復(fù)采煤層掘進(jìn)工作面綜合支護(hù)

＊張澤州

（山西焦煤集團(tuán)臨汾宏大礦業(yè)有限責(zé)任公司 山西 030000）

1.立項(xiàng)原因及背景

某礦是“三整一”的整合礦井，主采2#煤層，整合前由于小煤窯的私采亂挖，同時(shí)，小煤窯受到資金及技術(shù)力量的困擾，窯主急功近利，選取了以最少的投入取得最大效益的粗放式經(jīng)營(yíng)，對(duì)2#厚煤以掘代采，遺留下大量的巷采殘留煤柱，這樣就造成煤炭資源極大的破壞和嚴(yán)重浪費(fèi)。小煤窯巷采后在上層留下了大量的空巷與采空區(qū)，對(duì)本煤層的頂板造成很大的破壞，由于2#煤層為配焦煤，雖然殘留煤柱多，但復(fù)采價(jià)值也較高。煤礦整合后，經(jīng)現(xiàn)有采掘工作面揭露，對(duì)該區(qū)域煤層已造成不同程度破壞，采空區(qū)、廢棄巷道從煤層頂部、中部到底部隨處可見(jiàn)，而且空頂、空幫嚴(yán)重、壓力大，局部地段有滴水和滲水現(xiàn)象。造成掘進(jìn)工作面頂板管理困難，對(duì)礦井安全生產(chǎn)造成極大的影響和威脅。

2.研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)

(1)研究?jī)?nèi)容

在8107工作面采集煤樣、巖樣，在巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，以測(cè)定其泊松比、彈性模量、剪切模量等力學(xué)性能指標(biāo)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析5107掘進(jìn)工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，分析典型復(fù)采煤層鄰采鄰掘期間掘進(jìn)工作面礦壓顯現(xiàn)特征，對(duì)易出現(xiàn)片幫等情況進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，為確定合理的支護(hù)方式提供理論依據(jù)。

研究2#復(fù)采厚煤層工作面兩側(cè)的應(yīng)力場(chǎng)，并采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值計(jì)算與分析，分析兩巷礦壓變形規(guī)律及不同煤柱下巷道受力情況，以得出巷道合理的支護(hù)方式。采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與資料收集、實(shí)驗(yàn)室測(cè)定、理論分析、數(shù)值計(jì)算、工程類(lèi)比、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)以及工業(yè)試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。

2#煤層呈黑色，煤質(zhì)較硬，具深褐色條痕，位于山西組中部，上距K8砂巖約14.33m，下距K7砂巖約6.56m。煤層厚度為3.5m-6.3m，平均5.6m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，局部含1-2層夾石，厚度為0.1m-0.4m，局部0.8m左右。煤層傾角9°～ 14°，平均12°，為緩傾斜煤層。2#煤層的頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1

通過(guò)分析工作面兩側(cè)的應(yīng)力場(chǎng)，以及變形與破壞規(guī)律，上分層采空區(qū)的存在會(huì)減輕下層煤開(kāi)采時(shí)工作面支護(hù)裝備承受的礦山壓力；上分層殘留煤柱的存在，因煤柱傳遞上覆巖層的壓力而使得下層煤開(kāi)采的工作面穿越煤柱下方時(shí)，工作面支護(hù)裝備承受的礦山壓力要大。

隨巷道掘進(jìn)不斷向前掘進(jìn)，巷道頂部巖石因?yàn)橹暗钠茐?，不斷破裂，以及游離巖石的集聚就會(huì)造成巖體的連接處巖體松動(dòng)。在開(kāi)采行動(dòng)中，頂部的巖層與底部巖體逐漸的失去支撐，掘進(jìn)巷道收到地應(yīng)力的作用，巷道支護(hù)采用的工字鋼棚支護(hù)受壓，從而出現(xiàn)變形，增加冒頂概率，給施工和安全管理帶來(lái)一定難度。只有提高支架的支撐強(qiáng)度，用加強(qiáng)支護(hù)的方式去控制或減少?lài)鷰r變化，增強(qiáng)巷道抗變形能力以對(duì)付礦壓的作用。

