综采工作面切顶留巷临时支护技术研究应用

张能旺

(山西汾西矿业(集团)有限责任公司 曙光煤矿， 山西 孝义 032300)

我国煤矿井下工作面开采原来以121工法为主，每个回采工作面需布置两条回采巷道，且工作面需留设一定宽度的区段煤柱，造成矿井采掘接替紧张、回采率低等问题。为此，何满朝等提出切顶卸压自成巷无煤柱开采技术，并在许多矿井进行了实践，取得了显著的经济和社会效益[1-4]. 其研究重点集中在“切顶卸压+恒阻大变形锚索”主体支护，对于切顶留巷期间的临时支护研究较少，盲目采用单体支柱进行临时支护，不利于矿井生产经济性、安全性、科学性的实现。以山西汾西矿业(集团)有限责任公司曙光煤矿1226运输巷为背景，在确定其主体切顶支护方案的前提下，对临时支护技术进行研究及应用，以保证巷道围岩的稳定性。

1 工程概况

曙光煤矿位于山西省孝义市，主采2#、3#煤层，生产规模90万t/a，现阶段2#煤层布置1226综采工作面，区段标高为+960～+1 105 m，相对高差145 m. 1226工作面煤层均厚为2.85 m，工作面走向推进长度1 562 m，工作面开切眼长度180.5 m，沿顶底板割煤，不留顶底煤，平均采高为2.85 m. 为提高工作面回采率及巷道利用率，设计在1226运输巷采用无煤柱沿空留巷技术。

2 1226运输巷支护技术

1226运输巷掘进期间采用“锚网索梁”永久支护方式，顶板每排采用6根d20 mm×2 400 mm的左旋螺纹钢锚杆配合4.5 m的钢筋托梁进行支护，顶锚杆锚固剂采用MSK2355、MSZ2355各一卷。锚索采用d21.6 mm×6 500 mm的钢绞线，布置在两排锚杆中间，采用“三花”布置方式，树脂锚固剂采用MSK2355、MSK2355、MSZ2355各一卷。两帮每排各支设4根d20 mm×2 400 mm的左旋螺纹钢锚杆，在巷道右帮2#煤层与夹矸分界处打设一根点锚索，锚索与巷道右帮成75°角，锚索的排距为2 m，锚索采用d21.6 mm×6 500 mm的钢绞线配合300 mm×300 mm×12 mm的四方铁板进行支护，锚固剂采用MSK2355、MSK2355、MSZ2355各一卷。

3 巷道切顶卸压+恒阻大变形锚索留巷支护

1226运输巷采用以“切顶卸压+恒阻大变形锚索支护”为主体的支护方案，通过预裂切缝爆破，在局部范围切断工作面顶板应力传递，减弱巷道顶板压力，保护巷道顶板完整性。具体方案：在1226工作面运输巷靠近回采侧范围内进行切顶爆破，切缝孔距巷道回采侧帮150 mm，切缝面由竖直方向向采空区旋转15°，切缝孔间距设计为600 mm，切顶钻孔垂直高度为10.0 m，施工时至少超前工作面50 m.

采用恒阻大变形锚索控制顶板下沉，恒阻大变形锚索加固方案：锚索d21.8 mm，长度为12 m，恒阻器d85 mm，长450 mm，恒阻值为32 t，可伸缩量为150 mm. 1226工作面运输巷和材料巷共布设2列恒阻大变形锚索，第一列恒阻锚索距切缝钻孔400 mm(距回采侧煤帮550 mm)，排距1 000 mm；第二列中线偏实体煤侧200 mm，排距2 000 mm. 恒阻锚索相邻锚索之间用3 mm×280 mmW钢带连接(平行于巷道走向)。预裂钻孔及恒阻锚索支护见图1.

图1 1226运输巷留巷支护示意图

4 巷道分区临时支护方案

工作面回采期间，巷道与工作面相对位置发生变化时，受到的采动影响大小也发生变化。工作面前方一定范围内，巷道围岩受超前支承压力的影响；工作面附近，巷道受采煤机割煤、采空区顶板垮落的动压影响；工作面后方一定范围内，巷道仍受采空区顶板垮落的动压影响，需要持续变形一段时间才能最终稳定。因此，将工作面附近的1226运输巷划分为3个区：超前支护区(工作面前方30 m)，架后临时支护区(架后0～200 m)和成巷稳定区(架后200 m之后)，分区见图2.

4.1 超前支护区

工作面前方30 m内的运输巷受超前支承压力的影响，巷道围岩易出现较大的变形，故设计采用单体液压支柱配合π型梁进行临时补强支护，采用一梁三柱垂直巷道轴线方向布置，排距为1.0 m，超前支护长度不小于30 m.

4.2 架后临时支护区

工作面后方0～200 m，采空区顶板逐渐垮落，动压影响较为剧烈。因此，在架后0～200 m，顶板需要临时加强支护。现有的架后临时支护主要有单体临时支护、单体+墩式支架临时支护和门式刚架临时支护[5-6]. 其中单体支柱主要用于浅埋深、薄煤层、压力比较小的留巷支护，曙光煤矿开采深度大，巷道内压力显现明显，因此主要从单体+墩式支架临时支护和门式钢架临时支护之间选择。单体+墩式支架临时支护和门式钢架临时支护对比见表1.

