急傾斜突出煤層回采巷道錨鋼復合支架支護研究

周忠國 梁立勛 張亮 章寧釗 蔣文榮 徐倫

摘 要：針對綠水洞煤礦急傾斜煤層回采巷道現(xiàn)狀，研究分析原支護體系與現(xiàn)場存在的不適之處，優(yōu)化改進提出采用錨鋼復合支架支護體系，采用工程類比法與現(xiàn)場調查分析法相結合，開展急傾斜煤層回采巷道壓力監(jiān)測分析，得出回采巷道上幫變形是兩幫移近的主要因素，也是高幫片幫的薄弱所在。提出的錨鋼復合支架支護結合被動支護與主動支護特長，支架相互連接形成整體，具有防倒防滑功能，抗剪切能力增強。該項目累計節(jié)約費用50.8萬元，在類似巷道中具有較廣泛的推廣使用價值。

關鍵詞：回采巷道；錨鋼復合支架；防倒防滑

1 原回采巷道支護體系存在問題分析

綠水洞煤礦開采水平由+528m水平逐步向+350m水平延伸，礦井瓦斯災害隨之升級，根據煤炭科學研究總院重慶研究院于2010年9月提供的《綠水洞煤礦K1煤層瓦斯瓦斯基本參數測定及突出危險性鑒定報告》，綠水洞煤礦K1煤層有突出危險性。突出礦井急傾斜煤層回采巷道實現(xiàn)綜掘機掘進，但巷道支護一直都是國內煤炭行業(yè)的一大難題，對于此方面的研究成果和成熟應用目前還比較少。急傾斜綜采回采巷道支護方式目前采用的主要有錨網支護、架料支護和錨棚支護。對煤層巷道采取錨網噴支護，取得一定效果，但支護成本太高，對煤巷安全快速掘進制約太大。

國內其他類似煤礦，據了解，基本以金屬支架支護為主。開采水平延伸伴隨而來的問題主要是煤層傾角越來越大，為不破壞煤層頂板穩(wěn)定性，煤層巷道在掘進工藝和支護設計時都采取沿煤層頂板掘進，當煤層傾角增大時，造成巷道矮幫與高幫的高差增大。當煤層傾角大于45°時，巷道高幫高度達到5.7m，造成巷道高幫支護非常困難，巷道圍巖應力發(fā)生較大變化時，頂板易出現(xiàn)離層，高幫出現(xiàn)側鼓，增加了巷道支護和維修成本，施工安全威脅較大。

金屬防倒支架架料支護體系存在問題分析：巷道掘進過程中使用梯形金屬防倒支架架棚支護，頂部留設三角煤，由于煤層堅固性系數較?。╢=2～3），三角煤留設較困難，常造成梯形金屬防倒支架頂部空頂，有時形成高冒孔洞區(qū)域，對空頂區(qū)域采用架木垛支護及煤矸充填，接頂的穩(wěn)定性和牢靠性較差，隨著時間的推移，支架梁和腿受煤層頂板壓力和兩幫擠壓力逐漸增大，出現(xiàn)頂梁和兩幫支架腿彎曲變形、折斷等問題，增加巷道維修工作量，同時也對維修人員安全造成威脅，掘進過程中不能直觀全面預見前方揭露的地質構造情況。工作面回采過程中由于煤層硬度小，受采場壓力變化及巷道圍巖應力變化影響，高幫側巷道頂部煤炭垮落后，巷道頂板大面積空頂且長期懸吊，造成煤層頂板出現(xiàn)離層，工作面回采端頭支架推移時升降使頂板破碎后，端頭支架接頂困難，只能采取端頭支架頂梁上部墊方木接頂，接頂面積有限，形成惡性循環(huán)，另回采過程中工作面下出口頂板垮落的矸石在端頭支架推移過程中容易掉入端頭支架內，造成3#端頭支架與2#端頭支架間隙大于200mm，需采用戴帽點柱進行支護，造成推移缸行程縮短，增加了下端頭液壓支架升降次數，對已經出現(xiàn)離層的下出口頂板造成更大的破壞。下端頭液壓支架推移時間的增長，直接影響工作面推進速度，工作面推進速度減慢，造成工作面煤壁側壓力增大煤壁出現(xiàn)片幫，急傾斜綜采工作面片幫產生飛矸，若工作面遇裂隙、斷層等地質構造，工作面推移速度緩慢，工作面片幫極易發(fā)生頂板冒落事故，對工作面安全生產造成較大威脅和影響。

