采煤工作面沿空留巷专用支护系统研究

何 明

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 北京开采研究分院，北京 100013)

采煤工作面沿空留巷专用支护系统研究

何 明1，2

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 北京开采研究分院，北京 100013)

针对阳煤集团新景矿3214工作面地质条件，对采煤工作面沿空留巷专用支护系统进行研究，提出沿空留巷专用支护系统选型设计原则，对充填过渡支架和挡矸支架优化设计，并进行井下工业性试验，确保了3214工作面沿空留巷充填开采工艺成功实施，实现工作面Y型通风，有效解决了隅角瓦斯积聚和超限问题，对解决回采工作面巷道布置、减少巷道掘进量、提高采区采出率、减少工作面准备时间、降低开采成本等具有重要意义。

沿空留巷；充填过渡支架；挡矸支架

沿空留巷技术取消区段煤柱，提高了煤炭资源采出率，延长了矿井服务年限；减少巷道掘进量，缓解了采掘接替矛盾的难题；实现工作面Y型通风系统，有效解决了工作面隅角瓦斯积聚和超限问题，取消了孤岛工作面，有利于矿井安全生产。沿空留巷技术是无煤柱开采的重要发展方向，其技术优势和经济效益都很显著[1-5]。本文结合阳煤集团新景矿3214工作面具体地质条件，对采煤工作面沿空留巷专用支护系统进行研究。

1 新景矿3214工作面概况

阳煤集团新景矿3214工作面埋深434～535m，工作面走向长1086m，倾斜长211m。所采3号煤层大部分厚度稳定，仅北部局部冲刷区煤层厚度变化较大，结构简单，一般含1层夹石。煤层以镜煤、亮煤为主，内生裂隙发育。煤层总厚0.8～2.61m，平均厚度2.26m；煤层倾角2～11°，平均倾角7°。

3214工作面基本顶为2.43m的灰白色细粒砂岩，成分以石英为主，长石次之，局部冲蚀下部岩层与3号煤直接接触。直接顶为3.2m的灰黑色砂质泥岩，含植物化石，局部受基本顶砂岩冲蚀不存在。直接底为2.14m的灰黑色砂质泥岩，富含植物化石碎片，上部含砂量较小，有时相变为泥岩。

3214工作面布置1条进风巷、1条辅助进风巷及1条回风巷，辅助进风巷将被保留下来为下一工作面使用。工作面生产系统及巷道布置如图1所示。工作面形成“两进一回”的“Y”型通风系统，从系统上避免了上隅角瓦斯积存的问题。

图1 3214工作面生产系统及巷道布置

2 沿空留巷专用支护系统选型设计

沿空留巷专用支护系统主要由充填过渡支架、巷旁挡矸支架、挡矸装置及其他辅助装置组成。其中，充填过渡支架与输送机相连，方便架前铺网，为架后充填作业提供安全空间，附带挡矸装置，防止移架时前、后架间漏矸；巷旁挡矸支架布置在充填过渡支架后部，具有挡矸、支护、纠偏等功能，适用于高水、膏体等材料充填。沿空留巷专用支护系统选型设计原则如下：

(1)专用支护系统支护强度应与采煤工作面煤层赋存条件和矿压显现规律相适应，保障工作面安全高效生产。

(2)专用支护系统应与巷内支护、巷旁支护强度匹配，满足留巷工艺需要。

(3)专用支护系统应保证沿空留巷作业空间安全可靠。

(4)专用支护系统应结构紧凑，自动化程度高，空间布置合理，减少输送机停机时间，加快工作面推进速度。

(5)专用支护系统应具有调斜纠偏功能，保证充填墙体沿巷道走向平行施工。

针对阳煤集团前期沿空留巷专用支护系统中存在的诸多问题(如支护系统空间布置不合理、挡矸效果及稳定性较差、拉移困难以及采空区侧挡矸支架易倾斜等)，并考虑新景矿3124工作面生产衔接工期紧张等因素，经支护系统优化设计及配套验证，决定充填过渡支架在中部支架基础上改造完成，并优化原巷旁挡矸支架，整个专用支护系统采用电液控制，最终配套设备如下：中部支架：ZY6400/17/31AD，顶梁为铰接顶梁带伸缩梁结构；充填过渡支架：ZY6400/17/31AD(G)，共6架，在中部支架基础上改造；巷旁挡矸支架：ZQL2×4000/17/31A(B)D，一组；运输机：SGZ800/800；采煤机：MG300/700。

