煤礦井下綜采面頂板控制方案的優(yōu)化研究

鄭 斐

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 鄉(xiāng)寧042100）

煤炭作為我國(guó)最重要的能源資源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)著十分重要的地位，隨著對(duì)煤炭綜采效率要求的不斷增加，煤礦綜采作業(yè)過(guò)程中發(fā)生事故的概率也不斷的加大，據(jù)統(tǒng)計(jì)因綜采作業(yè)過(guò)程中頂板垮塌造成的事故占據(jù)了煤礦井下總事故量的40%以上，已經(jīng)成為影響煤礦井下綜采作業(yè)效率和安全的最大不穩(wěn)定性因素。傳統(tǒng)的煤礦井下巷道頂板支護(hù)主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)薄弱位置進(jìn)行支撐，但由于煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜，在綜采擾動(dòng)或者巷道頂板來(lái)壓波動(dòng)的影響下極易造成支護(hù)失穩(wěn)，而且傳統(tǒng)支護(hù)方案也存在著支護(hù)不合理、支護(hù)作業(yè)效率低下的問(wèn)題，給煤礦井下綜采作業(yè)的安全性和效率均造成了較大的影響[1]。

1 綜采面頂板應(yīng)力分布

煤礦井下綜采作業(yè)時(shí)，隨著綜采面的推進(jìn)，采空區(qū)域的頂板呈現(xiàn)懸空狀態(tài)，所有的重量將轉(zhuǎn)移到綜采區(qū)域的前方和兩側(cè)的煤層上，此時(shí)作用在采空區(qū)上的應(yīng)力為低于初始應(yīng)力的應(yīng)力降低區(qū)域，采空區(qū)兩側(cè)的煤層和綜采面的前方由于承受了頂板的重力因此內(nèi)部的應(yīng)力增加，為高應(yīng)力支撐區(qū)域，又稱(chēng)之為支撐壓力，高應(yīng)力支撐區(qū)域在綜采擾動(dòng)或者礦壓波動(dòng)下極易出現(xiàn)應(yīng)力釋放，給巷道頂板穩(wěn)定性造成極大的破壞，而且也會(huì)影響綜采面和臨近區(qū)域的穩(wěn)定性，導(dǎo)致支護(hù)失穩(wěn)和頂板垮塌，綜采面頂板兩側(cè)應(yīng)力分布如圖1所示[2]，圖1中Ⅰ表示垮落區(qū)，Ⅱ表示裂隙帶，Ⅲ表示沉降帶，A表初始應(yīng)力分布區(qū)，B表示高應(yīng)力支撐區(qū)，C表示應(yīng)力減小區(qū)。

圖1 頂板兩側(cè)應(yīng)力分布示意圖

2 巷內(nèi)輔助加強(qiáng)支護(hù)

為了提升煤礦井下綜采面頂板在綜采擾動(dòng)及礦壓波動(dòng)下的穩(wěn)定性，本文提出了一種新的巷道內(nèi)輔助加強(qiáng)支護(hù)方案，該支護(hù)方案實(shí)質(zhì)上是在巷道頂板處設(shè)置一個(gè)輔助加強(qiáng)液壓支架，通過(guò)立柱來(lái)對(duì)支架的頂梁和底座進(jìn)行聯(lián)系和支撐[3]，在機(jī)構(gòu)上增加一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)來(lái)加強(qiáng)支護(hù)支架在受力時(shí)的抗變形能力，同時(shí)在液壓支架間采用推移千斤頂進(jìn)行連接支護(hù)，實(shí)現(xiàn)輔助液壓支架支護(hù)過(guò)程中的整體移位，有效提升了支護(hù)時(shí)的效率和穩(wěn)定性。該輔助液壓支架支護(hù)時(shí)，采用兩列并排支護(hù)方案，便于靈活的根據(jù)進(jìn)行地質(zhì)情況進(jìn)行拆分和組合，在頂梁位置可以和型鋼一起使用，增加和頂板接觸面積，從而有效確保了該輔助支護(hù)方案在各類(lèi)地形條件下應(yīng)用的可靠性，其井下實(shí)際支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 煤礦井下輔助支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