圍巖壓力測(cè)試方法

①日常觀測(cè)時(shí)，間隔45m一組在巷道中設(shè)置礦壓觀測(cè)點(diǎn)；當(dāng)一些重點(diǎn)區(qū)域如巷道交叉、巷道貫通、地質(zhì)構(gòu)造、礦壓顯現(xiàn)發(fā)生異常，并由專(zhuān)人負(fù)責(zé)嚴(yán)格按照臺(tái)賬記錄填寫(xiě)，并做好記錄。每一個(gè)新設(shè)立的觀測(cè)地點(diǎn)一周之內(nèi)每班需安排人員觀測(cè)并記錄，一周以后如無(wú)異常變化可以改為每星期修改一次觀測(cè)數(shù)據(jù)并填寫(xiě)規(guī)范。

②通過(guò)觀測(cè)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷，對(duì)不同的支護(hù)形式比對(duì)變形量，針對(duì)性采取頂板支護(hù)管理措施，最終確定合理的支護(hù)方式。根據(jù)對(duì)比的相關(guān)結(jié)論來(lái)指導(dǎo)作業(yè)規(guī)程的設(shè)計(jì)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的支護(hù)作業(yè)，遇到問(wèn)題和新情況積極鉆研改進(jìn)工藝并采取措施，這樣就能將支護(hù)做到最優(yōu)并最終得到一個(gè)合理的解決方案。

③掘進(jìn)隊(duì)組嚴(yán)格按規(guī)定對(duì)巷道支護(hù)的變形量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，設(shè)專(zhuān)人進(jìn)行礦壓觀測(cè)，并做好觀測(cè)記錄。

④對(duì)礦壓的全過(guò)程管理不僅僅是對(duì)在掘的頭面采取支護(hù)情況的監(jiān)控，每一班的相關(guān)隊(duì)伍管理人員也要帶著問(wèn)題入井，當(dāng)檢測(cè)到兩幫支架變形嚴(yán)重、頂部有明顯變化時(shí)必須及時(shí)匯報(bào)隊(duì)值班室及調(diào)度室。

⑤在掘進(jìn)過(guò)程中地質(zhì)條件發(fā)生變化時(shí)，相關(guān)工程技術(shù)人員必須立即對(duì)遇到的情況進(jìn)行核實(shí)觀測(cè)并將現(xiàn)場(chǎng)的變化因素記錄在臺(tái)賬上，礦技術(shù)科也要派人進(jìn)行核實(shí)，并將一手資料進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)分析，形成材料后有技術(shù)科長(zhǎng)對(duì)礦分管領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行匯報(bào)，共同拿出解決方案，并轉(zhuǎn)達(dá)給施工單位，由施工單位進(jìn)行落實(shí)，確保安全。

⑥圍巖壓力的測(cè)定和分析要嚴(yán)格按照我礦頂板管理相關(guān)規(guī)定執(zhí)行，以求得到最精確、最有效的第一手資料，要建立全員、全過(guò)程、全方位的“三全”質(zhì)量保證體系，確保礦壓觀測(cè)工作落實(shí)到位。管理人員必須親自抽測(cè)、組織現(xiàn)場(chǎng)整改，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)整改，排除隱患。

根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況，有兩種方案：

方案一：我礦原來(lái)采用的礦用11#工字鋼梯形支架在遇頂板破碎、采空區(qū)、空巷等壓力大或是巷道頂部來(lái)壓時(shí)，不能有效地抗壓，巷道棚梁迅速?gòu)澢?，?dāng)巷道的兩幫出現(xiàn)位移變形時(shí)，經(jīng)過(guò)觀察棚腿常常出現(xiàn)彎曲變形，分析原因?yàn)榧芘飼r(shí)橫梁與縱梁未進(jìn)行有效的鏈接，這就導(dǎo)致了巷道的支護(hù)出現(xiàn)失效巷道的斷面無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，且棚架變形以后支護(hù)失效又會(huì)導(dǎo)致頂幫的網(wǎng)報(bào)和片幫現(xiàn)象，巷道需要翻修才能滿足生產(chǎn)使用的要求，這樣增加了施工的投入還浪費(fèi)了材料，給正常生產(chǎn)秩序帶來(lái)了巨大的負(fù)面影響，導(dǎo)致工期無(wú)法按時(shí)完成，影響采掘銜接，增加了巷道掘進(jìn)的投入。

