急倾斜突出煤层回采巷道锚钢复合支架支护研究

周忠国 梁立勋 张亮 章宁钊 蒋文荣 徐伦

摘 要：针对绿水洞煤矿急倾斜煤层回采巷道现状，研究分析原支护体系与现场存在的不适之处，优化改进提出采用锚钢复合支架支护体系，采用工程类比法与现场调查分析法相结合，开展急倾斜煤层回采巷道压力监测分析，得出回采巷道上帮变形是两帮移近的主要因素，也是高帮片帮的薄弱所在。提出的锚钢复合支架支护结合被动支护与主动支护特长，支架相互连接形成整体，具有防倒防滑功能，抗剪切能力增强。该项目累计节约费用50.8万元，在类似巷道中具有较广泛的推广使用价值。

关键词：回采巷道；锚钢复合支架；防倒防滑

1 原回采巷道支护体系存在问题分析

绿水洞煤矿开采水平由+528m水平逐步向+350m水平延伸，矿井瓦斯灾害随之升级，根据煤炭科学研究总院重庆研究院于2010年9月提供的《绿水洞煤矿K1煤层瓦斯瓦斯基本参数测定及突出危险性鉴定报告》，绿水洞煤矿K1煤层有突出危险性。突出矿井急倾斜煤层回采巷道实现综掘机掘进，但巷道支护一直都是国内煤炭行业的一大难题，对于此方面的研究成果和成熟应用目前还比较少。急倾斜综采回采巷道支护方式目前采用的主要有锚网支护、架料支护和锚棚支护。对煤层巷道采取锚网喷支护，取得一定效果，但支护成本太高，对煤巷安全快速掘进制约太大。

国内其他类似煤矿，据了解，基本以金属支架支护为主。开采水平延伸伴随而来的问题主要是煤层倾角越来越大，为不破坏煤层顶板稳定性，煤层巷道在掘进工艺和支护设计时都采取沿煤层顶板掘进，当煤层倾角增大时，造成巷道矮帮与高帮的高差增大。当煤层倾角大于45°时，巷道高帮高度达到5.7m，造成巷道高帮支护非常困难，巷道围岩应力发生较大变化时，顶板易出现离层，高帮出现侧鼓，增加了巷道支护和维修成本，施工安全威胁较大。

金属防倒支架架料支护体系存在问题分析：巷道掘进过程中使用梯形金属防倒支架架棚支护，顶部留设三角煤，由于煤层坚固性系数较小（f=2～3），三角煤留设较困难，常造成梯形金属防倒支架顶部空顶，有时形成高冒孔洞区域，对空顶区域采用架木垛支护及煤矸充填，接顶的稳定性和牢靠性较差，随着时间的推移，支架梁和腿受煤层顶板压力和两帮挤压力逐渐增大，出现顶梁和两帮支架腿弯曲变形、折断等问题，增加巷道维修工作量，同时也对维修人员安全造成威胁，掘进过程中不能直观全面预见前方揭露的地质构造情况。工作面回采过程中由于煤层硬度小，受采场压力变化及巷道围岩应力变化影响，高帮侧巷道顶部煤炭垮落后，巷道顶板大面积空顶且长期悬吊，造成煤层顶板出现离层，工作面回采端头支架推移时升降使顶板破碎后，端头支架接顶困难，只能采取端头支架顶梁上部垫方木接顶，接顶面积有限，形成恶性循环，另回采过程中工作面下出口顶板垮落的矸石在端头支架推移过程中容易掉入端头支架内，造成3#端头支架与2#端头支架间隙大于200mm，需采用戴帽点柱进行支护，造成推移缸行程缩短，增加了下端头液压支架升降次数，对已经出现离层的下出口顶板造成更大的破坏。下端头液压支架推移时间的增长，直接影响工作面推进速度，工作面推进速度减慢，造成工作面煤壁侧压力增大煤壁出现片帮，急倾斜综采工作面片帮产生飞矸，若工作面遇裂隙、断层等地质构造，工作面推移速度缓慢，工作面片帮极易发生顶板冒落事故，对工作面安全生产造成较大威胁和影响。

