郭莊煤業(yè)公司3308工作面沿空留巷支護(hù)設(shè)計(jì)研究

張永杰

(山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046000)

1 工作面簡介

郭莊煤業(yè)3308工作面位于3307工作面與3309工作面中間，工作面南部為二采區(qū)回風(fēng)大巷，北部為三采區(qū)回風(fēng)大巷。3308工作面長度約為2 200 m，傾向長度為230 m，傾角約為20°。3308工作面位于5號煤層，屬于可采煤層，走向?yàn)槟媳狈较颍穸燃s為6.15 m，賦存于二疊系山西組地層中下部，堅(jiān)固性系數(shù)為0.5～0.7，煤質(zhì)以貧煤為主，埋深為380～420 m。頂?shù)装鍘r層包括細(xì)粒砂巖、泥巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、煤，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)示意如圖1所示。3308工作面東部有正斷層發(fā)育，高度為0～7 m，頂?shù)装逵?個(gè)富水異常區(qū)，頂板水害為主要水害類型，底板在掘進(jìn)時(shí)奧灰水影響較小，巷道涌水量最大為20 m3/h，平均涌水量為5 m3/h。

圖1 3308工作面頂?shù)装鍘r層結(jié)構(gòu)參數(shù)示意

2 3308工作面沿空留巷支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 巷旁支護(hù)

1) 參數(shù)設(shè)計(jì)。3308工作面的膠帶巷為3309工作面軌道巷，總長度約為2 200 m。由于X17陷落柱對膠帶巷的影響，3308工作面在前110 m膠帶巷不留設(shè)柔模墻，自3308工作面與3309工作面切眼處進(jìn)行柔模墻澆筑，沿空留巷長度約為1 500 m。對3308工作面膠帶巷留巷寬度進(jìn)行設(shè)計(jì)，綜合考慮沿空留巷用途以及施工要求，設(shè)計(jì)寬度為4.5 m，凈寬為4.3 m，巷旁支護(hù)寬度設(shè)計(jì)為1.7 m。

依據(jù)過往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，柔性模板采用三維紡織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。三維紡織結(jié)構(gòu)模板由內(nèi)部拉筋與外部加筋纖維布兩部分組成，為封閉結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)外形與支護(hù)體幾乎相同，有固定裝置以及自閉灌注口設(shè)置，材質(zhì)輕、強(qiáng)度高、實(shí)際施工也較為方便。水泥使用M40強(qiáng)度等級的水泥漿，具有密實(shí)、高強(qiáng)、早強(qiáng)等特點(diǎn)。

圖2 三維紡織結(jié)構(gòu)模板示意

錨栓采用22號左旋無縱筋螺紋鋼筋500鋼號的桿體，桿體兩端設(shè)有規(guī)格為M22的螺紋，成型工藝為滾壓加工工藝，螺紋長度設(shè)計(jì)應(yīng)大于150 mm，桿體應(yīng)大于墻厚約250 m。需注意，錨栓開通孔的一端在澆筑完成后應(yīng)穿8號鐵絲進(jìn)行固定，防止螺帽在后期來壓后飛出傷人。錨栓托盤尺寸設(shè)計(jì)長、寬、高分別為150 mm、150 mm、120 mm，采用拱形高強(qiáng)度設(shè)計(jì)，使用中需配合減阻尼龍墊圈與球形墊，拱高應(yīng)為36 mm，額定承載能力為23 t。錨栓垂直于墻面布置，每排設(shè)置5根，間距設(shè)定為750 mm×550 mm，錨栓額定預(yù)緊力設(shè)計(jì)為300 N·m，螺帽厚度設(shè)計(jì)為32 mm。