新景矿3214沿空留巷支护系统平面布置如图2所示。

图2 3214沿空留巷支护系统平面布置

新景矿3214工作面沿空留巷专用支护系统具体配套关系如图3所示。

图3 3214沿空留巷专用支护系统配套关系

如图3中(a)所示：充填过渡支架机尾第6架靠近中部支架安装，机尾第6架安装后方和侧方挡矸装置防止采空区漏矸。

如图3中(b)所示：充填过渡支架机尾第5架后方安装靠近采空区一侧的挡矸支架，挡矸支架安装挡矸板；为避免机尾第6架移架时侧方漏矸，机尾第5架安装侧方挡矸装置；机尾第5架与挡矸支架之间安装可左右旋转、上下调节的挡矸板，该挡矸板与挡矸支架自带挡矸板搭接防止漏矸；机尾第5架后方安装挡矸装置。

如图3中(c)所示：充填过渡支架机尾第4架后方安装挡矸支架靠近充填墙体一侧的部分。

如图3中(d)所示：充填过渡支架机尾第3架后方为充填作业区。

如图3中(e)所示：充填过渡支架机尾第1架、第2架后方为留巷。

3 充填过渡支架优化设计

中部支架ZY6400/17/31AD改造为充填过渡支架总体思路为：在原支架掩护梁背部两侧增加导向耳轴，设计可沿导向耳轴纵向滑动的箱形梁，该滑动梁与掩护梁之间通过滑动千斤顶连接，滑动梁上方铰接一顶梁(带伸缩梁)；原支架底座后部增加一铰接底座，新增顶梁与底座之间通过立柱连接，新增顶梁姿态通过立柱及滑动千斤顶调节。对支架新增结构进行强度理论校核，改造后充填过渡支架ZY6400/17/31AD(G)如图4所示。其中，新型挡矸装置如图5所示：包括侧方挡矸装置、后方挡矸装置以及过渡支架与挡矸支架之间挡矸板。

1—原中部支架；2—滑动梁；3—导向耳轴；4—滑动梁；5—滑动千斤顶；6—顶梁；7—立柱；8—底座图4 充填过渡支架ZY6400/17/31AD(G)

充填过渡支架结构特点如下：

(1)与以往支架后部支护空间采用挑梁结构相比，新增后部结构支护空间大，采用立柱支护顶板，支护强度高，增强了后部充填作业空间的安全性和稳定性。

(2)通过滑动梁设计可以较好地保持充填过渡支架前后部高度一致，更有效地维护充填作业区顶板。

(3)后部铰接式全封闭挡矸机构采用箱型结构梁，强度高、可靠性高，可随采高位置自动调节，挡矸效果好。

(4)随着采高变化可调节支架侧方挡矸结构，挡矸效果好。

(5)充填过渡支架与挡矸支架之间的新型挡矸结构可实现左右旋转、上下自主调节从而改善挡矸效果。

4 巷旁挡矸支架优化设计

原有巷旁挡矸支架(如图6所示)操作繁琐，前后架需要分开拉架；采空区顶板垮落后，靠近采空区一侧挡矸支架姿态不好调整；支架整体结构过长，而充填墙体凝固时间实际很短，不需要支架滞后支护。针对使用中存在的诸多不足，对原挡矸支架进行优化设计，优化后支架为前后铰接结构，缩短整机长度，并增加辅助推移装置，实现单排整体移架；底座和顶梁上增加防倒千斤顶，调整支架姿态。挡矸支架优化后结构如图7所示，其中新增辅助推移装置如图8所示。

图5 新型挡矸装置

图6 原挡矸支架ZQL2×4000/17/31A(B)D

图7 优化后挡矸支架ZQL2×4000/17/31A(B)D

图8 辅助推移装置

5 井下工业性试验

5.1 沿空留巷开采工艺

沿空留巷开采工艺如下：铺网→割煤→移机尾充填过渡支架、挡矸支架→架后落山侧临时支护→架后正式支护→校对中线→支模→泵注混凝土(等墙体凝固达到设计支撑强度)→留巷滞后支护。