原锚棚支架支护体系存在的问题：结合绿水洞煤矿回采巷道特性，研究出适用于大倾角煤层巷道采用锚杆支护和金属支架联合支护的锚棚支架，由锚杆、支架顶梁和支架腿组成。锚棚支架顶梁梁头处采用两根锚杆进行固定，当煤层倾角增大、巷道顶板压力增大或受采动压力影响，造成顶梁梁头处锚杆被剪断或梁头与顶板不呈面接触导致受力不均变形，对巷道内作业和通行人员构成安全威胁；支架顶梁尾部置于支架腿上，没有采取防滑手段，支架腿下部采用一根涨壳式锚杆进行锁脚处理，由于相邻两支架未采用拉杆连接，支架易出现移动、变形、倾倒造成失稳，引起局部冒顶和顶板冒落。

2 技术方案选定

在原锚棚支护基础上进行改进和优化，形成锚钢复合支架，主要由固梁锚杆、稳桩、顶梁连接板、支架顶梁、限位梁端、顶梁尾托板、拉杆、铁托板、支架腿、锁脚锚杆组成。固梁锚杆作用为通过顶梁连接板将支架顶梁上端与顶板固定在一起，起固定支架顶梁梁头的作用，稳桩加强固定顶梁连接板，增强固梁锚杆的抗剪切能力，锁脚锚杆的作用是固定支架腿和支护煤层底板。支架顶梁尾部置于支架腿上，通过限位梁端有效防止支架顶梁滑动，限位梁端长度要求不小于100mm，支架顶梁的顶梁尾托板与拉杆、支架腿的铁托板通过螺栓进行连接固定，拉杆的另一端连接相邻支架，起防倒、传递支架间压力和保持支架稳定性的作用，使支架由单体受力变为整体支架受力，有效抵抗局部来压、斜向来压和爆破冲击波的冲击等。锚钢复合支架的支架腿起稳定和支护高帮侧防煤矸垮落和侧鼓，缓冲围岩变形的作用。锚钢复合支架的支架顶梁起到稳定和支护顶梁上方防煤矸垮落冒顶的作用，支架顶梁上仰角度为0至20°。支架顶梁背顶采用混凝土背板，确保每架支架之间不漏窜煤矸。顶梁连接板的倾斜角度随煤层倾角α的变化而变化，以确保与顶板呈面接触。该支护形式在巷道宽度确定后，若煤层倾角变化较大，锚钢复合支架顶梁则根据煤层倾角变化而变化（增长或缩短），在施工过程中需随时观察、测量和掌握煤层倾角的变化情况，来确定锚钢复合支架顶梁的长短。该方案可解决煤层顶板悬吊面积大的问题，巷道揭露出的顶板采用树脂锚杆加锚索加锚网进行支护，锚棚支架梁子上方三角煤减小不易发生垮落，顶板的完整使端头支架推移自如，超前容易支护，不再影响工作面的推进度，解决了工作面煤壁因压力大发生片帮飞矸和遇地质构造后冒顶的安全威胁，且在回采过程中可随时直观的掌握工作面前方揭露的地质构造情况，可根据揭露的地质构造情况对工作面及上下出口采取有针对性的加强支护方案，对回采期间安全生产有较大好处，减轻了职工的劳动强度。优点：有效保护顶板和三角煤，采用主动支护和被动支护相结合，支护工作强度相对较小，维护工作量小，顶梁和腿子不易产生变形，利于后期回采顶板支护，基本可回收复用。缺点：不能适应地质构造变化地段巷道支护。

3 锚钢复合支架支护与临时支护

当煤层倾角大于35°时，采用锚钢复合支架进行支护，梁子长度根据现场煤层倾角确定，腿子长2.8m，棚距一般为0.8m，顶部、高帮采用砼背板花背，笆片密铺，并用煤矸充填严实。锚钢复合支架腿子脚窝深度不得小于0.3m，在锚钢复合支架腿子距底板500mm处采用φ=16mm、L=1.8m的涨壳式锚杆施工一组锁脚锚杆进行固定防倒，锚钢复合支架梁子梁头采用一根L=700mm、φ=36mm的稳桩和2根φ=18mm、L=2.0m的树脂锚杆固定在顶板上，矮帮侧顶板采用φ=18mm、L=2.0m的树脂锚杆配金属网支护，锚杆间排距1.0m，并布置单排锚索加强支护，锚索间距4.0m，遇断层时则在断层上、下盘各增加布置一根锚索（间距视现场情况而定）。锚索选用L=5.0m，φ=15.24mm的低松弛钢绞线，每根锚索内安设4条树脂锚固剂，其型号为ZK2350。矮帮采用φ=16mm、L=1.8m的涨壳式锚杆配金属网支护，锚杆排距为1.0m，间距为0.8m，金属网与煤壁间笆片密铺。

