紅慶河煤礦深部大采高動壓巷道超前支護(hù)*

鄭立永，王國龍，常云博

(北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100013)

0 引言

紅慶河煤礦位于國家大型煤炭基地—神東煤炭基地內(nèi)的東勝煤田新街礦區(qū)，設(shè)計產(chǎn)能1 500萬t/a，采用立井開拓方式。井田內(nèi)煤層埋藏較深，可采煤層較厚，同時直接頂厚而較硬，工作面在回采過程中，礦壓顯現(xiàn)劇烈，特別是相鄰接續(xù)工作面，受到二次動壓影響，頂板下沉、底板鼓起、煤壁片幫、錨桿錨索崩斷等動壓顯現(xiàn)情況頻繁發(fā)生，甚至出現(xiàn)冒漏頂現(xiàn)象，巷道維護(hù)困難，嚴(yán)重影響生產(chǎn)接續(xù)及礦井安全，成為紅慶河煤礦安全高效開采的重要制約因素，亟需確定相適應(yīng)的采場礦壓管理手段以及動壓影響下巷道超前支護(hù)技術(shù)，為現(xiàn)場提供有力的管理和技術(shù)指導(dǎo)。目前已有的研究多集中在對于深井厚煤層頂板結(jié)構(gòu)的研究上[1-5]，并取得了一定的研究成果，而對于深部礦井厚煤層工作面開采過程中動壓影響下超前支護(hù)方式的選擇的相關(guān)研究較少[6-8]，同時神府東勝煤田埋深超過600 m的礦井多處于新開發(fā)階段，該類型礦井地壓、巷道變形以及巷道支護(hù)尚無借鑒經(jīng)驗，有待進(jìn)一步研究。

針對紅慶河煤礦存在相鄰工作面采動影響下(即二次動壓影響下)，現(xiàn)有超前支護(hù)易發(fā)生底鼓和片幫，工作面受二次動壓影響的巷道維護(hù)困難，人員安全受到威脅的問題。為此，以紅慶河煤礦3-1103工作面輔運順槽超前支護(hù)區(qū)域為研究對象，結(jié)合實際生產(chǎn)技術(shù)條件和地質(zhì)條件，分析3-1103工作面輔運順槽超前支護(hù)區(qū)域圍巖變形影響因素及圍巖破壞特征，同時對比優(yōu)化前后超前支護(hù)區(qū)域巷道破壞情況以及支護(hù)參數(shù)，確定適用于紅慶河煤礦動壓巷道超前支護(hù)的有效方式，進(jìn)而為其他類似條件下的深井大采高千萬噸級的礦井回采工作面的動壓巷道超前支護(hù)提供相關(guān)的借鑒作用，同時也為東勝煤田范圍內(nèi)的類似煤層開采提供重要的參考依據(jù)。

1 工作面概況

紅慶河煤礦首采3-1煤層，該煤層在井田范圍內(nèi)呈全區(qū)發(fā)育，煤層結(jié)構(gòu)簡單，平均賦存深度為718.60 m，平均厚度6.23 m，采用長壁后退式一次采全高采煤方法。3-1103工作面為3-1煤層一采區(qū)第二個工作面，工作面的傾向長度為245.75 m，走向長度為3 544 m，采高6.23 m，3-1103工作面輔運順槽南翼為已回采結(jié)束的3-1101工作面。3-1103工作面頂?shù)装鍘r層結(jié)構(gòu)簡單，以砂巖及泥巖為主。頂?shù)装鍑鷰r巖性及厚度分布具體見表1。

2 原支護(hù)方式存在的問題

2.1 原支護(hù)方式

3-1103工作面輔運輸順槽沿煤層底板掘進(jìn)，巷道凈寬5 800 mm，凈高3 900 mm。輔運順槽采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。兩幫支護(hù)方式為：左旋螺紋鋼錨桿+菱形金屬網(wǎng)，錨桿間排距為850 mm×1 000 mm，每幫5根。頂板支護(hù)方式為：焊接鋼筋網(wǎng)+左旋螺紋鋼錨桿+錨索。錨桿間排距850 mm×1 000 mm，每排7根錨桿，錨索間排距2 000 mm×1 700 mm，每排2根錨桿，該巷道設(shè)計長度3 790 m。

