西河煤矿采区运输巷穿采空区支护技术

梁庭瑞

(山西煤炭运销集团 阳城西河煤业有限公司，山西 阳城 048105)

在煤矿生产过程中，由于前期无序的开采，留下了大量的采空区及不规则的空巷，给后期工作面开采、巷道掘进造成了一定的困难[1]。通常前期私挖乱采的小煤窑并没有留下详细的地质资料，这些隐蔽的采空区表现出了位置不定、类型不定、结构不明等特征。在煤层开采或掘进过程中，遇到采空区如何保证采场、巷道围岩稳定性变得尤为重要[2]。目前，我国对于采空区气体、水害的治理、顶板的控制等研究较多，针对巷道掘进过程中穿采空区保证巷道围岩稳定性的研究相对较少[3-4]。本文以山西煤炭运销集团阳城西河煤矿三采区运输巷穿采空区支护设计为背景，对其进行研究，为类似条件下巷道支护提供参考依据。

1 工程概况

山西煤炭运销集团阳城西河煤矿主采3号煤层，煤层赋存不稳定，煤层厚度3.5～5.1 m，其中三采区平均厚度5 m，煤层倾角1～3°，稳定可采。煤层直接顶为泥岩或粉砂质泥岩，平均厚度4.5 m；基本顶为灰色细砂岩、泥岩互层，平均厚度17.33 m；直接底为泥岩或炭质泥岩互层，平均厚度4.3 m。三采区运输巷掘进至593.7 m处遇见3108采空区，通过钻孔勘探，采空区垮落高度不定，预计三采区运输巷在3108采空区掘进距离60 m。巷道正常掘进断面为矩形断面，巷道宽5.4 m，高3.8 m。运输巷揭露采空区垮落区情况如图1所示。

图1 运输巷迎头采空区垮落情况示意

2 支护方案的选择

根据钻探结果，巷道全部从采空区穿过，传统的锚杆、锚索支护已经不能起到支护作用。因此决定在穿采空区段将巷道断面变为直墙半圆拱形，采用可缩性U型钢棚进行支护。利用钢棚将散落的矸石形成一个加固拱，加固拱结构的形成，提高了巷道支护结构的整体性，扩大了支护体的承载范围，充分利用支护结构自身的强度来维持巷道围岩稳定性。

三采区运输大巷主要采用29U型棚架支护，U型钢棚棚腿和棚梁均由29U的U型钢加工而成，卡缆采用与29U型钢配套的螺栓卡缆。钢棚跨度5 200 mm，腿高1 400 mm，拱高2 400 mm。支护设计如图2所示。

图2 巷道支护设计(mm)

3 棚距的确定

3.1 巷道顶板受力计算

过采空区期间巷道拟采用直墙半圆拱断面，断面净宽×净高=4.8 m×3.8 m，其中净墙高1.4 m，拱高2.4 m，巷道掘进宽度为5 148 mm，掘进高度为 4 074 mm。

巷道顶板压力采取传统的自然平衡拱理论进行计算，计算公式如下：

(1)

式中：Qd为每米巷道顶板岩石作用在支护体上的压力，kN/m；γ为顶板岩石容重，25 kN/m3；f为顶板岩石的坚固性系数，松散岩体取1；a为巷道半跨度，取2.6 m。

经计算，跨度5.2 m的巷道顶板压力为225.3 kN/m。

3.2 棚距的确定

根据材料力学推导出钢棚受到的载荷公式[5]：

(2)

式中：σmax为29U型钢最大屈服载荷，取325 MPa；Wz为构件的净截面模量，取 92.3 cm3； 为拱形巷道跨度，取5.2 m。

由公式(2)得出，钢棚受到的载荷q≤8.87 kN/m。

综上可知：当钢棚拱部所受载荷为均布载荷时，最大均布载荷为8.87 kN/m，由于钢棚上部背有木板等材料，钢棚上部受力通常以均布载荷为主，半圆拱弧长7.54 m，那么拱形钢棚均布载荷受力为66.87 kN(当载荷不超过66.87 kN时，钢棚不出现弯曲变形破坏，只出现弹性变形)，如果考虑到钢棚出现极限变形破坏时，钢棚承载力是弹性变形承载力的2.0倍左右[6]，则钢棚极限承载能力为133.74 kN。

