大采高復合頂板采面回撤通道支護技術

李智，張九零

(1.華北理工大學 礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術實驗室，河北 唐山 063009)

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大采高復合頂板采面回撤通道支護技術

李智1,2，張九零1,2

(1.華北理工大學 礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術實驗室，河北 唐山 063009)

大采高；復合型頂板；綜采工作面；收尾工藝；聯(lián)合支護

4104綜采工作面直接頂中有2層煤線，且煤體疏松、極易冒落，屬于復合型頂板巖性。對于這種大采高復合頂板綜采工作面，若采用傳統(tǒng)的打大板單體柱支護收尾方式，支護強度遠遠不夠。為解決在該條件下的收尾問題，通過工程實踐的方法，采用錨桿支護配合錨索補強支護形式取代傳統(tǒng)的大板單體柱收尾工藝，安全高效地完成了收尾工作，為其他條件相似礦區(qū)錨網(wǎng)索聯(lián)合支護積累了寶貴經(jīng)驗，同時也提供了可參考的工程類比依據(jù)。

0引言

隨著我國采煤工藝的發(fā)展以及大功率高效綜合機械化采煤設備的引進，綜采工作面單產(chǎn)和礦井生產(chǎn)集中化程度也在大幅度提高，一度被廣泛應用的U型鋼棚支護在很多條件下并不能滿足巷道安全支護的需要。通過一系列科研實踐和煤巷錨網(wǎng)索支護技術試驗，錨網(wǎng)索支護理論及設計方法的雛形已基本確定，錨網(wǎng)索支護已逐漸成為煤層巷道的主要支護方式，且在國內外廣泛投入應用[1]。

錨網(wǎng)索支護技術與U型鋼支架等其他支護技術相比較，其優(yōu)越性主要表現(xiàn)為：錨網(wǎng)索支護是主動支護，能及時加固圍巖，且能夠利用圍巖自身強度減少圍巖變形，從而改善了煤層巷道支護條件，提高了巷道支護的可靠性；一定程度上減少了U型鋼支架支設和回撤的工作量，減輕了輔助運輸?shù)膲毫吐毠さ膭趧訌姸?，降低了支護成本；更重要的是錨網(wǎng)索支護簡化了綜合機械化采煤工作面端頭支護形式，改善了作業(yè)環(huán)境，保證了工作面出口暢通，為工作面快速推進提供了有利條件[2-4]。

針對錨網(wǎng)索支護技術問題，確定將云飛公司串草圪旦煤礦4104工作面作為研究地點，通過對現(xiàn)場實際情況的分析和周邊煤礦同類條件的礦井進行調研，采用錨桿支護配合錨索補強支護形式取代傳統(tǒng)的收尾工藝，有利于對淺埋深煤層大架型工作面復合頂板的控制，且在工作面回撤過程中沒有出現(xiàn)支架被壓死的現(xiàn)象，給支架拆除提供了寬敞的空間，達到控制圍巖變形的目的。研究結果對于煤礦企業(yè)巷道支護工程，特別是對云飛公司串草圪旦煤礦大采高復合綜采工作面末采及收尾支護工作具有重要意義。

1工程概況

云飛公司串草圪旦煤礦位于準格爾煤田榆樹灣普查區(qū)東部，內蒙古自治區(qū)東勝市準格爾旗薛家灣鎮(zhèn)東南43 km處，屬安全質量標準化一級礦井。井田為一不規(guī)則多邊形，南北最長約4.07 km，東西最寬約3.02 km，井田面積為7.158 4 km2，開采標高1 035～876 m。云飛公司串草圪旦煤礦4104工作面所在區(qū)域位于雙棗溝向斜南翼，煤層寬緩，褶曲、小構造發(fā)育。4104綜采工作面設計走向1 800 m，傾斜長為260 m，直接頂中有2層煤線，平均距離0.8 m。煤層結構復雜，含1～4層夾矸，夾矸沉積不穩(wěn)定，巖性變化較大。煤層厚度2.5～4.4 m，平均為3.5 m，埋藏深度為末采停采位置約為120～130 m，煤層抗壓強度為3.7 MPa。煤層老頂為土黃色含礫粗砂巖，厚度為10.4 m，直接頂為沙質泥巖，厚度為2.5 m，直接底為深灰色粉砂巖，厚度為2.5 m，老底為灰白色含礫粗砂巖，厚度為4.0 m。煤層走向0～180°，傾角1～10°，平均5°。煤層總體發(fā)育呈東北高，西南低。煤層傾角由南向北逐漸增大。因生產(chǎn)規(guī)模較大，要求輔運及主運巷道斷面寬度在5.0 m以上，高度為3.5 m以上，回撤通道寬度高達8.0 m，巷道施工及使用過程中的安全性是第一要務，同期需要確保通風及運料斷面的空間需求。根據(jù)大巷掘進及工作面揭露的地質資料分析，該區(qū)域地質構造較復雜，隱伏構造發(fā)育，受雙棗溝向斜的影響，褶曲發(fā)育，煤層產(chǎn)狀變化大，褶曲附近煤質松軟，頂板裂隙發(fā)育、破碎、易抽煙。已揭露的斷層有4條，其產(chǎn)狀見表1。

