東曲煤礦巷道頂板超前支護(hù)及穩(wěn)定性研究

魏生喜

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司東曲煤礦，山西 太原030200）

0 引言

焦煤集團(tuán)東曲煤礦位于大同煤田東中部的邊界，井田面積約11.75 km2，煤炭存儲(chǔ)量約10 199萬(wàn)t[1]。井田開(kāi)拓采用立井單水平方式，主要開(kāi)采的是4號(hào)煤層，由于井下開(kāi)采的力度不斷加大，開(kāi)采的越深礦井的地質(zhì)條件就越差，在開(kāi)采過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)冒頂?shù)仁鹿?，影響煤礦井下的安全開(kāi)采。

1 地質(zhì)概況

東曲煤礦主要開(kāi)采4號(hào)煤層，煤層平均厚度為9.33 m，煤層傾角較小，一般在5°左右，煤層比較穩(wěn)定，埋深約300～500 m，含有1～3層矸石，巖性多是砂質(zhì)泥巖和碳質(zhì)泥巖。根據(jù)4號(hào)煤層的煤質(zhì)特點(diǎn)，采煤時(shí)采用綜采放頂煤的方法[2]，本文研究分析開(kāi)采過(guò)程中巷道圍巖的變形原因，并提出新方案以提高巷道的穩(wěn)定性和安全性，降低危險(xiǎn)系數(shù)。

2 巷道穩(wěn)定性分析

現(xiàn)階段，4號(hào)煤層的回采巷道支護(hù)采用的是錨網(wǎng)索和梯子梁的方式進(jìn)行支護(hù)[3]，其中，錨桿直徑20 mm，長(zhǎng)度2 400 mm，采用螺紋鋼對(duì)端頭進(jìn)行錨固，金屬網(wǎng)采用25 mm×25 mm的網(wǎng)孔進(jìn)行鋪設(shè)，錨索直徑17.8 mm，長(zhǎng)度6 300 mm；采用的是鋼絞線(xiàn)，斷面間留有2.4 m的排距；金屬托盤(pán)采用300 mm×300 mm×16 mm的規(guī)格，梯子梁采用的直徑10 mm的圓鋼，具體的支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巷道圍巖支護(hù)參數(shù)

在井下開(kāi)采過(guò)程中，上覆煤層開(kāi)采后，會(huì)出現(xiàn)巖層垮落，因此下覆煤層的煤頂板主要是上覆巖層和采空區(qū)巖石，而采空區(qū)巖石的穩(wěn)定性比較差，會(huì)直接影響下覆煤層巷道頂板的穩(wěn)定性，通常巖層的穩(wěn)定性與巖層間厚度有關(guān)。對(duì)于4號(hào)煤層，與上覆煤層的層間距厚度大于2 m，是中砂巖和細(xì)砂巖交互巖層，現(xiàn)采用的錨網(wǎng)索和梯子梁支護(hù)方法，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用，表明支護(hù)效果差，巷道圍巖出現(xiàn)嚴(yán)重變形，頂板的下沉量最大為944 mm，而且巷道的二次維護(hù)成本高、難度大，因此，需要對(duì)巷道的原有支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高巷道的穩(wěn)定性。

3 巷道超前支護(hù)優(yōu)化方案

為了提高巷道的穩(wěn)定性，降低巷道維護(hù)成本，在開(kāi)采過(guò)程中，對(duì)工作面的運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷采用單體支柱和“π”型梁相結(jié)合的超前支護(hù)方式，在距離開(kāi)采工作面30～50 m處進(jìn)行超前支護(hù)。

由于工作面運(yùn)輸巷受采動(dòng)影響比較大，巷道圍巖的塑性區(qū)發(fā)育的范圍比較廣，因而對(duì)運(yùn)輸巷的端頭采用兩對(duì)“π”型梁來(lái)支護(hù)[4]，采用“一梁四柱”的錯(cuò)梁布置方式，一對(duì)“π”型梁包括8根單體支柱和2根“π”型鋼梁，梁頭之間錯(cuò)開(kāi)600 mm的距離，邁步距離1 200 mm，每對(duì)梁的中梁與梁的中心相距300 mm，外側(cè)單梁與支架的距離是300 mm。對(duì)遠(yuǎn)離工作面一側(cè)的巷幫采用一對(duì)“π”型梁支護(hù)，每個(gè)單梁的中梁外側(cè)與支架間隔300 mm，在每個(gè)梁的中梁后布置切頂支柱，與工作面支架的切頂線(xiàn)平行。