巷道施工过程中，巷道顶部支架支护部分采用前探梁作为临时支护，前探梁由2根L≥5m的4寸钢管（φ=101.6mm）加前探梁抓子配2～3块木板（规格：长×宽×厚=2000×250×50，单位：mm）组成，前探梁抓子由矿统一设计并加工。先将每根探梁使用2个前探梁抓子固定在支架梁子上，将探梁由外向里推移至工作面后，在探梁上铺设木板，木板要密铺，然后作业人员必须站在前探梁木板下把金属支架梁子放到前探梁上，接着将支架腿子架设好，调好支架间距，然后用支架梁头锚杆将支架梁头固定，再在支架梁子上铺设背板、笆片，铺设到前探梁木板位置时，取下该木板进行铺设，顶部铺设完后方可铺设巷道高帮。巷道顶部锚网支护部分采用玻璃钢单体液压支柱配踩子板进行临时支护，踩子板靠顶板沿煤层倾向铺设，点柱间距1.5m，排距1.2m，且用木楔子楔紧，保证点柱迎山有力。正端面采用一排玻璃钢单体液压支柱作临时护帮支护，正端面点柱上方加踩子板接顶，踩子板靠煤壁沿倾向铺设，点柱间距1.5m，且用木楔子楔紧，保证点柱迎山有力。高帮支护部分采用前探梁作为临时支护，前探梁由2根L≥5m的4寸钢管（φ=101.6mm）加前探梁抓子配块木板（规格：长×宽×厚=2000×250×50，单位：mm）组成，木板直立铺设，前探梁抓子由矿统一设计并加工。先将每根探梁使用2个前探梁抓子固定在支架腿子上，将探梁由外向里推移至工作面后，直立铺设木板，木板要密铺，待支架高帮腿子立好后才取下直立木板进行背帮。

4 急倾斜回采巷道压力监测

为了检测支护效果，对试验段巷道进行变形实测，在距离工作面200m处布置5个观测站，测站间距30m。巷道断面内布置4个测点，分别检测巷道两帮与顶底板的变形情况，取各测点数据平均值进行处理，根据巷道围岩变形量判断锚钢复合支架支护对巷道的控制作用。巷道优化支护之后，对试验段进行为期1个月的监测，主要采用人工收集数据监测巷道围岩的位移变形量。巷道顶底板移近量在前16d内增长较快，第16d之后，巷道变形趋于稳定，移近量为65mm，在第6～14d变形速度最快；两帮移近量在前16d内增长速度基本保持不变，16d以后变形趋于稳定，移近量48mm后增长的幅度较小。急倾斜煤层回采巷道上帮变形是两帮移近的主要因素，上帮变形在第14d之后趋于稳定。巷道围岩变形量随时间变化情况见图1、图2。

5 结束语

（1）研究分析金属支架架料支护和锚棚支架支护体系与现场存在的不适之处，优化改进提出采用锚钢复合支架支护体系，衍生形成专利成果“一种用于急倾斜煤层回采巷道锚钢复合支架”。

（2）采用工程类比法与现场调查分析法相结合，开展急倾斜突出煤层回采巷道压力监测分析，得出急倾斜煤层回采巷道上帮变形是两帮移近的主要因素，也是高帮片帮的薄弱环节，关键是要确保对巷道高帮的支护强度。

（3）研究提出的锚钢复合支架支护结合被动支护与主动支护两种方式，支架相互连接形成整体支护系统，具有防倒防滑功能，抗剪切能力得到增强。

作者简介：周忠国（1985-），男，四川资中人，大学本科，管理学学士，采矿助理工程师，绿水洞煤矿科技中心副主任，从事矿井生产和科技管理工作。