鋼筋鋼帶焊接材質(zhì)為D16 mm鋼筋，依據(jù)三維紡織結(jié)構(gòu)模板要求，需加工為2 m×3.5 m×1.5 m、3 m×3.5 m×1.5 m、4 m×3.5 m×1.5 m以及長度為3.5 m的豎鋼筋鋼帶(長度依據(jù)實(shí)際高度制作)，其鋼筋鋼帶尺寸示意如圖3所示。

圖3 鋼筋鋼帶尺寸示意(mm)

2) 壓力計(jì)算。沿空留巷壓力主要通過疊加層板法進(jìn)行計(jì)算，依據(jù)彈塑性力學(xué)理論與頂板特征，將沿空留巷的頂板簡化為矩形疊加層板。疊加層板可分三邊支承與四邊支承兩種，其力學(xué)模型與自重載荷受力示意如圖4(a)、(b)所示。其中，短支承邊承受載荷為陰影部分，長支承邊承受載荷為其余部分。選取矩形板中單位寬度長條帶載荷分布面積占有最大的長條帶作為計(jì)算模型，即三邊支承與四邊支承示意圖中的A-B-C-D條帶，具體為圖4(c)、(d)，通過分析可知，兩圖的長條帶形式一樣，簡化為圖4(e)。

圖4 疊加層板法沿空留巷壓力計(jì)算模型示意

疊加層板法沿空留巷壓力計(jì)算公式為：

P=(M1+M2+M3)/a

M2=[a+(n-1)htanα]γhL

M3=Rh2/6

式中：n為垮落層數(shù)，取11；a為維護(hù)寬度，取5.8 m；γ為巖層容重，取0.026 MN/m3；h為分層厚度，取2 m；α為垮落角余角，取45°；M1為殘余邊界自重彎矩，MN·m；M2為巖層垮落剪力彎矩，MN·m；M3為巖層極限彎矩，MN·m；L為巖層垮落巖塊長度，取8 m；R為抗拉強(qiáng)度，取1.5 MN·m。

將數(shù)據(jù)帶入公式計(jì)算可得，M1=82.84 MN·m，M2=10.73 MN·m，M3=1 MN·m。則沿空留巷壓力P=16 305.2 kN/m。

2.2 待澆筑空間圍護(hù)

待澆筑空間圍護(hù)的設(shè)計(jì)主要由采空區(qū)圍護(hù)、端頭區(qū)圍護(hù)以及待澆筑空間支護(hù)三部分組成。

2.2.1 端頭區(qū)圍護(hù)設(shè)計(jì)研究

端頭區(qū)圍護(hù)的主要作用是對頂煤的完整性進(jìn)行保護(hù)，防止移駕后頂煤發(fā)生垮落?，F(xiàn)存在的問題為排頭架頂梁與尾梁不平齊，使得尾梁處的頂煤支護(hù)有所欠缺，故需對該部位進(jìn)行優(yōu)化改造。尾梁改造共有兩種方法，一種是增加尾梁千斤頂行程，保證頂尾梁平齊，確保頂煤支護(hù)的可靠性；另一種是在尾梁千斤頂處增加長套與機(jī)械。同時(shí)，還需進(jìn)行錨網(wǎng)索梁支護(hù)結(jié)構(gòu)的保護(hù)。在進(jìn)行回采時(shí)，需在頂梁上部備足與工作面煤壁平行的木梁，防止支架與頂板直接作用，采用木梁對頂板進(jìn)行支護(hù)，使得移架與支架升降不對原來的支護(hù)結(jié)構(gòu)造成破壞。

2.2.2 采空區(qū)圍護(hù)設(shè)計(jì)研究

采空區(qū)圍護(hù)的設(shè)計(jì)是為了不讓煤炭生產(chǎn)過程中采空區(qū)內(nèi)的矸石涌入留巷內(nèi)。3308工作面傾角約為20°，隨著工作面回采的開展，頂板會發(fā)生垮落現(xiàn)象，矸石進(jìn)入運(yùn)輸巷會對沿空留巷施工造成影響。依據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，采空區(qū)圍護(hù)設(shè)計(jì)采用沿空留巷擋矸支架的方法。擋矸支架的結(jié)構(gòu)為邁步自移式結(jié)構(gòu)，兩支架為一組，具體功能包括擋矸、自移、糾偏、支護(hù)、切頂、遠(yuǎn)程遙控以及自適應(yīng)巷道留巷等。當(dāng)工作面支架移動后，擋矸支架需同步移動，保證沿空留巷作業(yè)環(huán)境的安全。