4 支护施工方案

西河煤矿三采区运输巷穿采空区巷道支护设计主要施工方案分为：临时支护和永久支护。

4.1 临时支护

每掘进一个循环1 m，掘进机截割头落地，进行临时支护和架棚支护支撑顶板。永久支护距工作面迎头最大距离为1.3 m。首先用风动钻机在工作面迎头距顶板200 mm处按角度25°打眼穿针控制顶板；在距迎头第二架处两帮棚腿侧按角度20°打眼穿针控制两帮；钻孔间距按250 mm平行均匀布置(如无法按250 mm间距布置时，根据现场实际情况适当调整间距方便安全操作)，钻孔深度不得小于1.5 m。然后往钻孔内穿针，打一个眼穿一根针，以防钻孔堵塞穿针困难，如风动钻机无法使用时，采用人工配合大锤在穿针尾端砸，一端与工作面迎头第一架永久支护梁用双股铁丝固定连接，防止顶板矸石垮落伤人。

4.2 永久支护

永久支护采用29U型架棚支护(必须先挂网后支钢架，网片采用菱形铁丝网)；钢棚由三部分组成，搭接在肩窝位置，搭接长度400 mm，卡揽采用29U型钢对应的标准卡揽，棚拱高2 400 mm，腿长1 400 mm，钢架架棚支护排距500 mm；利用D16 mm钢筋制作拉杆，长度为500 mm，按间距500 mm交叉布置在梁腿及顶梁间；背板长800 mm，按间距300 mm均匀布置，(必须保证不能出现漏顶、网包现象)，根据现场垮落区情况及时进行加密支护。梁腿支设在硬底上，并在梁腿下穿鞋(穿鞋使用三根11号矿用工字钢并排制作，长300 mm，宽400 mm)。

5 现场应用效果分析

现场对3号煤三采区运输巷穿采空区段架棚支护效果进行了监测，在距离巷道开口600 m、610 m、620 m处布置3个测点，观测周期为180 d，每天记录巷道两帮及顶板、底板变形量，综合分析支护效果。观测结果如图3所示。

图3 巷道围岩变形量随时间变化规律

由图3可知，巷道围岩移近量随时间推移，均表现出了先增大后趋于稳定的特征。两帮移近量在90 d后逐渐趋于稳定，稳定后的3个测点平均移近量为172.4 mm；底鼓量在90 d后逐渐趋于稳定，稳定后的3个测点平均移近量为249.3 mm；顶板下沉量在6 d后逐渐趋于稳定，稳定后的3个测点平均移近量为36.7 mm。

巷道两帮移近量、底鼓量要远远大于顶板下沉量，且两帮及底板变化周期较长。从现场观察结果看，主要是因为两帮岩体在应力作用下向底板深处挤压、流动，使得巷道底板受到高应力的作用，出现了明显的底鼓现象，直至两帮岩体稳定后，底板岩体也趋于稳定。从现场棚架受力情况看，并没有出现明显变形、破坏，充分说明支架在受到高应力情况下能够产生屈服变形，使得巷道围岩来压缓和，避免了巷道来压而造成支架破坏。

现场观测结果充分说明巷道在穿采空区段采用密集U型棚支护可以有效维护巷道围岩稳定性。

6 结 语

1) 通过理论计算，棚架跨度为5.2 m的巷道顶板压力为225.3 kN/m，29U型棚架极限载荷为133.74 kN，棚距不超过0.5 m。

2) 现场应用表明，巷道围岩移近量随时间推移，均表现出了先增大后趋于稳定的特征，两帮、底鼓、顶板最终平均移近量稳定在172.4 mm、249.3 mm、36.7 mm，巷道两帮移近量、底鼓量要远远大于顶板下沉量，且两帮及底板变化周期较长。

3) 棚架长时间受力均未出现变形、破坏现象，充分说明在穿采空区段采用密集U型棚支护可以有效维护巷道围岩稳定性。