隔為1 m。

2.3 柔性網(wǎng)在回撤通道形成中的應(yīng)用

2.3.1 安裝絞盤

在末采時(shí)，先裝好絞盤、定滑輪。所有的絞盤裝配在液壓支架上，位置在靠機(jī)尾的立柱上，最好處于立柱柱筒上方300 mm 高。鋼絞線繞定滑輪，一端過支架上端吊環(huán)，預(yù)留5 m 的活頭?？傆?jì)121 個(gè)液壓支架，鋼絞線參數(shù)為長25 m、直徑6 mm[2]。

2.3.2 鋪網(wǎng)施工流程

1）在采煤機(jī)進(jìn)行工作截割煤體前，人工絞起柔性網(wǎng)片，隨后進(jìn)行截割。

2）在采煤機(jī)完成截割后，繞動(dòng)絞盤放松柔性網(wǎng)，隨之完成跟機(jī)拉架動(dòng)作。

3）在拉架動(dòng)作完成后，人工絞起柔性網(wǎng)片，進(jìn)行清理浮煤工作。

2.3.3 回撤通道的形成

綜采面鋪網(wǎng)后，再向前掘進(jìn)10 m，然后拆卸下運(yùn)煤溜槽的推拉桿，移架暫停，手動(dòng)操作單體液壓支柱控制溜槽完成截割煤體工作，在截割4.2 m 后暫停開采，然后延伸纖維網(wǎng)、鋼絲繩到回撤通道，對(duì)頂板和幫部的支護(hù)如圖1 所示。

圖1 回撤通道支護(hù)示意圖

2.3.4 支護(hù)形成后的礦壓監(jiān)側(cè)及結(jié)果分析

回撤通道支護(hù)完成后，通道里選取3 個(gè)測(cè)點(diǎn)以監(jiān)測(cè)頂板的下沉狀態(tài)，表1 為測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)效果。在下沉6 d 后，頂板接下來的下沉量較低，較為穩(wěn)定，此時(shí)巷道已經(jīng)不再變形，說明支護(hù)效果良好，錨索的支護(hù)能力內(nèi)，后續(xù)頂板巖層幾乎無位移，沒有不協(xié)調(diào)變形出現(xiàn)，本設(shè)計(jì)的支護(hù)參數(shù)合理，效果良好。

表1 頂板位移觀測(cè)結(jié)果

2.3.5 與傳統(tǒng)支護(hù)工藝相比的優(yōu)缺點(diǎn)

1）相比于傳統(tǒng)工藝，本工藝采取主動(dòng)支護(hù)，其優(yōu)秀的抗變形支撐能力能夠滿足頂板的穩(wěn)定，完成對(duì)回撤通道的加固。

2）可根據(jù)礦井實(shí)際情況，選取合適尺寸的柔性網(wǎng)，比起鐵絲網(wǎng)來說，不要多張網(wǎng)連接，鋪網(wǎng)期間不需要綁扎工作。

3）選用的柔性網(wǎng)材料性能優(yōu)越，不易撕裂，而鐵絲網(wǎng)易出現(xiàn)漏頂問題。

4）支護(hù)設(shè)備的質(zhì)量相對(duì)較小，工人沒有很高的勞動(dòng)強(qiáng)度。

5）采用機(jī)械收放、架設(shè)柔性網(wǎng)，大大節(jié)約了工作時(shí)間，提高工作效率，相對(duì)傳統(tǒng)工藝，在經(jīng)濟(jì)上節(jié)約了約8 萬元的工時(shí)費(fèi)用。

6）避免了煤壁下手動(dòng)綁扎，大大提高了工人的安全。

3 結(jié)語

本文使用錨索、鋼帶與柔性聚酯增強(qiáng)塑料網(wǎng)掛網(wǎng)協(xié)作形成一種用于回車通道防護(hù)的新支護(hù)工藝。通過實(shí)際采用后，該工藝大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了回撤時(shí)間，在可以穩(wěn)定頂板的同時(shí)，還提高了回撤時(shí)的安全性。通過在大同煤礦區(qū)域?qū)嶋H應(yīng)用，得到了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。