2.2.3 待澆筑空間支護(hù)設(shè)計(jì)研究

為防止?jié)仓酀{墻體前頂板發(fā)生垮冒或過早下沉現(xiàn)象，過渡支架前移后對待澆筑空間采用一梁兩柱的方法進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。其中，π型梁長度應(yīng)設(shè)計(jì)為1 500 mm，間排距應(yīng)設(shè)計(jì)為1 200 mm×600 mm，打設(shè)走向?yàn)榕c沿空留巷垂直。待澆筑空間臨時(shí)支護(hù)平面示意如圖5所示。

圖5 待澆筑空間臨時(shí)支護(hù)平面示意

2.3 沿空留巷臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)研究

沿空留巷的動壓顯現(xiàn)一般分為兩個(gè)階段，第一階段為滯后工作面第一個(gè)周期來壓步距內(nèi)，第二階段為滯后工作面4～6個(gè)周期來壓步距內(nèi)。通常情況下，第二階段的動壓顯現(xiàn)較第一階段更強(qiáng)，故應(yīng)以第二階段動壓顯現(xiàn)范圍為研究對象。通過測算，郭莊煤礦周期來壓步距為26～31 m，臨時(shí)支護(hù)范圍應(yīng)確定在100～150 m。超前工作面大于50 m處采用一梁一柱的支護(hù)方法，50 m內(nèi)采用一梁三柱的方法，滯后工作面采用一梁四柱的方法，排距設(shè)計(jì)為900 mm。單體液壓支柱選取DW40-350/110X型，π型梁長度設(shè)計(jì)為3 700 mm、1 000 mm、4 000 mm。膠帶巷道超前支護(hù)臨時(shí)支護(hù)平面如圖6所示。

圖6 膠帶巷道超前支護(hù)臨時(shí)支護(hù)平面(mm)

3 支護(hù)方案效果分析

將上述沿空留巷支護(hù)應(yīng)用于3308工作面回采巷道與留巷后發(fā)現(xiàn)，巷道兩幫的變形量約為110 mm，頂?shù)装逦灰屏考s為140 mm，符合相關(guān)安全規(guī)定；3308工作面沿空留巷支護(hù)可減少掘進(jìn)巷道長度約2 500 m，費(fèi)用減少約1 400萬元，提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益效果顯著。

4 結(jié) 語

針對郭莊煤業(yè)公司3308工作面沿空留巷支護(hù)技術(shù)尚不成熟的問題，本文通過對郭莊煤業(yè)公司礦井的實(shí)際條件進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出了3308工作面的沿空留巷支護(hù)方案，通過研究分析得出了以下結(jié)論：

1) 巷旁支護(hù)柔性模板采用三維紡織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，沿空留巷壓力值應(yīng)為16 305.2 kN/m；待澆筑空間圍護(hù)設(shè)計(jì)包括采空區(qū)圍護(hù)、端頭區(qū)圍護(hù)以及待澆筑空間支護(hù)三部分，采用一梁兩柱與擋矸支架的方法；臨時(shí)支護(hù)采用支架與單體結(jié)合的方法。

2) 將支護(hù)方案應(yīng)用于3308工作面后，巷道兩幫與頂?shù)装逦灰屏糠舷嚓P(guān)要求，對沿空留巷穩(wěn)定性有所提升，沿空留巷的使用使企業(yè)節(jié)約成本約1 400萬元，提升了企業(yè)效益。