复杂条件下残采工作面煤巷掘进支护技术

阙启钦 福建煤电股份有限公司翠屏山煤矿，福建 龙岩 364000

翠屏山煤矿在三十余年的开采过程中，受到地质构造、煤层赋存、水文地质等地质因素的干扰以及开采工艺的限制，使得井下多处遗留有煤柱。近年来随着井下可采储量的日益枯竭以及开采工艺的改进和对井下地质情况的长期积累，使得借由对过去回采中遗留残采工作面的掘进回采，以提升煤炭资源利用率和延长矿井服务期限成为可能。

1 工程概述

翠屏山煤矿2201 残采工作面东西南北分别为2203 采空区煤柱、2203 采空区、2200 采空区以及采区上下山轨道。整个回采面标高为-230m～265m，埋深-340m～-352m。其所采煤层厚度介于2.8m～3.5m 之间，由于部分区域煤层偏薄，在沿底板进行回采时存在将底板岩层破坏的可能。

此外，鉴于整个工作面位于72-15-83-6 向斜构造的轴部位置，其受到向斜构造的影响使得煤层产状起伏变化极大，不仅倾角不稳、顶板存在局部的不平整现象，同时工作面应力集中程度较高，存在大量断层发育现象。该工作面在1998 年以对第一分层进行过回采，煤层上部直接顶与伪顶均已垮落，后经注浆后固结形成人工顶板。在进行第二分层的回采时，沿底板作业，作业过程中由于上部人工顶板固结较差，极易出现冒顶现象。为充分确保回采的顺利进行，提升煤炭利用率，通过全面的分析研究，选用留窄煤柱的掘巷回采技术进行残采工作面回采。

2 掘进巷道变形与支护问题

2.1 掘进巷道变形

伴随巷道掘进回采长度的不断增加，巷道围岩的矿压显现亦会不断增强，巷道顶板易出现开裂与离层现象。特别是在与断层相邻的区域内，巷道变形现象更是极为显著，顶板下沉的同时两帮亦会发生内移，甚至底板还会出现底鼓。在实际回采作业中，巷道右侧棚腿出现了显著的内凹变形，且发生显著的滑移现象，根据实测局部巷道顶底板与两帮的移近量分别在1300mm 与1200mm 以上。其变形主要特征可归纳为以下三点:一是巷道两侧帮壁内移明显，部分区段甚至在顶板中央出现尖顶形破坏;二是巷道顶板下沉量相对较大，局部区段顶板变为平顶状;三是巷道发生强烈的底鼓现象，特别是临近断层的区域，底鼓量可占顶底板移近量的七成以上。

在巷道掘进作业初始阶段，工作人员仅在巷道顶板布设了顶板收敛观测点。以便对巷道的顶底板移近量和两帮收敛量进行实时的动态监测。根据监测数据显示，巷道在前六天的掘进中变形量相对较大，随后第七条至第二十五天为过渡阶段，巷道变形量逐渐减小，在三十天以后巷道进行稳定期，两帮与顶底板基本不再变化。变形稳定后，两帮收敛量介于50mm～600mm 之间，顶板下沉量与底鼓量分别介于50mm～300mm 之间与100mm～700mm 之间，支架完好率不足五成，这使得确保安全生产有效进行的巷道断面积难以获得维持。

2.2 掘进巷道支护失效原因

回采工作面煤巷掘进过程中，巷道支护非常困难，巷道围岩变形严重，支架破损率较高。究其原因主要为六个方面的因素:其一，煤巷顶板岩层胶结程度较差，易风化与遇水软化，并且回采巷道受到区域构造应力影响，顶底板岩层较为破碎。其二，巷道围岩强度较低，巷道顶板为炭质泥岩、泥岩，巷道掘进中易发生垮落，煤层及巷道底板泥岩强度均较低，巷道掘进后围岩变形量较大;其三，受构造应力影响严重，回采巷道区域处于构造应力影响带，加之围岩结构强度较低，使得围岩破碎程度高，增加了支护难度;其四，应力集中程度较为显著，工作面所处区域为复杂地质条件，应力集中系数较高，部分岩体处于工程软岩状态，表现出非线性大变形和流变性，影响巷道支护效果;其五，围岩易发生遇水膨胀。

3 残采工作面煤巷掘进支护设计

在充分分析巷道围岩条件与原支护方案不足情况下，拟对原支护方案进行优化设计:(1)残采工作面煤巷掘进支护仍然沿用工字钢对棚，型号为梁×腿=3.0m×2.6m，巷道断面形式选用正梯形。(2)原掘进巷道围岩变形量较大的原因之一在于支护的承载能力不足，因此，新支护中对巷道顶梁下打设点柱，增强工字钢支撑能力，提高支护稳定性。点柱材料选用U 型钢可缩性点柱，与原先木点桩不同，U 型钢可缩性点柱具有一定的可缩性，能够允许工字钢对棚有一定的变形，释放部分围岩弹性能。U 型钢可缩性点柱高度设计为2.6m，由两节1.5m 长U 型钢组成，U 型钢之间连接采用2 个卡缆，卡缆扭矩控制在200N.m-250N.m 之间;上端与下端各焊接一槽钢，以扩大与定梁与底板的接触面积，U 型钢点柱与定梁接触处可用木楔进行背牢。(3)为了避免工字钢棚架支护不稳定情况出现，设计在棚子上安设撑杆，在距残采掘进工作面10m 范围内全部采用可缩性撑杆进行加固。铁撑杆材料主要为Φ40mm 螺杆、螺帽以及Φ50mm 铁管，在钢管内安设弹簧与两端进行钢板连接，端头钢板尺寸为长×宽×高=60mm ×60mm ×50mm。可缩性铁撑杆的打设数量应控制在60 根以上(距掘进工作面10m 内巷道)，每个棚架上安设数量原则上不少于6 根，顶板、上下帮各两根，应视情况增加铁撑杆数量。上下帮铁撑杆安设在距顶梁50mm 位置，柱上撑杆打设位置距顶底板距离分别为200mm 与300mm，安设过程中可参考巷道中线位置，铁撑杆长度可通过螺丝帽进行调节。

4 工程支护效果分析

巷道掘进支护后对巷道表面位移情况进行监测，监测时间为40天。将新支护方案围岩变形量与原支护方案变形量进行对比分析，得出，随支护时间的延长，巷道围岩变形量逐渐增加，到30 天左右变形量趋于稳定;但新支护方案的围岩变形量明显小于改变支护之前，顶板下沉量变化较为明显，由原先的245mm 下降到175mm，两帮围岩变形也得到显著改善。巷道支护过程中未出现支架折损、顶板冒落、推棚等不良现象，围岩变形稳定后的巷道断面达到安全开采使用要求，综合分析新方案支护效果良好。

5 结语

通过对残采工作面所处环境的勘探可知其地质条件极为复杂，在进行掘进回采作业时仅仅通过传统的巷道支护手段多难以达成对巷道的安全支护。往往短时间内就会导致支架发生较大的变形，致使巷道断面积的大幅缩小，从而致使通风阻力增大，巷道配风困难，对安全、高效的生产造成威胁。为此，翠屏山煤矿技术工作者对传统煤巷支护技术展开深入探究，在工字支架的基础上通过对铁撑杆与可缩性点柱的运用，极大地提升了巷道与支架承受围岩变形的能力，使得矿井支护效果获得显著改善。

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