對(duì)回風(fēng)巷的端頭采用3對(duì)“π”型梁進(jìn)行支護(hù)，采用“一梁三柱”的錯(cuò)梁布置方式，1對(duì)“π”型梁包括6根單體支柱和2根“π”型鋼梁，梁頭之間錯(cuò)開(kāi)600 mm，邁步距離1 200 mm，每對(duì)梁的中梁與梁的中心相距300 mm，外側(cè)單梁與支架間距300 mm。對(duì)空頂區(qū)域采用單體和木架棚的方式進(jìn)行支護(hù)，以維護(hù)巷道的穩(wěn)定性。具體超前支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 超前支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

4 效果驗(yàn)證

采用優(yōu)化的巷道支護(hù)方案后，在4號(hào)煤層工作面巷道開(kāi)始實(shí)施，對(duì)掘進(jìn)過(guò)程中巷道圍巖的變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要是監(jiān)測(cè)巷道頂板和兩幫移近量，監(jiān)測(cè)距離是50 m，具體的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，在使用優(yōu)化巷道支護(hù)方案后，巷道頂板的下沉量和兩幫的移近量都比之前有明顯的降低，巷道頂板的下沉量最大為142 mm，巷道圍巖的變形主要集中在掘進(jìn)25 m的范圍內(nèi)，巷道兩幫的移近量最大為151 mm，巷道圍巖的變形主要集中在掘進(jìn)15 m的范圍內(nèi)。通過(guò)比較，可以看出，頂板的下沉量和兩幫的移近量在離煤壁越遠(yuǎn)時(shí)，變形量越小，相反，離煤壁越近時(shí)，變形量越大，且巷道圍巖的變形主要集中在巷道頂板上，巷道兩幫的變形量相

圖3 巷道頂板及兩幫位移曲線(xiàn)

對(duì)較小，且巷道圍巖的變形量都在合理的范圍內(nèi)。

綜上可知，在使用優(yōu)化巷道支護(hù)方案后，巷道的支護(hù)效果得到很大的改善，巷道的穩(wěn)定性明顯提高，表明使用此優(yōu)化方案具有很好的實(shí)踐效果。

5 結(jié)論

針對(duì)在開(kāi)采過(guò)程中出現(xiàn)的巷道圍巖穩(wěn)定性差、變形嚴(yán)重、造成巷道維護(hù)成本高等問(wèn)題，在分析原有支護(hù)的基礎(chǔ)上，提出采用超前支護(hù)方式，結(jié)果如下：

1）對(duì)4號(hào)煤層的運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷分別進(jìn)行優(yōu)化，采用單體支柱和“π”型梁結(jié)合的支護(hù)方式，對(duì)運(yùn)輸巷采用“一梁四柱”錯(cuò)梁布置，對(duì)回風(fēng)巷采用“一梁三柱”的錯(cuò)梁布置，用來(lái)維護(hù)巷道圍巖的穩(wěn)定性。

2）采用超前支護(hù)優(yōu)化方案后，不僅提高了原有支護(hù)結(jié)構(gòu)的巷道圍巖控制能力，而且使用單體、π型梁等對(duì)頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，大大提高了巷道圍巖的穩(wěn)定性，降低了巷道頂板的離層量。實(shí)際監(jiān)測(cè)到巷道頂板的最大下沉量為142 mm，兩幫的最大移近量為151 mm。

作者簡(jiǎn)介：

[1]張步元.近距離煤層采空區(qū)下回采巷道圍巖控制技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.煤礦現(xiàn)代化，2019（5）：1-3.

[2]梁哲.大采高厚硬頂板綜采工作面超前支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］.山西能源學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，32（6）：18-20.

[3]郭偉.極近距離煤層采空區(qū)下回采巷道穩(wěn)定性分析及控制技術(shù)研究[D].太原理工大學(xué)，2015.

[4]羅寶紅.綜放面端頭及順槽超前區(qū)頂板支護(hù)技術(shù)與實(shí)踐[J]．江西煤炭科技，2020（2）：150-152．