表1 3-1103工作面頂?shù)装鍑鷰r特征分布表

2.2 存在的問題

焊點失效導(dǎo)致漏頂事故：原巷道支護(hù)方式中采用焊接金屬網(wǎng)作為頂板支護(hù)的材料，在巷道未受采動影響的條件下，可以滿足現(xiàn)場支護(hù)的需要[9-11]。但在采動影響下，部分焊點失效時，金屬網(wǎng)整體支護(hù)強(qiáng)度下降，發(fā)生漏頂事故，難以對頂板進(jìn)行有效的支護(hù)，如圖1所示。

圖1 頂板焊接金屬網(wǎng)撕裂現(xiàn)場圖

垛架支護(hù)范圍內(nèi)巷道變形嚴(yán)重：原超前支護(hù)方式為雙排ZT11000/22/44垛式支架支護(hù)，如圖2所示，超前支護(hù)長度為50 m。雙排垛架的支護(hù)方式具有支護(hù)面積大、強(qiáng)度高的特點，能在一定程度上有效的控制頂板的變形[12-15]。但由于3-1103輔運順槽臨近3-1101工作面采空區(qū)，在3-1103工作面的回采過程中受采動影響，巷道超前垛架支護(hù)范圍內(nèi)巷道變形嚴(yán)重，回采前必須清底和刷幫才能進(jìn)行拉移垛架，極大的增強(qiáng)了工人的勞動強(qiáng)度；同時雙排垛架進(jìn)行超前支護(hù)巷道兩幫鼓出后，安全通道不能滿足要求。

圖2 原超前支護(hù)方式

3 巷道支護(hù)以及超前支護(hù)方式的確定

3.1 超前支護(hù)合理長度的確定

監(jiān)測方案及結(jié)果：為確定超前支護(hù)合理長度，3-1101工作面回采期間，在3-1103(備采)工作面輔運順槽布置測站。在3-1103輔運順槽2 800 m和2 300 m設(shè)立兩處測站，監(jiān)測備采工作面順槽頂部、幫部錨桿(索)受力情況，監(jiān)測結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 2 800 m測點頂幫錨桿錨索受力曲線圖

圖4 2 300 m測點頂幫錨桿錨索受力曲線圖

結(jié)果分析：①由圖3可知，工作面?zhèn)儒^桿錨索在超前70 m處，受力開始普遍增大，其中一根側(cè)錨索在超前150 m時開始增大；煤柱側(cè)錨索在超前30 m處開始普遍增大，其中一根側(cè)錨索在超前100 m處受力開始增大；頂板錨桿錨索在超前30 m處，受力開始增大；②由圖4可知，工作面?zhèn)儒^桿錨索在超前70 m處，受力開始普遍增大，錨桿錨索受力呈鋸齒狀波動，由于鎖具脫扣導(dǎo)致；煤柱側(cè)錨錨索在超前70 m處開始普遍增大；巷道頂板錨桿索受力較為穩(wěn)定，其中一根錨索在超前50 m處開始顯著增大。

超前支護(hù)的合理長度：通過2 300 m和2 800 m監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)場實際情況可知，回采過程中超前壓力的影響范圍在70 m以上。50 m超前支護(hù)對動壓影響的超前巷道支護(hù)效果不理想，故超前支護(hù)距離選擇不小于70 m，結(jié)合現(xiàn)場條件最終確定為100 m。

3.2 超前支護(hù)合理方案的確定

針對頂板采用焊接金屬網(wǎng)對巷道頂板進(jìn)行支護(hù)易發(fā)生漏頂事故的問題，提出兩種補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案。

