深井厚煤層沿空巷道超前支護設(shè)計優(yōu)化

秦士倫

（山東濟礦魯能煤電有限公司陽城煤礦，山東 濟寧 272502）

控制工作面回采巷道大變形的關(guān)鍵在于控制住超前支護范圍內(nèi)巷道的變形，對于回采工作面超前支護設(shè)計，國內(nèi)外學(xué)者提供了很多成熟的方案[1-6]。但以上方案，大多數(shù)是針對淺埋煤層或者中厚煤層下的實體煤巷道，深井厚煤層綜放面沿空巷道超前支護設(shè)計還需要進(jìn)一步設(shè)計與優(yōu)化。

1 工程概況

陽城煤礦綜放工作面開采3#煤層，埋深750 m，煤均厚7.5 m，工作面布置圖如圖1。軌道順槽為沿空掘巷，小煤柱寬度為6 m，斷面為矩形，巖性為全煤，B凈=4.5 m，H凈=3.5 m。

圖1 工作面布置圖（m）

2 超前支承壓力分布規(guī)律

在軌道順槽內(nèi)超前采面60 m的位置安裝了三個鉆孔應(yīng)力計，間距3 m，孔深9 m，如圖1。鉆孔應(yīng)力計監(jiān)測結(jié)果如圖2，由圖2可知，超前采面50 m時鉆孔應(yīng)力值開始升高，說明采面前方50 m為采動影響范圍，也是需要超前支護的范圍；鉆孔應(yīng)力在超前采面20 m位置出現(xiàn)拐點，即走向支承壓力峰值在超前采面20 m的位置出現(xiàn)，說明工作面前方20 m范圍內(nèi)受采動影響最大，需要加強支護。

圖2 工作面走向支承壓力分布特征

3 巷內(nèi)支護體力學(xué)分析

在確定好超前支護范圍后，對巷內(nèi)支護體的支護阻力進(jìn)行計算。根據(jù)上覆巖層運動特征，隨工作面推采，直接頂一部分垮落成矸石遺留在上工作面的采空區(qū)內(nèi)，另一部分形成懸臂巖梁Ⅰ，由煤體和小煤柱共同支撐；基本頂斷裂形成三塊鉸接巖梁，主要巖梁Ⅱ?qū)ο锏佬纬蓜訅海绊懴锏雷冃?。煤體、小煤柱、支護體和矸石共同承載巖梁Ⅰ和Ⅱ的重量，保持巷道的穩(wěn)定性，其力學(xué)結(jié)構(gòu)模型如圖3。

圖3 沿空巷道支護體受力力學(xué)結(jié)構(gòu)模型

建立豎直方向力學(xué)平衡方程：

式中：σ1為實體煤對上覆巖層的支護強度，MPa；X1為實體煤破碎區(qū)寬度，m；σ2為小煤柱的有效支護強度，MPa；X2為煤柱寬度，m；σ3為矸石對巖梁Ⅱ末端的支護強度，MPa；X3為巖梁Ⅱ觸矸長度，m；Q1為巷內(nèi)每米支護體對上覆巖層的支護阻力，kN；γS為頂煤容重，kN/m3；mS為頂煤厚度，m；γZ為巖梁Ⅰ容重，kN/m3；mZ為巖梁Ⅰ厚度，m；γE為巖梁Ⅱ容重，kN/m3；mE為巖梁Ⅱ厚度，m；LE為巖梁Ⅱ長度，m；θ為巖梁Ⅱ回轉(zhuǎn)角，（°）。每米支護體對上覆巖層的支護阻力：

已知：γS=23 kN/m3，γZ=γE=25 kN/m3，B=4.5 m，X2=6.0 m，mS=6 m，mZ=27 m，mE=24 m，LE=23 m，X3=6 m，未知X1、σ1、σ2、σ3。

而巷幫煤體松動區(qū)寬度由下式求得[7]：

其中：

式中：M為開采厚度，4 m；C為煤的黏結(jié)力，5.16 MPa；f為煤層內(nèi)摩擦因數(shù)，f=tan26°；K=1.5，應(yīng)力集中系數(shù)；H為埋深，840 m；γ為上覆巖層容重，25 kN/m3。帶入公式（2）、（3）可得X1=2.5 m。

由室內(nèi)試驗獲得3#煤層煤樣的單軸抗壓強度為16.8 MPa，由于破碎區(qū)煤體承載能力下降，取煤體強度σ1=4.7 MPa，小煤柱只有中間還殘存承載能力，取小煤柱的有效支護強度σ2=2 MPa。

根據(jù)Salamon的破碎巖體壓實理論，垮落帶巖體的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系：

式中：E0為矸石的初始彈性模量，MPa；ε為當(dāng)前垂直應(yīng)變；εm為最大垂直應(yīng)變。

式中：b為矸石碎脹系數(shù)，取1.35。

設(shè)初始碎脹系數(shù)為1.45，矸石殘余碎脹系數(shù)為1.2，則巖梁Ⅱ末端矸石的應(yīng)變ε=（1.45-1.2）/1.45=0.17，最 大 垂 直 應(yīng) 變εm=（1.35-1）/1.35=0.26。再將E0=2.2帶入式（5）可得巖梁Ⅱ末端矸石的支撐強度σ3=1.07 MPa。

將以上各個參數(shù)代入，可得巷內(nèi)每米支護體的支護阻力Q1=1904 kN。

4 超前支護參數(shù)設(shè)計

由單元支架參數(shù)（每架4000 kN，每架兩柱，頂梁1.8 m×0.5 m），可得：巷道內(nèi)每米單元支架提供的支護阻力為4000/1.8=2222 kN，大于Q1，因此巷內(nèi)布置一排單元支架即可。但為了均衡巷內(nèi)支護力，在對側(cè)布置一排單體支柱，排距1.0 m，如圖4。

圖4 正常地段超前支護斷面圖（mm）

5 加強支護參數(shù)設(shè)計

在采面前方20 m范圍內(nèi)沿空巷道受采動影響最大，因此需加強巷內(nèi)支護強度，考慮安全系數(shù)為K，則巷內(nèi)支護體的支護阻力為：

K取1.5，得Q2=2428 kN/m。已 知 一 架單元支架和一排單體支柱提供的支護阻力為2222+180=2402 kN＜2428 kN，一架單元支架和兩排單體支柱提供的支護阻力為2222+180×2=2582 kN＞2410 kN，因此，加強支護地段需一架單元支架和兩排單體支柱才能滿足巷內(nèi)支護需求。

6 結(jié)論

深井厚煤層綜放面沿空巷道的變形較大，尤其是受采動影響范圍內(nèi)的變形很難控制，以往為了正常推進(jìn)，不得不多次擴幫，增加開采成本，影響生產(chǎn)進(jìn)度。本文結(jié)合超前支承壓力分布規(guī)律和支護體受力特征，確定了加強支護和超前支護范圍，計算了巷內(nèi)支護體的支護阻力，設(shè)計了支護參數(shù)，為控制巷道大變形、避免巷道多次擴幫提供了科學(xué)依據(jù)。