深部綜放工作面沿空巷道超前支護(hù)方式優(yōu)化

陳 虎 劉學(xué)勇 張培亭

（兗煤菏澤能化有限公司趙樓煤礦，山東 鄆城 274705）

趙樓煤礦位于巨野煤田中部的鄆城、巨野兩縣境內(nèi)，主要可采煤層為3（3下）煤層，埋深700～1200m，煤厚平均6.19m。為提高資源回收，趙樓煤礦大部分回采工作面運(yùn)輸順槽為實(shí)體煤巷道，軌道順槽采取沿空掘巷，巷道保護(hù)煤柱4.5m。受大埋深、高地壓的特殊地質(zhì)條件影響，以往工作面回采過程中，沿空巷道在支承壓力作用下，巷道圍巖變形大，需采取邊回采邊擴(kuò)幫臥底方式滿足安全生產(chǎn)需要。經(jīng)多次優(yōu)化實(shí)踐，采取掘進(jìn)一次原始支護(hù)，回采前二次加強(qiáng)主動(dòng)支護(hù)，配合超前支護(hù)方式，回采工作面沿空順槽在不進(jìn)行超前巷修的前提下，滿足安全生產(chǎn)需要。以5303綜放工作面為例對支護(hù)方式優(yōu)化形式、效果進(jìn)行分析。

1 工作面概況

5303綜放工作面是五采區(qū)第三個(gè)區(qū)段的3煤層工作面，東鄰已回采的5302工作面，北鄰南部三條大巷及南部2#回風(fēng)大巷，南鄰五采區(qū)與七采區(qū)邊界，西至FZ14逆斷層上盤邊界。工作面平均走向長1540.6m，面長250m，平均煤層厚度6.2m，平均煤層傾角10°。工作面選用綜采放頂煤走向長壁采煤法。軌道順槽為沿5302工作面采空區(qū)掘巷的梯形斷面，巷道上側(cè)寬4.8m，下側(cè)寬5.2m，高3.8m，作為進(jìn)風(fēng)輔助運(yùn)輸巷。運(yùn)輸順槽為矩形斷面，實(shí)體煤巷道，凈斷面寬5.0m，高4.1m，作為回風(fēng)煤流運(yùn)輸巷。

2 原始一次支護(hù)情況

5303軌道順槽與采空區(qū)的隔離煤柱寬度為4.5m，采用梯形斷面上凈寬×下凈寬=4800×5200mm，凈高3800mm，采用錨網(wǎng)+錨索鋼帶復(fù)合式支護(hù)。巷道頂板錨桿采用6根Φ22×2400mmm高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿配合4800mm T型鋼帶；頂板施工橫向18#B槽鋼錨索梁，每根錨索梁施工3根錨索，槽鋼錨索梁長3400mm，排距1600mm，錨索規(guī)格為Φ22×6200mm。兩幫采用5根Ф20×3000mm左旋全螺紋錨桿配合兩根1900mm長幫部鋼帶支護(hù)；兩幫部施工橫向18#B槽鋼錨索梁，每根錨索梁施工3根錨索，槽鋼錨索梁長3000mm，排距1600mm。

趙樓煤礦之前5302工作面沿空巷道頂板錨索采用“2-1-2五花型”布置方式，5303工作面沿空巷道原始支護(hù)中，分別在頂板巷中和沿空側(cè)布置兩排縱向T型鋼帶(長3500mm)錨索梁、兩排縱向鋼帶形成交錯(cuò)邁步式布置，鋼帶要求首尾搭接；兩幫部在距頂板1000mm高度位置各布置一排縱向Φ16mm鋼筋梯錨索梁，鋼筋梯長2000mm，1梯2索，強(qiáng)化錨索支護(hù)。同時(shí)采用18#B槽鋼作為錨索鋼帶，增強(qiáng)錨索支護(hù)整體性和對巷道圍巖表面位移約束，減少在掘進(jìn)后巷道淺部圍巖變形。

3 二次主動(dòng)加強(qiáng)支護(hù)

5303工作面超前工作面位置200m以外，在軌道順槽巷道頂板18#B槽鋼錨索梁之間施工錨索29U型鋼梁，如圖1，加強(qiáng)巷道頂板支護(hù)。采取頂板先鋪設(shè)雙層經(jīng)緯網(wǎng)，29U鋼梁長度3800mm，排距1600±100mm，錨索預(yù)緊力不小于150kN，托盤采用140mm長29U鋼梁制作。

圖1 29U鋼加強(qiáng)支護(hù)方式圖

通過該支護(hù)形式，在受采動(dòng)影響范圍以內(nèi)，補(bǔ)強(qiáng)了由于受掘進(jìn)后巷道圍巖變形大導(dǎo)致的個(gè)別支護(hù)失效，增強(qiáng)了巷道頂板的完整性，并在后期超前支護(hù)中，作為支護(hù)鋼棚梁使用。同時(shí)，U型鋼在受圍巖變形作用后，U型口擴(kuò)大，保證錨索恒阻效果，減少順槽支架頂梁對巷道頂板局部剪切破壞。

4 超前支護(hù)

4.1 支護(hù)方式

工作面回采時(shí)的沿空巷道超前支護(hù)距離不少于120m。自煤壁向外依次采用錨索鋼梁棚（29U型鋼棚）、ZT115200/23.5/42型順槽支架、單體液壓支柱支護(hù)頂板，如圖2。煤壁向外至順槽支架后，采用錨索鋼梁（U型鋼棚）配合一梁三柱支護(hù)頂板，排距0.8±0.1m。