表1　4104工作面斷層產(chǎn)狀表

隨著礦井生產(chǎn)作業(yè)的進行，礦井的開采條件也越來越復雜，特別是當生產(chǎn)工作進行到4104綜采工作面的時候，復合頂板壓力大，頂板下“軟”上“硬”，且煤體疏松，頂?shù)装迩闆r見表2，巖層物理力學特性見表3，這種開采條件極易出現(xiàn)煤體冒落問題，給工作面生產(chǎn)帶來很大困難，尤其在末采末放及收尾時，難度更大?；诖耍瑢?104綜采工作面的收尾工藝進行了研究。圖1為4104綜采工作面采掘工程平面示意圖。

表2　煤層頂?shù)装迩闆r表

表3　巖層物理力學特性表

圖1　4104工作面采掘工程平面示意圖

2末采收尾工藝

工作面采用開式支護方式，上下出口使用端頭液壓支架；輔運及主運巷超前支護均采用液壓支架超前支護(邁步推移)。工作面安裝ZY11000/22/45型基本支架142架， ZYG1100022/45過度支架2架，ZYT11000/22/45D型端頭支架6架，共計150架，該支架運輸外形尺寸為7 270 mm×1 650 mm×2 200 mm，這是云飛公司首次回撤大采高綜采設備的工作面。經(jīng)研究，采用了錨桿支護配合錨索補強支護收尾工藝。

首先采用鋪網(wǎng)(上繩)的傳統(tǒng)工藝，支架定位后繼續(xù)推采回撤通道，回撤通道寬度為5.0 m，為避免回撤通道離層冒落，采用錨網(wǎng)索支護，配合液壓支架上挑工字鋼梁打貼幫柱加強支護。這種聯(lián)合支護形式有利于淺埋深煤層大架型工作面復合頂板的控制[5]，在工作面回撤過程中沒有出現(xiàn)支架被壓死的現(xiàn)象，給支架拆除提供了寬敞的空間。具體工藝如下：

(1)鋪網(wǎng)：當工作面推進到距停采線位置16 m (剩20刀)開始鋪網(wǎng)，第1～15刀均為雙層網(wǎng)，工作面距停采線15 m時開始鋪規(guī)格長×寬為3 000 mm×1 900 mm的金屬網(wǎng)，聯(lián)網(wǎng)橫向為半網(wǎng)搭接，縱向為魚鱗對接。聯(lián)網(wǎng)用12號雙股鉛絲雙扣，扣距為150 mm。使用錨網(wǎng)+鋼梯支護時改為鋪設單層網(wǎng)。

(2)鋪掛鋼絲繩： 當工作面推進到距停采線位置14 m (剩18刀)開始在支架前梁下1.0 m位置金屬網(wǎng)上掛繩，以后每0.6 m鋪一道鋼絲繩，一直鋪到支架前梁前端，預計15條。當工作面推進到距停采線位置4.3 m(剩5刀)，即當?shù)?條繩到達支架掩護梁尾端時，把支架推移連接頭與前運輸機解體，之后每刀只移溜割煤，不移架。

(3)挑工字鋼：距停采線8 m(剩10刀)時，在頭3組和末3組支架上順傾向挑1對工字鋼梁，鋼梁長度4.5 m，以后3刀每進1刀挑1對，共挑4對工字鋼梁。

(4)打錨桿錨索：當工作面推進到距停采線位置3.5 m(剩4刀)即停架后割第1刀時伸出前探梁護頂，然后打兩排錨桿；當工作面推進到距停采線位置2.7 m(剩3刀)即停架后割第2刀時，打第3排錨桿和第1排錨索；當工作面推進到距停采線位置1.9 m(剩2刀)即停架后割第3刀時，打第4排錨桿；當工作面推進到距停采線位置0.8 m(剩1刀)即停架后割第4刀時，打第5排錨桿和打第2排錨索；機組割最后1刀時，隨割煤隨打第6排錨桿。最后在綜采支架前梁上挑4.5 m長工字鋼支護頂板，一端搭在支架前梁上不小于200 mm，另一端靠煤壁側在工字鋼下打貼幫柱。巷道支護采用矩形斷面錨網(wǎng)、索支護，工作面支護采用錨桿、錨索支護，其中錨桿為2.2 m，錨索長度為6.5 m。錨桿錨索安裝時錨固劑的攪拌要求一氣呵成，不得間斷反復攪拌，攪拌時間為20～30 s；錨桿尾部外露長度不大于100 mm，錨索尾部外露長度為200～300 mm。頂錨桿使用配套的直徑×厚度為120 mm×8 mm預應力托盤；錨索托盤為不小于300 mm×300 mm×10 mm金屬托盤。具體支護方案如圖2所示。