5.2 初次来压及周期来压

(1)3214工作面初采期间推进12m落山顶板垮落，主要原因在于原切巷成巷时间早，顶板已产生离层，故受采动影响，落山直接顶垮落，但基本顶未发生垮落。

(2)瓦斯抽放量情况：工作面初采高抽巷瓦斯抽放量2016年12月19日8点班最大达到14.24m3/min，在12月22日下降到13.88m3/min，之后稳定在10～15m3/min。

(3)3214工作面在12月19日工作面支架出现峰值40MPa，且一直稳定在38～40MPa，12月20日支架工作阻力减小至26MPa左右，顶板压力有明显变化。

综上分析，3214工作面初次来压在2016年12月19日前后，当日推进度为进风29m，回风35m。3214工作面初次来压步距30m，周期来压步距10～14m，影响范围3m。

5.3 巷道变形观测

(1)进风巷顶底板变化量为0～200mm，两帮变化量为0～200mm；沿空留巷顶底板变化量为400～1600mm，两帮变化量为100～900mm；回风巷顶底板变化量为200～2200mm，两帮变化量为100～900mm。

(2)进风、辅助进风巷在构造揭露期间巷道变化量小，巷道支护强度能满足要求。

(3)沿空留巷巷道变化大，柔膜处顶板下沉较大处建议队组跟紧支设木垛、中路柱等支护设施，为巷道的二次复用打好基础。

(4)回风巷巷道变化较大，应及时起底。

沿空留巷巷道高度和变化曲线如图9、图10所示。

图9 沿空留巷巷道高度变化曲线

图10 沿空留巷巷道宽度变化曲线

6 结 论

通过对沿空留巷专用支护系统的研究，提出了沿空留巷专用支护系统选型设计原则，建立了适应阳煤集团新景矿3214工作面的沿空留巷专用支护系统并对现有支架进行优化设计，满足了沿空留巷充填开采需要，确保了留巷成功。

(1)改造后的机尾充填过渡支架增加了支护面积和支护强度，能更好地维护顶板，改善顶板支护质量和作业环境，为支架后部充填作业提供了足够的安全操作空间。

(2)解决了现有沿空留巷专用支护系统中挡矸效果、支架稳定性差及采空侧挡矸支架易倾斜、拉移困难等问题，后部挡矸支架稳定性提高，移架更顺畅，新型挡矸装置的研发有效避免了采空区漏矸。

(3)沿空留巷专用支护系统实现了电液控制。

(4)采用“Y”型通风方式，有效缓解突出煤层衔接紧张、风量紧张、防突压力大的被动局面。

[1]华心祝.我国沿空留巷支护技术发展现状及改进建议[J].煤炭科学技术，2006，34(12)：79-80.

[2]柏建彪，周华强，侯朝炯，等.沿空留巷巷旁支护技术的发展[J].中国矿业大学学报，2004，33(2)：183-186.

[3]孙恒虎，赵炳利.沿空留巷的理论与实践[M].北京:煤炭工业出版社，1993.

[4]康红普，牛多龙，张 镇，等.深部沿空留巷围岩变形特征与支护技术[J].岩石力学与工程学报，2010，29(10)：1977-1987.

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StudyonSpecificSupportingSystemforGod-sideEntryRetainingofCoalFace

HE Ming1,2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China; 2.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

Based on geological condition of 3214 working face in Xinjing coal mine of Yang coal group，specific supporting system for god-side entry retaining of coal face was studied systematic，and then specific supporting system selection and design principle of god-side entry retaining was put forward，god-side entry retaining filling mining technology of 3214 working face was processed successfully，and then Y-type ventilation of working face was realized，industrial test in the pit was proceeded，some problems that corner gas accumulation and ultralimit were solve successfully，it was significant for roadway layout of working face，decreasing roadway tunneling，improving mining ratio，decreasing release time of working face and reduce mining cost.

god-side entry retaining;filling transition support；resistance gangue support

2017-08-22

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.06.015

国家重点基础研究发展计划( 973) 资助项目(2014CB046302)；国家自然科学青年科学基金项目(51704157)；天地科技股份有限公司研发项目(KJ-2015-TDKC-01)

何 明(1983-)，男，山东泰安人，助理研究员，博士在读，主要从事工作面支护与装备技术研究。

何 明.采煤工作面沿空留巷专用支护系统研究[J].煤矿开采，2017，22(6)：62-65.

TD355.4

A

1006-6225(2017)06-0062-04

林健]