我礦在其原有的支護(hù)上進(jìn)行了改進(jìn)，即采用礦用11#工字鋼梯形支架?chē)婍怕?lián)合支護(hù)并打木點(diǎn)柱加強(qiáng)支護(hù)。在掘進(jìn)過(guò)程中遇頂板破碎、采空區(qū)或空巷等壓力大時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況棚距由500mm縮小至300mm，增加了支護(hù)密度。這種綜合支護(hù)方法能有效的控制頂板，增加抗壓性，加快掘進(jìn)速度，確保了采掘正常接替，在掘進(jìn)作業(yè)中有效杜絕工作面漏頂?shù)惹闆r的發(fā)生，由于強(qiáng)度的提高，棚架的抗壓能力得到了大幅度增強(qiáng)，需要修整的巷道少了，工人的工作量也就少了，勞動(dòng)強(qiáng)度和安全性能就提升了，帶來(lái)了巨大的安全經(jīng)濟(jì)效益。

方案二：使用剛性（工字鋼）支架的礦井，回收復(fù)用的支架占很大的比例，有的回收支架發(fā)生塑性變形，修復(fù)再用時(shí)承壓能力降低，且支架在應(yīng)力集中地段及大斷面地段的頂板承受不均勻載荷（承壓能力不足）時(shí)，棚架容易發(fā)生破壞。通過(guò)對(duì)原方案采取研究調(diào)查，我們?cè)陧斄号c縱梁間加設(shè)兩處斜撐，鏈接通過(guò)采用焊接螺絲和u型卡來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣就加強(qiáng)了橫梁和兩根縱梁的聯(lián)系，能顯著改善在巷道應(yīng)力不均勻分布下的受力狀態(tài)，有效抵抗棚梁變形及巷幫圍巖應(yīng)力，降低了返修棚率，減少了工程量，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

(2)創(chuàng)新點(diǎn)

①我礦采用風(fēng)鎬手工作業(yè)、“留肚掏槽”的掘進(jìn)工藝掘進(jìn)，以及采用礦用11#工字鋼梯形支架?chē)婍怕?lián)合支護(hù)并打木點(diǎn)柱加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)，工字鋼棚支架的價(jià)格為1126.8元/架，井下安裝一架的價(jià)格為300元；其它單位有的使用雙梁并焊支架，雙梁并焊支架的價(jià)格為2253.6元/架，井下安裝一架的價(jià)格為500元。每架成本相差1326.8元，其成本高，投資大，施工不方便。

②由于剛性（工字鋼）支架支護(hù)頂梁在應(yīng)力集中地段承壓能力不足，易發(fā)生彎曲；根據(jù)觀察受側(cè)壓影響，棚腿上部0.8m-1.0m處、下部0.8m-1.0m處易發(fā)生彎曲變形；棚腿與頂梁易發(fā)生脫口。根據(jù)剛性（工字鋼）支架特點(diǎn)設(shè)計(jì)成剛性（工字鋼）斜撐支架，把支架頂梁由單跨等截面兩端自由支承梁變?yōu)榈染嗟冉孛孢B續(xù)支承梁，增大承壓能力，即在頂梁與縱梁間加設(shè)兩處斜撐，鏈接通過(guò)采用焊接螺絲和u型卡來(lái)實(shí)現(xiàn)。斜撐梁下部斜撐點(diǎn)位于棚腿上部0.8m-1.0m處，使用斜撐梁能較好地承受頂部載荷的不均勻分布，克服了棚腿上部0.8m-1.0m處受側(cè)壓易發(fā)生彎曲變形的缺點(diǎn)，有效抵抗棚梁變形及巷幫圍巖應(yīng)力。