3 破碎帶頂板支護(hù)方案

煤礦井下巷道頂板破碎區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性極差，采用巷道輔助支護(hù)的方案難以達(dá)到有效的支護(hù)效果，因此提出了一種新的錨網(wǎng)支護(hù)方案，其整體結(jié)構(gòu)如圖3所示[4]。

圖3 煤礦井下頂板錨網(wǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖（mm）

在支護(hù)時(shí)，巷道頂板處采用4組高強(qiáng)度預(yù)拉力錨桿、3組預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)錨索和型鋼、金屬防護(hù)網(wǎng)配合使用，所用的錨桿的直徑不小于20 mm，錨桿的長(zhǎng)度不小于2 500 mm，錨桿之間的距離不小于750 mm，每根錨桿采用兩節(jié)樹(shù)脂藥卷進(jìn)行加長(zhǎng)錨固，錨桿的排距不小于800 mm。施工時(shí)3組預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)錨索先直接和型鋼固定好，作為一個(gè)整體進(jìn)行安裝，可以有效提升安裝質(zhì)量和一致性，將該3組鋼絞線(xiàn)錨索結(jié)構(gòu)設(shè)置在支護(hù)體兩側(cè)的第1、3、5個(gè)鋼帶的網(wǎng)孔上固定牢固。同時(shí)為了確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在兩側(cè)鋼架上分別設(shè)置一種桁架[5]，桁架固定孔深度不低于1 500 mm，間距不小于2 500 mm，鋼絞線(xiàn)采用直徑為17.8 mm的高強(qiáng)度鋼絞線(xiàn)，絞線(xiàn)間采用桁架連接器相互纏繞，下側(cè)鋪設(shè)厚度不小于15 mm的型鋼，確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4 應(yīng)用效果分析

在煤礦井下采用激光測(cè)距傳感器對(duì)采用新的頂板控制方案下的圍巖變形情況進(jìn)行研究，結(jié)果如圖4所示。

由圖4-1可知，在新的支護(hù)方式下，圍巖波動(dòng)對(duì)頂板的影響范圍約為60 m，比常規(guī)支護(hù)下的影響范圍降低了約21%，離綜采面越近受綜采波動(dòng)的影響就越大，最大變形量約為497 mm，比常規(guī)支護(hù)下的變形量降低了33.6%，在距離綜采面約17 m處的圍巖變形速度最大，約為125 mm/d，這主要是由于該區(qū)域位于高應(yīng)力支撐區(qū)導(dǎo)致的，之后圍巖的變形量將隨著綜采面距離的增加而逐漸的降低?？傮w來(lái)說(shuō)該新的頂板支護(hù)方案表現(xiàn)出了較高的穩(wěn)定性和支護(hù)效果。

圖4 新支護(hù)方式下巷道圍巖變化情況

5 結(jié)論

為了解決煤礦井下巷道頂板支護(hù)效率低、穩(wěn)定性差給煤礦井下的綜采作業(yè)安全造成了嚴(yán)重的隱患的現(xiàn)狀，本文在對(duì)頂板應(yīng)力分布趨勢(shì)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種新的煤礦井下綜采面頂板控制方案，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

1）隨著綜采作業(yè)的進(jìn)行，采空區(qū)上的應(yīng)力為低于初始應(yīng)力的應(yīng)力降低區(qū)域，采空區(qū)兩側(cè)的煤層和綜采面的前方由于承受了頂板的重力因此內(nèi)部的應(yīng)力增加，為高應(yīng)力支撐區(qū)域。

2）采用巷內(nèi)輔助加強(qiáng)和錨網(wǎng)支護(hù)方案能夠有效的提升井下巷道頂板的支護(hù)穩(wěn)定性。

3）在新的支護(hù)方式下，圍巖波動(dòng)對(duì)頂板的影響范圍比常規(guī)支護(hù)下的影響范圍降低了約21%，離綜采面越近受綜采波動(dòng)的影響就越大，最大變形量約為497 mm，比常規(guī)支護(hù)下的變形量降低了33.6%，表現(xiàn)出了極高的支護(hù)穩(wěn)定性。