(5)工作面停采時將采煤機停放在上出口下20～40 m，然后工作面運輸機拉回不小于1 m，以便于拆除。為了保證回撤的空間，末采時采高控制在3.3～3.5 m。4104工作面末采支護布置情況如圖3所示。

(6)工作面上端頭做一個曲率半徑為2.5 m抹角，成一個圓滑弧形狀，采用錨(索)網(wǎng)支護，并使用長度不小于4.5 m工字鋼梁呈扇形支護，靠采面內弧間距不大于0.35 m外弧不大于0.7 m。工字鋼梁兩端各2根單體液壓支柱(外端在支架上除外)。

3工藝效果分析

(1)采用錨桿支護與錨索補強支護配合液壓支架上挑工字鋼梁打貼幫柱聯(lián)合支護工藝，取代U型鋼支架支護和傳統(tǒng)的大板單體柱收尾工藝，這種聯(lián)合支護形式增大了錨固強度，將錨索與錨桿的加固作用與懸吊作用巧妙結合，且通過施加較大的預緊力，使頂板形成組合拱梁，幫部形成組合拱墻，很大程度上提高了支護體系整體的承載力，有效提高了對淺埋深煤層大架型工作面復合頂板的控制[6-8]。

圖2　4104綜采工作面支護示意圖

圖3　4104工作面末采支護布置示意圖

(2)采用2.2 m和6.3 m的錨桿和錨索，錨桿間排距0.9 m×0.9 m，錨索間排距1.8 m ×2.7 m的4104綜采工作面的末采支護方案，有效降低了工作面回撤通道的側幫移近量，減少了工作面頂板的下沉量，達到了控制圍巖變形的目的，保證了巷道的安全使用，在工作面回撤過程中沒有出現(xiàn)支架被壓死的現(xiàn)象，給支架拆除提供了寬敞的空間。

(3)錨網(wǎng)索支護形式無論在運輸還是回撤過程中都比較省力，很大程度上降低了勞動強度，提高了工作效率，保證了工作面的高效作業(yè)，獲得了顯著的經(jīng)濟效益。在淺埋深煤層復合頂板大架型工作面拆除支架作業(yè)中，這種聯(lián)合支護形式成功控制了頂板，沒有出現(xiàn)安全事故。由于工作面收尾條件好，整體拆運效率高，大大降低了工作面收尾費用，節(jié)省了工作面拆運資金120萬元。回撤通道采用錨網(wǎng)索配合工字鋼梁支護替代了以往的大板支護，加強了支護強度，節(jié)省了坑木消耗，節(jié)省費用達7.29萬元。

4結論

(1)錨網(wǎng)索配合工字鋼梁聯(lián)合支護方案能夠顯著降低因為煤層開采而引起的圍巖變形，達到控制煤層頂板巖層穩(wěn)定和巷道圍巖穩(wěn)定的效果，提高了支護體系的整體支護強度，保障綜采工作面末采期間作業(yè)的人員和設備的安全。

(2)4104大采高復合頂板綜采工作面末采收尾工作，是云飛公司串草圪旦煤礦首次采用聯(lián)合支護方案進行作業(yè)，取得了令人滿意的支護效果，為其他礦區(qū)錨網(wǎng)索聯(lián)合支護積累了寶貴的實踐經(jīng)驗和可供參考的工程類比依據(jù)。

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Support Technology of Fully Mechanized Working Face with Large Cutting Height and Compound Roof

LI Zhi1,2，ZHANG Jiu-ling1,2

(1.College of Mining Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063009,China;2.Mining Development and Safety Technology Key Lab of Hebei Province,Tangshan Hebei 063009,China)

large cutting height;compound roof;fully mechanized face;the technology of ending;combination support

There are two coal layers in the immediate roof of 4104 fully mechanized face with loose and easily caving coal, which belong to the lithology of composite roof.For the fully mechanized working face with large cutting height and compound roof, the support strength is far from being enough if taking the traditional technology of ending with setting big board and monomer pillar. To solve the problem under such conditions, through the engineering practice, it turns out that the method of using bolt support with anchor cable reinforcement support form to replace the traditional technology of ending finished the ending work safely and efficiently, and accumulated valuable experience for other mining area with similar conditions of anchor wire rope combined support , and provides the reference basis of engineering analogy.

2095-2716(2015)04-0007-05

TD832

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