③我礦在掘進(jìn)過(guò)程中遇頂板破碎、采空區(qū)或空巷等壓力大時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況棚距由500mm縮小至300mm。增加了支護(hù)密度，提高了支護(hù)強(qiáng)度，有效的控制了頂板，減少了事故發(fā)生。

3.應(yīng)用情況

（1）8109工作面的掘進(jìn)采用風(fēng)鎬手工作業(yè)、“留肚掏槽”的掘進(jìn)工藝掘進(jìn)，以及采用礦用11#工字鋼梯形支架?chē)婍怕?lián)合支護(hù)并打木點(diǎn)柱加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)，保證了掘進(jìn)工作面對(duì)頂板的安全管理，并取得掘進(jìn)零傷亡的成績(jī)。

（2）2109順槽皮帶機(jī)頭斷面大、受側(cè)壓大影響及順槽的應(yīng)力集中地段，支架發(fā)生棚腿與頂梁脫口，往往進(jìn)行復(fù)修或者更換支架，工程量大，施工不方便，影響其它工作，并且與相鄰支架連接的拉桿遭受破壞，破壞了支架的整體性。斜撐梁支護(hù)可克服以上缺點(diǎn)。2015年1月安裝了斜撐梁支護(hù)，再未發(fā)生變形。

（3）2109順槽在掘進(jìn)過(guò)程中遇到采空區(qū)時(shí)，頂板壓力較大，原支護(hù)棚間距太大，造成工字鋼變形嚴(yán)重，不能有效支護(hù)頂板，經(jīng)研究決定，視施工情況，將棚距由原500mm縮小為300mm不等；支護(hù)棚腿須穿長(zhǎng)400mm、寬200mm、厚100mm的木靴；在距離迎頭20m的巷道開(kāi)始必須上好斜撐梁；并進(jìn)行噴漿加固；必須在棚梁下打木點(diǎn)柱和棚梁兩端打液壓支柱，液壓支柱和地面呈60°角左右，棚腿間必須用背板背實(shí)，防止支架發(fā)生推攆和變形。

4.社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益

（1）8109工作面在掘進(jìn)過(guò)程中由于煤體酥，復(fù)合頂板穩(wěn)定性差，無(wú)法用掘進(jìn)機(jī)械，只能用風(fēng)鎬人工清掏，并采用礦用11#工字鋼梯形支架?chē)婍怕?lián)合支護(hù)，對(duì)壓力大的地方打點(diǎn)柱，加強(qiáng)了支護(hù)強(qiáng)度，保證了施工質(zhì)量，加快了掘進(jìn)速度，減少掘進(jìn)過(guò)程中漏、冒頂現(xiàn)象的發(fā)生，降低了返修棚率（安裝斜撐梁后，應(yīng)力集中地段、大斷面地段沒(méi)有進(jìn)行復(fù)修），減少了工程量，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，保障了作業(yè)安全。

（2）2109順槽皮帶機(jī)頭處由于斷面大、受橫向側(cè)壓影響以及掘巷過(guò)程中受采空影響產(chǎn)生的應(yīng)力集中區(qū)域，工字鋼棚的棚腿與頂梁鏈接處受壓較大容易脫口，且相鄰棚架間鏈接的撐桿易遭受破壞，影響棚架的整體性，使用過(guò)程中需要常常復(fù)修或者更換棚架，影響平行工序的作業(yè)，對(duì)掘進(jìn)效率和安全產(chǎn)生較大的影響。2015年1月安裝了單跨（單根）斜撐梁支護(hù)，再未發(fā)生變形。斜撐支架投資小、斜撐梁長(zhǎng)度較短，利用加工工字鋼梁所剩的短截、廢舊或回收的工字鋼制作，且制作簡(jiǎn)單、安裝方便、安裝時(shí)對(duì)其它工作影響較小，施工時(shí)間短、見(jiàn)效快、施工安全。8109工作面大斷面、應(yīng)力集中地段工字鋼棚共計(jì)100架，按復(fù)修率為30%計(jì)算，復(fù)修一架工字鋼棚的價(jià)格為920元，安裝一根斜撐梁的價(jià)格為20元。復(fù)修總計(jì)需27600元，安裝斜撐梁費(fèi)用為2000元，累計(jì)節(jié)省工費(fèi)25600元。斜撐梁回收再利用率級(jí)高（可重復(fù)利用），具有廣泛推廣價(jià)值和前景。