方案一：采用菱形金屬網(wǎng)對超前支護(hù)范圍內(nèi)的頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，菱形金屬網(wǎng)頂網(wǎng)與頂網(wǎng)搭接不少于50 mm，頂網(wǎng)與幫網(wǎng)搭接不少于500 mm。

方案二：采用菱形金屬網(wǎng)對超前支護(hù)范圍內(nèi)的頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，菱形金屬網(wǎng)片間搭接不少于100 mm，頂網(wǎng)必須與幫網(wǎng)搭接不少于500 mm，兩肩窩處各打一根錨桿，補(bǔ)網(wǎng)后頂板再采用三條“W”縱向鋼帶加錨索支護(hù)的形式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

圖5 方案一補(bǔ)強(qiáng)結(jié)果圖

方案一補(bǔ)強(qiáng)結(jié)果：現(xiàn)場采用方案一進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，垛架之間網(wǎng)片間搭接距離不夠，仍發(fā)生漏頂，同時在垛架與煤壁一側(cè)，支護(hù)剛度不夠，導(dǎo)致巷道肩窩處漏頂，如圖5所示。

方案二補(bǔ)強(qiáng)結(jié)果：現(xiàn)場采用方案二進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后(補(bǔ)強(qiáng)效果如圖6所示)，垛架之間以及垛架與煤壁一側(cè)漏頂現(xiàn)象消失。故最終采用方案二對動壓巷道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

圖6 方案二補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)實效圖

3.3 超前支護(hù)方式的優(yōu)化

支護(hù)必要性及方案：采用補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，超前支護(hù)區(qū)域漏頂現(xiàn)象消失，但仍存在垛架被巷道兩幫及頂板擠死，行人困難的情況，需要優(yōu)化現(xiàn)有的支護(hù)方式。單體液壓支柱與垛式支架相比，具有支護(hù)靈活，占用巷道空間少的優(yōu)點，采用單體液壓支柱后，能夠給巷道兩幫預(yù)留一定的變形空間，同時可以消除左右兩垛架之間相互擠壓的現(xiàn)象，故在應(yīng)力最集中的超前20 m范圍內(nèi)，采用雙排單體支柱代替原有的一排垛架，進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)方案如圖7所示。

實踐結(jié)果：現(xiàn)場實踐表明，采用雙排單體支柱加一排垛架進(jìn)行超前支護(hù)，消除了垛架之間的相互擠壓現(xiàn)象，無需清底刷幫后再進(jìn)行垛架前移，同時雙排單體支柱的使用，減少了巷道空間的占用，為行人安全通過機(jī)尾創(chuàng)造了良好的條件。結(jié)合現(xiàn)場實踐，重新確定超前支護(hù)范圍、更改超前支護(hù)方式，有效控制了頂板漏頂，保證了機(jī)尾安全出口的暢通，減少了巷道起底和刷幫清理的工程量，取得了很好的安全效果和經(jīng)濟(jì)效益。同時，對于正在施工的備采工作面動壓巷道，在一次成巷時直接使用雙層菱形金屬網(wǎng)進(jìn)行頂板支護(hù)，以滿足動壓巷道超前支護(hù)的需求。

4 結(jié)論

(1)通過巷道錨桿錨索受力情況的監(jiān)測和現(xiàn)場實際情況，重新確定了紅慶河煤礦二次動壓影響巷道超前支護(hù)的合理范圍不小于70 m，且結(jié)合現(xiàn)場情況確定為100 m。

圖7 雙排單體支柱與單排垛架相組合的支護(hù)方式

(2)采用菱形金屬網(wǎng)加金屬錨桿和縱向鋼帶加錨索支護(hù)的形式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)后，可以有效控制二次動壓影響巷道頂板漏頂現(xiàn)象，同時在備采動壓巷道的施工過程中，采用雙層菱形金屬網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)。

(3)將雙排垛架的超前支護(hù)方式改為雙排單體液壓支柱加單排垛架的超前支護(hù)方式，有效減少了現(xiàn)場清底刷幫的工作量，為行人安全通過機(jī)尾創(chuàng)造了良好條件。