为确保1226运输巷的切顶留巷效果，对门式支架与墩式支架综合分析比较后，最终确定采用门式支架进行1226运输巷的架后临时支护。1226运输巷为矩形断面，根据自然平衡拱理论，作用在深埋岩体巷道顶部的围岩压力为自然平衡拱内岩体的自重，顶板最大松动范围为[5-6]：

图2 巷道不同位置临时支护图

表1 门式支架与墩式支架对比表

(1)

式中：

hg—顶板最大松动范围，m；

a—巷道宽度的一半，m，取2.35；

c—帮部最大破坏范围，m，取3.5；

fd—顶板硬度系数，取2.

由式(1)可得，hg=2.925 m，按照最危险的情况考虑，顶板松动范围内的岩体自重全部由门式支架承担，则所需的门式支架支护力为[7]：

N=hgγ(2c+2a)d

(2)

式中：

N—所需支护力，kN；

hg—顶板最大松动范围，m，取2.925；

γ—岩层平均重力密度，kN/m3，取25；

c—巷道两帮破坏范围，m，取3.5；

a—巷道宽度，m，取2.35；

d—支护排拒，m，取1.5.

由式(2)可得，N=1 283.34 kN. 根据压强公式P=N/S，可算出所需支护压强至少需0.182 MPa. ZLQ2826/22.5/38型门式支架初撑力为1 978.2 kN，工作阻力为2 826 kN，均大于所需支撑力，因此确定采用ZLQ2826/22.5/38型门式支架。1226运输巷锚杆排距为1 000 mm，为有效避让顶板锚杆、锚索，确定门式支架架间距为1 500 mm，留巷加强支护长度按照200 m考虑，共需134架门式支护装置。相邻门式支护装置横梁之间通过矿用高强度圆环链及紧链器连接，实现相邻门式支护装置之间的连接，避免因立柱卸压发生倒架。门式支架布置方式见图3.

图3 运输巷道门式支护临时支护展开图

为防止采空区的矸石滚落至巷道内，支架靠近采空区一侧挂设钢筋网，钢筋网上部与顶板金属网捆扎在一起，钢筋网由d6 mm的钢筋焊接而成，尺寸为1 700 mm×1 000 mm，钢筋网挂设完成后，在采空区侧布置可伸缩36U型钢，U型钢长2.6 m(可根据巷道高度适当调整)，U型梁排距为500 mm，布置见图4.

图4 架后临时支护侧视图

4.3 成巷稳定区

滞后采煤工作面200 m以上的巷道内，当围岩趋于稳定时，将门式支架撤去，保留可伸缩U型钢进行挡矸支护，根据巷道内瓦斯浓度、采空区漏风情况，确定是否进行碎石帮侧喷浆处理。喷浆时采用水泥砂浆，喷浆厚度不小于50 mm，必要时进行复喷。

5 应用效果

5.1 监测点布置及监测周期

曙光煤矿1226运输巷沿空成巷施工后，在现场进行了巷道表面位移量监测，布置83组测点，每组测点包括2个点：顶板(A点)、底板(B). 监测方法：用收敛仪分别测量各测点到基准点的距离，两测点相邻两次测试数据的差值即为两点相对移近量，以此累加相邻两次测试数据的差值即可得两点相对总移近量，测量精度0.1 mm. 巷道表面位移监测为实时在线监测，每次获取的观测数据需要做好记录表及时整理，共进行为期21天的监测。

5.2 支护效果评价

对现场监测得到的数据整理得到图5，成巷初期巷道围岩位移量快速增大，成巷约10天后围岩趋于稳定，两帮移近量稳定在23.5 mm左右，顶底板移近量稳定在16.3 mm左右，巷道变形量小，支护效果良好。

图5 围岩位移量变化曲线图

6 总 结

1) 以“切顶卸压+恒阻大变形锚索支护”为主体的切顶留巷技术应用期间，临时支护对于留巷围岩稳定非常关键。工作面超前段受超前支承压力的影响，可采用单体柱或单体柱+工字钢进行补强支护，超前支护距离不小于100 m；工作面开采时，顶板开采垮落，动压明显，可采用门式支架等强度高、整体性强的临时支护方式，工作面后方顶板从垮落到稳定需要一定的时间，因此距工作面较近的架后区域不仅需要进行顶板补强支护，还需进行挡矸支护，采用可伸缩U型钢挡矸支护效果良好；当巷道距工作面较远时，顶板运动基本趋于稳定。矿压监测结果表明，巷道顶板稳定后，可将架后临时支护的设备撤掉，只进行挡矸支护即可。

2) 围岩位移监测结果表明，留巷期间围岩稳定后，两帮移近量稳定在23.5 mm左右，顶底板移近量稳定在16.3 mm左右，围岩稳定性良好，能够满足1228接替工作面的生产需求。