順槽支架距離工作面煤壁動(dòng)態(tài)保持5～20m，根據(jù)軌道順槽圍巖變形量及順槽支架立柱行程情況超前拉移順槽支架。順槽支架以外施工一路單體液壓支柱點(diǎn)柱，單體液壓支柱支設(shè)在錨索U型鋼下，單體液壓支柱間距1.6±0.1m。

圖2 超前支護(hù)設(shè)計(jì)圖

4.2 支護(hù)強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)巷道圍巖力學(xué)條件，巷道支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算采用自然平衡拱法的理論模型，該理論認(rèn)為，巷道開掘以后，圍巖喪失了層間聯(lián)系，向巷道內(nèi)移動(dòng)，形成自然平衡拱，支護(hù)的作用就在于控制破壞巖層的變形和垮落。自然平衡拱的大小和形狀與巷道斷面形狀、尺寸、埋深、采動(dòng)影響程度、煤層強(qiáng)度等有關(guān)。

（1）順槽兩幫的破壞范圍C為：

式中：

Kc-采動(dòng)應(yīng)力影響系數(shù)，未受采動(dòng)時(shí)取Kc=1，受采動(dòng)時(shí)取Kc=2～4.0，這里考慮圍巖巖性、地質(zhì)構(gòu)造變化及采深較深等因素，按最大取值4.0；

γ-巖層平均容重，取25kN/m3；

H-埋深，取868.1m；

Bc-巷道周邊擠壓應(yīng)力系數(shù)，取決于巷道寬高比及形狀，可取2；

σm-煤（巖）體單向抗壓強(qiáng)度，因煤層堅(jiān)固性系數(shù)為2～3，則煤層單向抗壓強(qiáng)度取21.2MPa；

h-巷道高度，3.8m；

φ-圍巖內(nèi)摩擦角，根據(jù)圍巖性質(zhì)，取φ=50°。

將φ=50°，h=3.8m，σm=21.2MPa，H=868.1m，Bc=2，γ=25kN/m3，代入式（1）得到回采巷道兩幫破壞范圍：

采動(dòng)影響時(shí)，即Kc=4，

（2）頂板破壞高度確定

頂板的破壞高度b可由式（2）確定：

式中：

fm-頂板巖石的普氏系數(shù)，直接頂板以砂巖為主，堅(jiān)固性系數(shù)在6～8，即fm=6～8，取fm=6。

B-巷道的寬度，巷道寬5.0m。

把有關(guān)參數(shù)代入，得到順槽頂板的破壞范圍為：

受采動(dòng)影響時(shí)

（3）巷道圍巖載荷

受采動(dòng)影響時(shí)

頂板載荷高度內(nèi)的巖石自重力：

式中：

α-煤層傾角。

考慮擴(kuò)容、離層后的載荷為：

式中：

kt-巷道維護(hù)時(shí)間影響系數(shù)，服務(wù)年限約為2年，kt=0.9；

kc-頂板巖層穩(wěn)定影響系數(shù)，取0.6；

σc-頂板巖層單軸抗壓強(qiáng)度，取60MPa；

σH-垂直自重應(yīng)力。

σH=γH=25×868.1=21.7MPa；

D-頂板層理及節(jié)理裂隙間距，取0.3m。

軌道順槽載荷為96.53kN/m2。軌道順槽自煤壁向外至順槽支架后采用一梁三柱支護(hù)強(qiáng)度為157.5kN/m2；ZT115200/23.5/42型順槽支架支護(hù)，支護(hù)強(qiáng)度為379.95kN/m2，都大于96.53kN/m2。60m之外屬于原巖應(yīng)力帶，在原始支護(hù)的基礎(chǔ)上增加一排點(diǎn)柱，滿足支護(hù)強(qiáng)度要求。

5 支護(hù)效果

通過與相鄰5302工作面沿空巷道圍巖變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，5302工作面軌順順槽巷道圍巖變形較大。其中超前支承應(yīng)力影響范圍內(nèi)，在距離煤壁30～50m距離時(shí)，巷道圍巖變形速度較快，在距離煤壁30m左右位置，巷道頂板下沉量平均595mm，底鼓量平均在490mm，非采煤幫變形量平均565mm，采煤幫變形量平均515mm。

5303工作面軌道順槽，在加強(qiáng)巷道支護(hù)強(qiáng)度后，巷道圍巖變形量明顯較小。其中超前支承應(yīng)力影響范圍內(nèi)，在距離煤壁10～20m距離時(shí)，巷道圍巖變形速度較快，在距離煤壁10m左右位置，巷道頂板下沉量平均340mm，底鼓量平均370mm，非采幫變形量平均520mm，采幫變形量平均490mm。如圖3～圖6所示。

圖3 巷道頂板下沉量

圖4 巷道底鼓量

圖5 巷道非采幫變形量

圖6 巷道采幫變形量

6 結(jié)論

（1）通過與之前沿空巷道兩次支護(hù)相對比，采取梯次三次支護(hù)方式，巷道圍巖變形明顯減小，避免在回采之前和回采過程中的巷道進(jìn)行擴(kuò)幫、臥底施工作業(yè)，滿足安全高效生產(chǎn)的需求。

（2）采取加強(qiáng)原始主動(dòng)支護(hù)，巷道變形減小，順槽支架盡可能靠近在端頭使用，減少單體液壓支柱支護(hù)，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，符合機(jī)械化減人的要求。

（3）施工29U鋼錨索鋼梁，提高順槽支架支護(hù)效果，減小順槽支架反復(fù)支撐對巷道頂板破壞，作為單體液壓支柱頂梁使用，減少了金屬十字頂梁或工字鋼等支護(hù)材料的使用。

（4）通過經(jīng)濟(jì)效益分析，相對5302工作面沿空巷道支護(hù)成本，節(jié)省直接成本452元/m。