原錨棚支架支護體系存在的問題：結合綠水洞煤礦回采巷道特性，研究出適用于大傾角煤層巷道采用錨桿支護和金屬支架聯(lián)合支護的錨棚支架，由錨桿、支架頂梁和支架腿組成。錨棚支架頂梁梁頭處采用兩根錨桿進行固定，當煤層傾角增大、巷道頂板壓力增大或受采動壓力影響，造成頂梁梁頭處錨桿被剪斷或梁頭與頂板不呈面接觸導致受力不均變形，對巷道內作業(yè)和通行人員構成安全威脅；支架頂梁尾部置于支架腿上，沒有采取防滑手段，支架腿下部采用一根漲殼式錨桿進行鎖腳處理，由于相鄰兩支架未采用拉桿連接，支架易出現(xiàn)移動、變形、傾倒造成失穩(wěn)，引起局部冒頂和頂板冒落。

2 技術方案選定

在原錨棚支護基礎上進行改進和優(yōu)化，形成錨鋼復合支架，主要由固梁錨桿、穩(wěn)樁、頂梁連接板、支架頂梁、限位梁端、頂梁尾托板、拉桿、鐵托板、支架腿、鎖腳錨桿組成。固梁錨桿作用為通過頂梁連接板將支架頂梁上端與頂板固定在一起，起固定支架頂梁梁頭的作用，穩(wěn)樁加強固定頂梁連接板，增強固梁錨桿的抗剪切能力，鎖腳錨桿的作用是固定支架腿和支護煤層底板。支架頂梁尾部置于支架腿上，通過限位梁端有效防止支架頂梁滑動，限位梁端長度要求不小于100mm，支架頂梁的頂梁尾托板與拉桿、支架腿的鐵托板通過螺栓進行連接固定，拉桿的另一端連接相鄰支架，起防倒、傳遞支架間壓力和保持支架穩(wěn)定性的作用，使支架由單體受力變?yōu)檎w支架受力，有效抵抗局部來壓、斜向來壓和爆破沖擊波的沖擊等。錨鋼復合支架的支架腿起穩(wěn)定和支護高幫側防煤矸垮落和側鼓，緩沖圍巖變形的作用。錨鋼復合支架的支架頂梁起到穩(wěn)定和支護頂梁上方防煤矸垮落冒頂的作用，支架頂梁上仰角度為0至20°。支架頂梁背頂采用混凝土背板，確保每架支架之間不漏竄煤矸。頂梁連接板的傾斜角度隨煤層傾角α的變化而變化，以確保與頂板呈面接觸。該支護形式在巷道寬度確定后，若煤層傾角變化較大，錨鋼復合支架頂梁則根據煤層傾角變化而變化（增長或縮短），在施工過程中需隨時觀察、測量和掌握煤層傾角的變化情況，來確定錨鋼復合支架頂梁的長短。該方案可解決煤層頂板懸吊面積大的問題，巷道揭露出的頂板采用樹脂錨桿加錨索加錨網進行支護，錨棚支架梁子上方三角煤減小不易發(fā)生垮落，頂板的完整使端頭支架推移自如，超前容易支護，不再影響工作面的推進度，解決了工作面煤壁因壓力大發(fā)生片幫飛矸和遇地質構造后冒頂的安全威脅，且在回采過程中可隨時直觀的掌握工作面前方揭露的地質構造情況，可根據揭露的地質構造情況對工作面及上下出口采取有針對性的加強支護方案，對回采期間安全生產有較大好處，減輕了職工的勞動強度。優(yōu)點：有效保護頂板和三角煤，采用主動支護和被動支護相結合，支護工作強度相對較小，維護工作量小，頂梁和腿子不易產生變形，利于后期回采頂板支護，基本可回收復用。缺點：不能適應地質構造變化地段巷道支護。

3 錨鋼復合支架支護與臨時支護

當煤層傾角大于35°時，采用錨鋼復合支架進行支護，梁子長度根據現(xiàn)場煤層傾角確定，腿子長2.8m，棚距一般為0.8m，頂部、高幫采用砼背板花背，笆片密鋪，并用煤矸充填嚴實。錨鋼復合支架腿子腳窩深度不得小于0.3m，在錨鋼復合支架腿子距底板500mm處采用φ=16mm、L=1.8m的漲殼式錨桿施工一組鎖腳錨桿進行固定防倒，錨鋼復合支架梁子梁頭采用一根L=700mm、φ=36mm的穩(wěn)樁和2根φ=18mm、L=2.0m的樹脂錨桿固定在頂板上，矮幫側頂板采用φ=18mm、L=2.0m的樹脂錨桿配金屬網支護，錨桿間排距1.0m，并布置單排錨索加強支護，錨索間距4.0m，遇斷層時則在斷層上、下盤各增加布置一根錨索（間距視現(xiàn)場情況而定）。錨索選用L=5.0m，φ=15.24mm的低松弛鋼絞線，每根錨索內安設4條樹脂錨固劑，其型號為ZK2350。矮幫采用φ=16mm、L=1.8m的漲殼式錨桿配金屬網支護，錨桿排距為1.0m，間距為0.8m，金屬網與煤壁間笆片密鋪。