（3）掘進(jìn)工作面頂板綜合支護(hù)法有效降低頂板事故發(fā)生幾率，保證了按時(shí)完成掘進(jìn)圈出工作面，對(duì)保證礦井的采掘銜接，促進(jìn)安全生產(chǎn)祈禱了積極作用，2109掘進(jìn)工作面掘進(jìn)斷面為11.76m，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1370m，計(jì)劃從2014年12月掘至2016年1月，實(shí)際按要求保質(zhì)保量完成，確保了采掘正常接替，保證了復(fù)采礦井能夠按傳統(tǒng)生產(chǎn)礦井正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（4）便于合理制定材料消耗計(jì)劃，避免材料的過(guò)度消耗浪費(fèi)，降低企業(yè)成本，每根工字鋼棚腿（梁）的價(jià)格為375.6元，修復(fù)一根棚腿（梁）的價(jià)格為15元。斜撐梁長(zhǎng)度較短，利用廢舊或回收的工字鋼制作，可節(jié)省材料費(fèi)360.6元/根。8109工作面共安裝斜撐梁100根，累計(jì)節(jié)省材料費(fèi)36060元。

（5）復(fù)采煤層掘進(jìn)工作面頂板管理技術(shù)有效降低整合小煤窯掘進(jìn)期間所投入的人力物力，可推廣至掘進(jìn)條件類(lèi)似的資源整合礦井。

5.總體性能指標(biāo)（參照集團(tuán)公司大型煤礦礦井）

我礦屬于資源整合礦井，所采煤層是大部分已遭破壞的復(fù)采煤層，不是原始煤層。由于復(fù)采煤層頂板的不完整性，地質(zhì)資料的缺乏，導(dǎo)致了小煤窯采空區(qū)及空巷數(shù)量、位置、范圍不詳。造成掘進(jìn)工作面頂板管理困難，對(duì)礦井安全生產(chǎn)造成極大的影響和威脅。而集團(tuán)公司的大型礦井，都是經(jīng)過(guò)科學(xué)合理地設(shè)計(jì)和規(guī)劃的原始煤層，掘進(jìn)工作面采用綜掘機(jī)，頂板安有離層儀，可以有效的控制頂板，避免事故的發(fā)生。我礦所采煤層是復(fù)采煤層，煤層已造成不同程度破壞，采空區(qū)、廢棄巷道從煤層頂部、中部到底部隨處可見(jiàn)，工作面選用G7風(fēng)鎬掘進(jìn)，工作面容易出現(xiàn)漏、冒頂現(xiàn)象，且工作面不能采用頂板離層儀監(jiān)測(cè)，只能采用人工觀測(cè)、測(cè)量的辦法。這就給掘進(jìn)工作面頂板管理造成了較大的困難和壓力。而集團(tuán)公司的大型煤礦工作面采用的造價(jià)高性能強(qiáng)綜掘機(jī)，有利于控制工作面頂板，且工作面還安有頂板離層儀，有利于加強(qiáng)頂板的礦壓觀測(cè)。

6.結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，確認(rèn)復(fù)采煤層掘進(jìn)工作面頂板綜合支護(hù)法行之有效，為整合小煤窯尋找了一種安全高效的掘進(jìn)期間頂板管理方法，有效降低整合小煤窯掘進(jìn)期間所投入的人力物力，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，可推廣至掘進(jìn)條件類(lèi)似的資源整合礦井。