巷道施工過程中，巷道頂部支架支護部分采用前探梁作為臨時支護，前探梁由2根L≥5m的4寸鋼管（φ=101.6mm）加前探梁抓子配2～3塊木板（規(guī)格：長×寬×厚=2000×250×50，單位：mm）組成，前探梁抓子由礦統(tǒng)一設計并加工。先將每根探梁使用2個前探梁抓子固定在支架梁子上，將探梁由外向里推移至工作面后，在探梁上鋪設木板，木板要密鋪，然后作業(yè)人員必須站在前探梁木板下把金屬支架梁子放到前探梁上，接著將支架腿子架設好，調好支架間距，然后用支架梁頭錨桿將支架梁頭固定，再在支架梁子上鋪設背板、笆片，鋪設到前探梁木板位置時，取下該木板進行鋪設，頂部鋪設完后方可鋪設巷道高幫。巷道頂部錨網支護部分采用玻璃鋼單體液壓支柱配踩子板進行臨時支護，踩子板靠頂板沿煤層傾向鋪設，點柱間距1.5m，排距1.2m，且用木楔子楔緊，保證點柱迎山有力。正端面采用一排玻璃鋼單體液壓支柱作臨時護幫支護，正端面點柱上方加踩子板接頂，踩子板靠煤壁沿傾向鋪設，點柱間距1.5m，且用木楔子楔緊，保證點柱迎山有力。高幫支護部分采用前探梁作為臨時支護，前探梁由2根L≥5m的4寸鋼管（φ=101.6mm）加前探梁抓子配塊木板（規(guī)格：長×寬×厚=2000×250×50，單位：mm）組成，木板直立鋪設，前探梁抓子由礦統(tǒng)一設計并加工。先將每根探梁使用2個前探梁抓子固定在支架腿子上，將探梁由外向里推移至工作面后，直立鋪設木板，木板要密鋪，待支架高幫腿子立好后才取下直立木板進行背幫。

4 急傾斜回采巷道壓力監(jiān)測

為了檢測支護效果，對試驗段巷道進行變形實測，在距離工作面200m處布置5個觀測站，測站間距30m。巷道斷面內布置4個測點，分別檢測巷道兩幫與頂底板的變形情況，取各測點數據平均值進行處理，根據巷道圍巖變形量判斷錨鋼復合支架支護對巷道的控制作用。巷道優(yōu)化支護之后，對試驗段進行為期1個月的監(jiān)測，主要采用人工收集數據監(jiān)測巷道圍巖的位移變形量。巷道頂底板移近量在前16d內增長較快，第16d之后，巷道變形趨于穩(wěn)定，移近量為65mm，在第6～14d變形速度最快；兩幫移近量在前16d內增長速度基本保持不變，16d以后變形趨于穩(wěn)定，移近量48mm后增長的幅度較小。急傾斜煤層回采巷道上幫變形是兩幫移近的主要因素，上幫變形在第14d之后趨于穩(wěn)定。巷道圍巖變形量隨時間變化情況見圖1、圖2。

5 結束語

（1）研究分析金屬支架架料支護和錨棚支架支護體系與現(xiàn)場存在的不適之處，優(yōu)化改進提出采用錨鋼復合支架支護體系，衍生形成專利成果“一種用于急傾斜煤層回采巷道錨鋼復合支架”。

（2）采用工程類比法與現(xiàn)場調查分析法相結合，開展急傾斜突出煤層回采巷道壓力監(jiān)測分析，得出急傾斜煤層回采巷道上幫變形是兩幫移近的主要因素，也是高幫片幫的薄弱環(huán)節(jié)，關鍵是要確保對巷道高幫的支護強度。

（3）研究提出的錨鋼復合支架支護結合被動支護與主動支護兩種方式，支架相互連接形成整體支護系統(tǒng)，具有防倒防滑功能，抗剪切能力得到增強。

作者簡介：周忠國（1985-），男，四川資中人，大學本科，管理學學士，采礦助理工程師，綠水洞煤礦科技中心副主任，從事礦井生產和科技管理工作。